【文章摘要】

　　沿海山區(qū)和高海拔地區(qū)通常都是雷雨季節(jié)的雷電高發(fā)區(qū)，未來對風電場的防雷系統(tǒng)要求會更加嚴格，做好防雷系統(tǒng)對風電場的安全運行更加重要。本文結(jié)合實際，從風電場防雷接地系統(tǒng)設計、施工， 以及風電機組、電氣系統(tǒng)、集電線路、通訊系統(tǒng)防雷的措施等幾個方面，闡述如何可以更加有效降低雷電侵擾帶來的傷害，減少因雷擊造成的損失，保證風電場安全經(jīng)濟的運行，力求為今后風電場防雷系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。

　　【關鍵詞】

　　風電場；雷電；防雷系統(tǒng)

　　1 風電場防雷接地系統(tǒng)設計與施工

　　對于整個風電場要想減少雷擊事件的發(fā)生，降低雷擊造成的損失，達到良好的防雷效果，做好防雷接地系統(tǒng)的設計和施工是前提條件也是最基本的要求。風電場如果沒有良好的防雷接地系統(tǒng)， 雷擊電流無法迅速傳導于大地，采取所有的防雷措施都無濟于事。因此做好風電場防雷接地系統(tǒng)的設計和施工是非常重要的。

　　1.1 風電場防雷接地系統(tǒng)的設計

　　1.1.1 風機基礎和箱變配電設備防雷接地系統(tǒng)設計

　　風機基礎和箱變配電設備接地系統(tǒng)設計要根據(jù)風電場所處的地理位置、土壤特征、雷擊自然災害發(fā)生的頻率等條件，參照IEC61400- 24-2010《風力渦輪機. 第24 部分：防雷保護》等行業(yè)規(guī)范的要求進行設計。風電機組的接地既是防雷接地，也是設備保護接地、工作接地、防靜電接地。風機基礎是風電機組重要的自然接地體，風電機組的接地銅引線穿過基礎時應與風機基礎內(nèi)的鋼筋有效連接，同時與箱變接地連為一體。當風電機組的接地電阻不能達到標準要求時，應敷設人工接地網(wǎng)，人工接地網(wǎng)由厚度不小于4mm、埋地深度不小于0.8m 的扁鐵組成，人工接地網(wǎng)通常為以風機基礎中心為圓心的同心圓方式布局。風電場內(nèi)所有的風機機位的接地電阻應符合阻值≤ 4Ω 的要求。

　　風電機組、集電線路、箱變配電設備的下列金屬部件，均需有效接地：

　　1）風電機組的機艙（包括葉片、發(fā)電機組、控制柜等）、塔筒、箱變和高壓電器的底座外殼；

　　2）配電、控制、保護柜、操作臺等金屬框架；

　　3）動力及控制電纜、通訊光纜的金屬鎧裝；

　　4）配電裝置的金屬架構(gòu)和鋼筋混凝土架構(gòu)，靠近帶電部分的金屬圍欄；

　　5）電力電纜接線盒、終端盒外殼、通訊光纖接線盒、電纜外皮、穿線鋼管和電纜或母線橋架；

　　6）裝在集電線路桿塔上的開關設備、避雷器、跌落式開關等電器設備；

　　7）集電線路桿塔、避雷線、通訊光纜鎧裝保護層。

　　1.1.2 風電場升壓站防雷接地系統(tǒng)設計

　　風電場升壓站內(nèi)集中安裝了最重要的電器設備和電氣裝置，因此升壓站的防雷接地系統(tǒng)必須嚴格按照GB50065- 2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》， 結(jié)合升壓站所處位置環(huán)境及土壤條件進行設計。一般是統(tǒng)一敷設主接地網(wǎng)，而在避雷針或避雷器附近的地下另外敷設防雷接地體，加強釋放雷擊電流的能力。一般情況下，風電場升壓站接地裝置接地電阻值應符合公式：R ≤ 2000/I

　　公式中：R—最大接地電阻值 單位為Ω

　　I—流經(jīng)接地裝置的入地電流（雷擊電流或短路電流）單位為 A

　　在理論設計中防雷接地設計要滿足R ≤ 2000/I，一般情況通常認為110kV 及以上的升壓站防雷接地電阻值R ≤ 0.5Ω，但并不是接地電阻值R ≤ 0.5Ω 就一定合格，如果流經(jīng)接地裝置的入地電流（雷擊電流或短路電流）特別大時，還要采取其他措施，保證滿足R ≤ 2000/I 的設計要求。

