王 鵬, 奚立信

(含山縣氣象局, 安徽 含山 238100)

0 引 言

根據(jù)國家能源局公布的《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》,“十二五”期間風(fēng)電已成為我國新增電力裝機(jī)的重要組成部分,是我國繼煤電、水電之后的第三大電源?！笆濉逼陂g我國將進(jìn)一步加大風(fēng)電的裝機(jī)建設(shè),預(yù)計(jì)至2020年底風(fēng)電年發(fā)電量將占全國總發(fā)電量的6%。風(fēng)電的快速發(fā)展,對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性提出更高的要求。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高度已達(dá)100 m以上,且大部分位于沿?；蚋呱降貐^(qū),極易遭受雷擊。雷擊災(zāi)害對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組造成的損失已經(jīng)大于其可接受的修理費(fèi)用。因此,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷擊災(zāi)害對其運(yùn)行穩(wěn)定性的影響已變得極為重要[1-2]。

我國地域廣闊,風(fēng)能資源豐富,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所處環(huán)境多樣化。“十三五”規(guī)劃顯示,我國將加快開發(fā)中東部和南方地區(qū)陸上風(fēng)能資源,因此根據(jù)風(fēng)電場所處環(huán)境對風(fēng)力發(fā)電場的防雷保護(hù)進(jìn)行差別化研究至關(guān)重要[3-4]。

1 資料和方法

結(jié)合安徽省馬鞍山市含山縣風(fēng)電場,研究風(fēng)電場遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

(1) 研究風(fēng)電場所處地理環(huán)境,討論風(fēng)電場所處環(huán)境的特殊性。

(2) 對2006～2015年近10年含山縣閃電定位觀測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,研究含山縣閃電頻次和強(qiáng)度的月分布。

(3) 分析風(fēng)電場存在的雷擊風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而提出綜合防雷保護(hù)措施,為風(fēng)電場的防雷設(shè)計(jì)施工提供依據(jù)。

2 環(huán)境分析

含山縣風(fēng)電場位于含山縣清溪鎮(zhèn)、昭關(guān)鎮(zhèn)和仙蹤鎮(zhèn)境內(nèi),處于梅山、蒼山、六垱山等山頂,跨度大,風(fēng)機(jī)分散。山頂海拔高程一般在300 m左右,山勢大部分坡緩谷寬;山體多砂巖、石灰?guī)r,木本植物豐富。

選取風(fēng)電機(jī)組較為集中的6處區(qū)域,采用多功能接地電阻儀對其進(jìn)行土壤電阻率測試,得到風(fēng)電場的土壤電阻率參數(shù)。各測試點(diǎn)的土壤電阻率如表1所示。

表1 各測試點(diǎn)的土壤電阻率

由表1可以明顯看出,含山縣風(fēng)電場的土壤電阻率較大,各測點(diǎn)的土壤電阻率范圍均在600 Ω·m以上。高土壤電阻率會(huì)增加接地體的接地電阻,為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地體施工帶來困難,極大地增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

3 含山縣雷電活動(dòng)分布特征

對含山縣2006～2015年的閃電定位觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,閃電活動(dòng)月分布特征如圖1所示。

圖1 閃電活動(dòng)月分布特征

由圖1可以看出,含山縣全年均有雷電活動(dòng),在每年的6～8月閃電活動(dòng)最為頻繁,強(qiáng)度也較大,其中7月閃電活動(dòng)達(dá)到高峰;閃電強(qiáng)度在8月出現(xiàn)最大值,4月、6月、7月、9月閃電強(qiáng)度也處于較高水平。

從含山縣的閃電活動(dòng)情況來看,風(fēng)電場全年均有遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)存在,在6～8月尤其需要注意防范。

4 風(fēng)電機(jī)組的雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 風(fēng)電機(jī)組構(gòu)造

風(fēng)電機(jī)組外露部分主要由葉片、輪轂、機(jī)艙、塔架等構(gòu)成。葉片是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵組成部分,用于捕捉風(fēng)能,位于風(fēng)電機(jī)組的最高點(diǎn)。輪轂將葉片固定,并將葉片的機(jī)械動(dòng)能傳遞到機(jī)艙內(nèi)部。機(jī)艙包容著風(fēng)電機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備,包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)等,實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化。塔架用于支撐葉片、輪轂以及機(jī)艙,一般內(nèi)部中空,為維修人員提供上下通道,并且內(nèi)部有大量外接電纜。

4.2 風(fēng)電機(jī)組接閃過程分析

雷暴來臨時(shí),雷云積聚在風(fēng)電機(jī)組的上方,由于地面產(chǎn)生感應(yīng)電荷,且風(fēng)電機(jī)組的高度較高,相較周邊地勢較為突出,使得風(fēng)電機(jī)相對于雷暴云形成一個(gè)極不均勻電場極,極易發(fā)生尖端放電,擊穿風(fēng)力發(fā)電機(jī)與雷云間的游離空氣,發(fā)生回閃放電現(xiàn)象,強(qiáng)大的雷電流通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)導(dǎo)入大地,這就是風(fēng)電機(jī)組的接閃過程。

