风电场雷击风险及防护措施研究郑佳滨

风电场雷击风险及防护措施研究郑佳滨

郑佳滨

（身份证号码：44058219920415xxxx）

摘要：随着风力发电的快速发展，雷击问题日益凸显，雷击事故占风电场自然事故中的3/5以上，严重威胁风电场的安全稳定运行。据中国农机工业协会风能设备分会数据统计，全国风场因雷击造成的叶片受损率高达1%，部分高雷暴区可达5%，保守估计每年因雷击造成的叶片损伤高达3000片。此外，风电机组容量不断增大，高度不断增高，使得雷击事故率成倍增长。对此，文章主要研究了风电场雷击风险及防护措施，仅供参考。

关键词：风电场；雷击风险；防护措施

1风力发电机雷击损坏机理

实际运行经验表明，增加风力发电机的塔架高度和叶片长度可有效提高发电效率，为此，风力发电场大多建造在山头、旷野以及沿海滩涂等空旷地带。这些地带的雷暴日较高。高耸在山头的风力发电机叶片暴露在高空中相当于避雷针的尖端，当出现雷云后，雷云与大地之间形成巨大的电容器，处于电场中的风力机叶片易引起电场的畸变，产生尖端放电现象。研究表明雷电的产生由雷云引起。蒸发作用使地面湿热的水蒸气上升，进入高空中稀薄的大气层，湿热的水蒸气遇到高空中的冷空气之后凝结成小水滴，或者形成雪花状的小冰晶构成云，云在风力的作用下四处游动，并与空气相互摩擦而带电形成雷云。雷云电荷的释放途径主要有两种：（1）雷云内部放电，（2）雷云与雷云之间的放电，（3）雷云对上空放电，（4）雷云对大地放电。通常对地面建筑物构成威胁的主要放电形式是雷云对大地放电。实际测量表明，对地放电的雷云大多带负电荷，大地及地表的建筑物在雷云的作用下被感应出极性相反的电荷，雷云中的负电荷随着雷云的发展逐步积累，与之对应的地面正电荷也随之增加，当雷云与大地形成的巨大电容器中的电场强度大于空气游离的临界强度时就产生局部放电通道，由雷云边缘向大地发展称为先导放电。当导通道发展到靠近地面时，地面突起处的正极性电荷形成迎雷先导，并向雷云发展。雷云对地面的放电过程非常短暂，通常只有几十微秒，最多几百微秒，然而雷云放电过程却是一个相当复杂的过程。上行先导和迎雷先导贯通形成雷电通道往往需要分级完成，在研究雷电模型时，我们通常忽略先导过程，只考虑主放电通道。雷电流用一个电流源表示，放电主通道用一个阻抗Z表示，称为雷道波阻抗，被击中的设备用一个与雷道波阻抗并联的阻抗ZW表示，如图所示。标准雷电波形为2.6/5.0s，即雷电击中目标后，放电电流在2.6s达到最大，雷电所携带的总能量在50s内释放完毕，短波头、高幅值的雷电极具破坏力。雷击风力机叶片后，雷电侵入波沿着塔架或接地引下线入地时，可直接使塔架或引下线周围的空气击穿，塔架或接地引下线周围的强电磁场对塔筒内部的电子元器件也会构成致命的威胁，控制柜内部器件在雷害事故中大量损害的现象屡见不鲜，入地电流在接地装置上产生的电位升高不仅会引起反击事故而威胁设备的正常运行，还会在接地网上产生电位差形成跨步电压而威胁风电场内工作人员的人身安全。雷击也可导致风力机组断路器的分闸，分闸过电压会造成弱电设备的损坏、寿命缩短等。雷电击中风电场内的架空集电线路后可能引起电缆接头、箱变两侧避雷器等设备的烧毁。

2风电机组的雷击风险分析

2.1风电机组构造

风电机组外露部分主要由叶片、轮毂、机舱、塔架等构成。叶片是风电机组的关键组成部分，用于捕捉风能，位于风电机组的最高点。轮毂将叶片固定，并将叶片的机械动能传递到机舱内部。机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机等，实现机械动能向电能的转化。塔架用于支撑叶片、轮毂以及机舱，一般内部中空，为维修人员提供上下通道，并且内部有大量外接电缆。