　　風電場升壓站防雷接地網(wǎng)設計要遵循如下原則：

　　1）盡量采用建筑物地基的鋼筋和自然金屬接地物統(tǒng)一連接來作為接地網(wǎng)；

　　2）盡量以自然接地物為基礎，人工接地體為補充，外形盡可能采用閉合環(huán)形；

　　3）采用統(tǒng)一接地網(wǎng)，用一點接地的方式接地。

　　當接地裝置的接地電阻值不符合公式要求時，可通過技術(shù)經(jīng)濟比較，適當放寬接地電阻值，但阻值不得大于4Ω，并且要符合我國的相關標準要求。

　　1.1.3 風電場集電線路防雷接地系統(tǒng)設計

　　風電場內(nèi)集電線路防雷接地系統(tǒng)設計要符合 DL/T620 -《 交流電氣裝置的 過壓保護和絕緣配合》的要求。線路桿塔防雷接地系統(tǒng)的電阻值, 通常情況下要滿足R ≤ 30Ω。

　　1.2 風電場防雷接地系統(tǒng)的施工

　　1.2.1 防雷接地系統(tǒng)施工要求

　　風機基礎的防雷接地系統(tǒng)地埋接地避雷帶應為50×4mm 的熱鍍鋅扁鐵，扁鐵要按照以風機基礎中心為圓心的同心圓進行敷設。風機接地銅引線與避雷帶要焊接相連，連接點應不少于3 處。施工流程一般為：施工準備→開挖接地溝槽→敷設接地扁鐵→安裝接地裝置→焊接避雷線→焊接接地網(wǎng)→對焊點進行防腐處理→鋪撒降阻劑→回填壓實接地溝槽→測試接地電阻值。

　　防雷接地網(wǎng)所有焊接處的焊縫應飽滿，并能夠承受足夠的機械強度，不得有夾渣、咬肉、裂紋、虛焊、氣孔等缺陷，焊接處的焊渣應清除干凈，并刷瀝青進行防腐處理。每處施工完畢后，要及時請質(zhì)檢人員進行隱蔽工程檢查驗收，合格后方能隱蔽，同時做好隱蔽工程的驗收記錄。避雷帶應平直、牢固安裝，不得有明顯的高低起伏和彎曲現(xiàn)象，間距距離應均勻一致。

　　2 風力發(fā)電機組防雷措施

　　目前，風力發(fā)電機組的單機容量越來越大，為了更好的吸收風能，輪轂高度和葉輪直徑也在不斷增加。與此同時風力發(fā)電機組也增加了被雷擊的風險，雷擊成了影響風力發(fā)電機組安全運行的一大危害。雷電釋放的巨大能量會造成風機葉片損壞、通訊光纖熔斷 、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元件燒毀和液壓缸損毀等。 風力發(fā)電機組主要部件被雷擊損毀率由高到低依次為電控系統(tǒng)、葉片、通訊光纖、發(fā)電機、變槳液壓缸。按雷擊損毀維修成本由高到低分別為葉片、發(fā)電機、變槳液壓缸、電控系統(tǒng)、通訊光纖。

　　2.1 風力發(fā)電機組防雷系統(tǒng)

　　雷電對風力發(fā)電機組的損害分直擊雷損害和感應雷損害，直擊雷主要損壞風力發(fā)電機組的葉片、變槳液壓缸、通訊光纖等，感應雷主要損壞電氣控制系統(tǒng)、發(fā)電機等。針對直擊雷和感應雷，我們要根據(jù)其特性，采取不同的方式對風力發(fā)電機組進行保護。

　　2.1.1 風力發(fā)電機組外部防雷保護系統(tǒng)

　　風力發(fā)電機組的外部防雷保護系統(tǒng)由接閃器、防雷引下線和接地系統(tǒng)組成， 主要作用是防止直擊雷對風力發(fā)電機組造成的破壞。

　　1）接閃器

　　雷擊風力發(fā)電機組的落雷點一般在葉輪的葉片上，因此接閃器應預先安裝在葉片的預計雷擊處以承接雷擊電流。為了以可控的方式將雷擊電流引導入大地，現(xiàn)在市面上葉片通常采取每個葉片安裝4 ～ 6 個接閃器，這些接閃器通過葉片內(nèi)腔的避雷線連為一體。接閃器的材質(zhì)多為鋁質(zhì)，避雷線的規(guī)格通常是直徑Φ ≥ 35mm?的多股軟銅導線。

　　為了更好的防止葉片遭受雷擊，現(xiàn)在已經(jīng)有葉片廠家開發(fā)出了新型的防雷葉片。近兩年市場上逐步出現(xiàn)了帶有銅質(zhì)防雷帽的葉片，其用套在葉尖上的銅質(zhì)防雷帽代替葉尖接閃器，增大了承載面積更加有利于將雷擊電流及時引入大地。由此原理推測，今后市場上不排除出現(xiàn)帶有防雷帶的葉片，其原理就是用兩條敷設在葉片表面的銅質(zhì)導電帶代替葉片兩側(cè)的接閃器，使葉片本身更加均勻的增大接受雷擊電流的能力，及時將雷擊強電流引入大地，避免雷擊對葉片造成損壞。