4.3 雷擊對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的危害

當(dāng)雷電擊中風(fēng)電機(jī)組時(shí)產(chǎn)生劇烈的放電現(xiàn)象,從而對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重危害。雷擊對風(fēng)電機(jī)組造成的危害主要分為直擊雷和間接雷擊兩種類型。直擊雷危害主要體現(xiàn)為雷擊的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)造成的嚴(yán)重破壞;間接雷擊的危害又稱為二次雷擊的危害,主要是雷電感應(yīng)造成的危害,體現(xiàn)為靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)以及雷電反擊造成的破壞。

4.3.1 直擊雷對風(fēng)電機(jī)組的危害

當(dāng)雷電直接擊中物體時(shí),巨大的雷電流通過接觸點(diǎn)注入被擊中物體,其熱效應(yīng)可以在雷擊點(diǎn)局部范圍內(nèi)產(chǎn)生足以使金屬熔化的超高溫。當(dāng)雷電擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī),強(qiáng)大的雷電流經(jīng)由風(fēng)塔導(dǎo)入大地,在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生的超高溫會(huì)導(dǎo)致金屬熔化,可能直接燒毀風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要部件。雷電流具有高幅值的特點(diǎn),當(dāng)雷擊于風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)短時(shí)間在其內(nèi)部瞬時(shí)產(chǎn)生大量的熱量,這些熱量短時(shí)間內(nèi)來不及散發(fā),導(dǎo)致雷擊處內(nèi)部的水分迅速汽化、膨脹,甚至產(chǎn)生爆炸,對被擊風(fēng)電機(jī)組造成巨大的物理損壞[5-7]。

4.3.2 間接雷擊對風(fēng)電機(jī)組的危害

(1) 靜電感應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組的危害。當(dāng)有雷云形成時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)外殼積聚大量感應(yīng)電荷,當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)先導(dǎo)通道中的電荷被地面上的相反電荷迅速中和,此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的感應(yīng)電荷失去束縛,成為自由電荷。由于這些自由電荷不能迅速釋放消失,在局部形成高電壓。當(dāng)感應(yīng)出的自由電荷經(jīng)由風(fēng)塔泄放入大地時(shí),在高電壓的作用下導(dǎo)致接觸不良的金屬部件間產(chǎn)生火花放電,對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的部件造成損毀,甚至引發(fā)火災(zāi)。

(2) 電磁感應(yīng)對風(fēng)電機(jī)組的危害。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊時(shí),雷電流通過風(fēng)塔泄放入大地,雷電流會(huì)在風(fēng)塔內(nèi)部產(chǎn)生很強(qiáng)的暫態(tài)脈沖磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,脈沖磁場會(huì)在附近的設(shè)備回路中感應(yīng)出過電壓和過電流,導(dǎo)致風(fēng)塔內(nèi)電子設(shè)備受到損壞,控制系統(tǒng)失靈。

(3) 雷電反擊對風(fēng)電機(jī)組的危害。風(fēng)電機(jī)組的接地體和附近設(shè)備的接地體是共用接地體,當(dāng)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊時(shí)雷電流通過接地體泄放入大地的過程中造成接地體電位升高,由于雷電流持續(xù)時(shí)間很短,這種電位升高的現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間很短,所以稱為暫態(tài)電位升高。當(dāng)暫態(tài)電位升高,導(dǎo)致防雷裝置的某些部位與周圍金屬體之間發(fā)生空氣間隙擊穿時(shí),稱為雷電反擊。雷電反擊發(fā)生時(shí),可能引發(fā)多個(gè)金屬體之間的一系列反擊,導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備損壞和人員傷亡。

暫態(tài)電位升高也會(huì)導(dǎo)致接地體周圍土壤中產(chǎn)生電壓降,使附近地面上不同兩點(diǎn)間出現(xiàn)電位差,當(dāng)電位差足夠大時(shí)附近人員會(huì)受到跨步電壓和接觸電壓的危害。

5 風(fēng)電場防雷保護(hù)措施研究

現(xiàn)代防雷技術(shù)強(qiáng)調(diào)對被保護(hù)物的全方位防護(hù),把防雷擊過電壓看成是系統(tǒng)工程,進(jìn)行層層設(shè)防,綜合治理,主要原理是通過接閃、引下、分流、接地為瞬態(tài)過電壓的脈沖電流提供一條泄流通道,同時(shí)防止雷電流通過磁場和電場對電子、電氣設(shè)備造成干擾破壞。對于風(fēng)電機(jī)組,可以通過以下方面進(jìn)行防雷擊保護(hù)。