2.2风电机组接闪过程分析

雷暴来临时，雷云积聚在风电机组的上方，由于地面产生感应电荷，且风电机组的高度较高，相较周边地势较为突出，使得风电机相对于雷暴云形成一个极不均匀电场极，极易发生尖端放电，击穿风力发电机与雷云间的游离空气，发生回闪放电现象，强大的雷电流通过风力发电机导入大地，这就是风电机组的接闪过程。

2.3雷击对风电机组产生的危害

当雷电击中风电机组时产生剧烈的放电现象，从而对风电机组产生严重危害。雷击对风电机组造成的危害主要分为直击雷和间接雷击两种类型。直击雷危害主要体现为雷击的电效应、热效应和机械效应造成的严重破坏;间接雷击的危害又称为二次雷击的危害，主要是雷电感应造成的危害，体现为静电感应、电磁感应以及雷电反击造成的破坏。

3风电场防雷措施研究

3.1架空线一电缆接头处增设线路避雷器保护

为了降低侵入波的幅值，仅靠箱变高压侧避雷器难以满足要求，工程上常采用安装线路避雷器的方法。如果避雷器安装在线路中段杆塔上，则线路避雷器无法泄放沿线路端部侵入的雷电流，若每基杆塔上都安装线路避雷器，一旦某台避雷器被击穿，则被击穿避雷器的定位难度极大。此外，架空线和电缆的波阻抗不同，沿架空线路侵入的雷电波到达架空线一电缆接头处时会在此发生波的折、反射，易导致接头处暂态过电压波形出现振荡“尖峰”。综合考虑以上两个因素，将线路避雷器安装在架空线一电缆接头处。该保护措施在实际风电场内经常使用。线路避雷器的保护原理与电力系统中普通避雷器的保护原理完全相同。风电场内架空集电线路被雷击中后，部分雷电流向风力机集电电缆、箱变方向侵入，在侵入过程中会经过增设的线路避雷器，当线路避雷器两端电压超过避雷器的放电电压时，线路避雷器阀片动作，避雷器电阻很小，雷电流沿线路避雷器释放，其幅值和能量可较大幅度地衰减，衰减后的雷电流幅值变小，流经阀片上的电流随之减小。若雷电没有引起线路故障，则线路避雷器上的最终电流为工频续流，线路避雷器恢复正常，可视为绝缘体。

3.2浪涌保护器保护

理想情况下，精密信号应该采用不含金属材料的光纤传输，然而实际风电场中的信号通信信道都是采用金属线芯的电缆进行传输。当风力机叶片遭受雷击时，塔筒内部信号电缆的金属线芯很容易感生出暂态过电压而造成绝缘击穿。由第四章中的分析可知，雷害事故中控制柜内的信号电缆终端经常变形或烧毁。浪涌保护器作为风力机弱电设备保护的主要器件，用于防止沿风力机叶尖侵入的雷电流对信号电缆的破坏，在风电场中己得到了广泛的应用。

3.3综合防雷措施

（1）在风力机叶片的叶尖上安装接闪器。接闪器与轴承、接地引下线等构成一条雷电流泄放的通道，减少了流经塔筒的雷电流，进而降低了电磁感应作用在信号电缆上感应的暂态过电压幅值。（2）降低架空集电线路杆塔的接地电阻。降低杆塔的冲击接地电阻可减小绝缘子串发生闪络或者“反向”击穿的概率，即提高了线路的耐雷水平。但该保护措施只能作为一种下策保护，因为风电场大多位于土壤电阻率较高的山头、旷野等地带，降低杆塔接地电阻的性价比并不高。（3）增加架空集电线路绝缘子的片数。该措施应该与增设避雷线数目保护配合使用，增设避雷线数目保护后，雷电流击中避雷线或杆塔塔顶的概率增大，当杆塔塔顶遭受雷击后，可导致绝缘子的闪络或击穿，而增加绝缘子片数可降低绝缘子闪络或击穿的几率。

4结束语

风电的快速发展使得风机的雷击问题凸显，风电场雷击防护问题越来越受到人们的关注。风机因其自身结构与运行方式特点，其雷击防护问题不同于传统的建筑物与输电线路防雷。本文笔者结合自身实践经验分析了风电场雷击风险及防护措施，希望能为同行提供有益的参考。

参考文献

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