　　另外，葉片本身的質(zhì)量對能否抵抗雷擊也有很大的關系。因為雷擊葉片時強大的雷擊電流通過葉片的接閃器、避雷線進入大地，同時也會產(chǎn)生巨大的熱量，致使葉片自身膨脹。如果葉片本身質(zhì)量存在瑕疵，玻纖體內(nèi)部有氣泡或其他填充物質(zhì)，這時葉片體的膨脹系數(shù)就不一致，當雷擊電流發(fā)熱致使葉片膨脹，由于葉片體材質(zhì)的膨脹系數(shù)不同，就會造成葉片變形，當葉片體變形到一定程度， 就會將葉片撕裂或脹開，從而是葉片損毀。

　　2）引下線

　　專設的引下線連接著葉輪、機艙、塔架和風機基礎接地網(wǎng)，同時機艙和偏航剎車盤也通過引下線連接為一體。雷擊電流可以通過引下線順利的導入大地， 避免對機組造成損害。 值得注意的是， 有些風電機組取消了塔筒內(nèi)部敷設的避雷引下線，其利用塔筒自身的導電性能將雷擊電流導入大地。其實這么做是不夠科學的，首先每臺風力發(fā)電機組的塔架至少兩段塔筒對接通過螺栓連接在一起，并且兩段塔筒連接的法蘭面還涂有防水膠，無形中增大了塔筒的導電能力； 其次，雷擊電流不是純直流電流，這時對于雷擊電流塔筒相當于一個大的電感， 當雷擊電壓作用于塔筒上時，塔筒本身會產(chǎn)生反電動勢，阻止雷擊電流及時的導入大地。因此將塔筒本身作為風力發(fā)電機組的避雷引下線是不夠科學的。

　　2.1.2 風力發(fā)電機組內(nèi)部防雷（過電壓）保護系統(tǒng)

　　風力發(fā)電機組內(nèi)部防雷保護系統(tǒng)既要能夠防止直擊雷對機組的損害，又要能夠防止感應雷對機組的損害。內(nèi)部防雷保護系統(tǒng)主要由電涌保護器、屏蔽裝置、等電位連接網(wǎng)等裝置組成。

　　1）電涌保護器

　　電涌保護器是風力發(fā)電機組暫態(tài)過電壓保護裝置。對風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)造成破壞的暫態(tài)過電壓，可能是直擊雷也可能是感應雷引起的。當雷電發(fā)生在電力線路、通訊線或風電機組附近時， 將在這些線路或設備上產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，其電壓幅值可達幾十千伏。沿著電力線路或通訊線路注入的暫態(tài)過電壓會對線路造成極大的破壞，要想減少或避免這種破壞，需要在線路上加裝電涌保護器。

　　2）屏蔽裝置

　　屏蔽裝置對風力發(fā)電機組抗擊雷電侵擾，保護電控系統(tǒng)也是不錯的選擇。機艙做成一個密閉的殼體，相關的電氣和電子器件都安裝在密封的電控柜內(nèi)，密封的電控柜具有良好的屏蔽效果。另外風機底部平臺和機艙內(nèi)不同設備之間的線纜采用帶有外部金屬屏蔽層的線纜， 當線纜屏蔽層的兩端都連接到等電位連接帶上時，屏蔽層對雷電產(chǎn)生的電磁干擾也會起到很好的屏蔽作用。

　　3）等電位連接網(wǎng)

　　等電位連接網(wǎng)可以抑制雷電引起的電位差，是風力發(fā)電機組內(nèi)部防雷系統(tǒng)的主要組成部分。在等電位連接網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)，所有導電的部件都被互相連接，用以減小雷擊時引起的電位差。在設計等電位連接網(wǎng)時，應按照標準考慮其最小橫截面積。一個完整的等電位連接網(wǎng)可以包括金屬管線和電源線路、通訊線路的等電位連接，這些線路應通過雷擊電流保護器和主接地網(wǎng)接線母排相連。

　　3 結(jié)論

　　風電場防雷系統(tǒng)是一個涉及升壓站、場內(nèi)集電線路、風機基礎場坪、風力發(fā)電機組本身等多方面的復雜系統(tǒng)，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會造成防雷失效的現(xiàn)象。另外風力發(fā)電機組本身質(zhì)量，特別是葉片質(zhì)量是否過關，也是影響是否能夠成功防雷的決定因素。