5.1 對直擊雷的防護(hù)措施

5.1.1 接閃

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片通常位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的最高點(diǎn),因此葉片遭受雷擊的概率最大。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的直擊雷防護(hù)通常將葉片作為接閃器,但由于材料科學(xué)的進(jìn)步,現(xiàn)今風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片多采用復(fù)合材料制成中空結(jié)構(gòu),遭受雷擊時(shí)不僅雷擊點(diǎn)附近的葉片表面燒壞,金屬部件融化損毀,更可能在其內(nèi)部形成電弧,對葉片造成嚴(yán)重?fù)p毀。所以,當(dāng)采用葉片作為接閃器時(shí),要保證雷電流能夠從雷擊點(diǎn)引到輪轂,無論是葉片表面使用傳導(dǎo)材料,還是在葉片表面固定金屬導(dǎo)體,都要保證材料具有足夠的傳導(dǎo)能力。

當(dāng)雷電擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙時(shí),導(dǎo)致其中發(fā)電機(jī)和控制系統(tǒng)損壞,因此應(yīng)在機(jī)艙上部安裝高度大于風(fēng)向儀的接閃桿,減少直擊雷的損害[8]。

5.1.2 接地

接地是風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷施工中最重要的一環(huán)。由于含山縣風(fēng)電場位于山頂,土層結(jié)構(gòu)不均勻和土壤垂直分層,土壤電阻率較高,因此要特別注意接地網(wǎng)的設(shè)計(jì),在施工時(shí)應(yīng)盡量采用換土、降阻劑、深埋接地體等方式,確保將接地體埋入電阻率較低的土壤中,減小接地電阻。

5.2 對雷電感應(yīng)的防護(hù)措施

5.2.1 過電壓保護(hù)

過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過電壓的極短時(shí)間內(nèi),在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)電部件之間建立等電位,導(dǎo)電部件包括電源傳輸線,保證在極短的時(shí)間內(nèi)雷電流通過電源傳輸線導(dǎo)入大地。因此,應(yīng)在風(fēng)機(jī)和箱變的電源傳輸線、信號傳輸線的關(guān)鍵部位和敏感設(shè)備的端口安裝電涌保護(hù)器,實(shí)行多級保護(hù),限制產(chǎn)生的過電壓,保證雷電流在極短的時(shí)間內(nèi)以最短的路徑泄放入大地。

5.2.2 等電位聯(lián)結(jié)

等電位聯(lián)結(jié)可以起到均壓屏蔽作用,為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部設(shè)備建立金屬的法拉第籠連接網(wǎng)絡(luò),有效消除設(shè)備間危險(xiǎn)的電位差并減小內(nèi)部磁場的強(qiáng)度。因此,應(yīng)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的內(nèi)部組件,如發(fā)電機(jī)、主軸承、齒輪箱等做好等電位聯(lián)結(jié)。風(fēng)輪與機(jī)艙、機(jī)艙與風(fēng)塔等也應(yīng)保證可靠的電氣連接。

5.2.3 設(shè)置合理的警示標(biāo)識(shí)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)地處野外山頂,周圍空曠無人,應(yīng)在風(fēng)塔、升壓站接閃桿等室外可能產(chǎn)生接觸電壓、跨步電壓的地方設(shè)置警示標(biāo)牌,提供雷電警示信息,防止人員意外受傷。此外,還應(yīng)及時(shí)關(guān)注雷電預(yù)報(bào),避免在雷電天氣下作業(yè)。

6 結(jié) 語

(1) 隨著技術(shù)的進(jìn)步,風(fēng)電機(jī)組高度愈高,所裝載的設(shè)備愈昂貴,遭受雷擊后的損失愈大,因此做好風(fēng)電場的防雷研究非常重要。含山縣風(fēng)電場位于山頂,海拔較高,所處環(huán)境土壤電阻率大,不利雷電流泄放,雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高。

(2) 含山縣全年均有雷電活動(dòng),6月～8月雷電活動(dòng)最頻繁,雷電強(qiáng)度較大,尤其要注意防范。

(3) 雷擊對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的危害主要通過直擊雷和間接雷擊,因此對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防護(hù)也應(yīng)從這兩方面綜合考慮:通過做好接閃和接地,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組泄流通道的暢通,防止直擊雷的危害;通過過電壓保護(hù)和等電位聯(lián)結(jié),做好對感應(yīng)雷的防護(hù),保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備;設(shè)置警示標(biāo)志,安全作業(yè),避免意外傷亡事故。

(4) 通過對含山縣風(fēng)電場所處地理環(huán)境和雷電活動(dòng)分布特征的分析,探究風(fēng)電場存在的雷擊風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)有針對性地提出防雷保護(hù)措施,可為其他陸地風(fēng)電場的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估、防雷設(shè)計(jì)施工等提供技術(shù)參考。

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