山區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)防雷技術(shù)分析

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摘要：針對(duì)廣寧特殊的地質(zhì)環(huán)境，闡述山區(qū)各類風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的直擊雷安全防護(hù)、側(cè)擊雷安全防護(hù)、風(fēng)機(jī)接地、等電位連接等各種綜合性的防雷安全技術(shù)措施，從而提高山區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)抗雷電災(zāi)害的能力。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電，綜合防雷，山區(qū)

引言

近年來(lái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組逐年增加，在國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)力發(fā)電防雷方面的研究有曾勇等研究貴州山地風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊電磁環(huán)境[1]；韓建海等研究山區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷技術(shù)[2]；李春輝研究通遼地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合防雷以及鄧?yán)频妊芯窟B州風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)防雷接地等。但上述研究都是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境和雷電特征進(jìn)行分析防雷技術(shù)，并不適用于廣寧特殊地質(zhì)環(huán)境中的山區(qū)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的綜合防雷，因此本研究針對(duì)本地地形環(huán)境等因素分析研究適用于廣寧特殊地形的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)，為廣寧風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)防雷設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1廣寧風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境

廣寧風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)地區(qū)地貌單元屬綏江中游谷地，綏江自西北蜿蜒方向向東南傾斜匯入廣寧縣境,形成了兩邊中部平原坡度高中間低的縱向傾斜斜坡地形。該項(xiàng)目的具體地質(zhì)地理結(jié)構(gòu)按照巖性巖體類型可分為淺變質(zhì)含云母砂巖，板巖和砂質(zhì)板巖，石英砂巖以及硅質(zhì)巖等，分水嶺寬厚，兩巖巖體由透水性弱的板巖和砂巖組成。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)位于孤立空曠山脊上，遠(yuǎn)離人群居住地以及電力線纜，遠(yuǎn)離電網(wǎng)負(fù)荷區(qū)域，聯(lián)網(wǎng)線路長(zhǎng)、控制系統(tǒng)復(fù)雜，容易遭受雷擊，遭受雷擊造成的損失較大。

2廣寧風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)土壤電阻率

土壤電阻率的數(shù)值與土壤的結(jié)構(gòu)，土質(zhì)的緊密度、濕度、溫度等，以及土壤中含有可溶性的電解質(zhì)有關(guān)。本次測(cè)量所用儀表為zc29B-2接地電阻測(cè)試儀，分別取接地極間距離a＝1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m。根據(jù)原理公式：ρ＝2π×a×R計(jì)算出土壤電阻率。其中：a測(cè)量時(shí)儀表接地極間距，單位m；R接地極接地電阻值，單位：Ω。土壤電阻率測(cè)試應(yīng)避免在雨后或雪后立即進(jìn)行，一般宜在連續(xù)天晴3天后或在干燥季節(jié)進(jìn)行。采集前三天天氣晴朗，采集當(dāng)日天氣晴朗，場(chǎng)地土壤表層較干燥。場(chǎng)地原是背斜、向斜的低山地，地質(zhì)條件較穩(wěn)定，場(chǎng)地以剝蝕低山為主，山地已鏟平，低洼處已填沙石，且已壓平。土壤電阻率ρ值見(jiàn)表1。本項(xiàng)目各風(fēng)機(jī)土壤電阻率范圍389～1282Ω•m，土壤電阻率數(shù)值平均值883Ω•m。

3土壤電阻率與雷電放電之間的關(guān)系

李樹(shù)晨研究的大地電阻率與雷電放電之間的關(guān)系中得出雷電流幅值的大小與土壤電阻率的大小成減函數(shù)關(guān)系。也就是說(shuō)土壤電阻越高，則雷電流幅值越??；土壤電阻越低，則雷電流幅值越大。根據(jù)表1土壤電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)可知風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的土壤電阻率及其不均勻，而雷電對(duì)地放電具有一定的選擇性，土壤電阻率小較低的地方易受閃擊（大地表面突出部位易受閃擊）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查報(bào)告以及測(cè)量數(shù)據(jù)，廣寧風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)地勢(shì)高的區(qū)域土壤電阻高、地勢(shì)低的區(qū)域土壤電阻率低，因此風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的雷電環(huán)境處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

4綜合防雷措施

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的使用性質(zhì)、重要性以及發(fā)生雷電事故的可能性和后果，依據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》和雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)劃分為第二類防雷建筑物。（1）直接雷防護(hù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由機(jī)頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。其中葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中位置最高的部件及最易接閃的部位，要做好葉片的防雷措施尤為重要，李天密指出目前對(duì)葉片上防雷裝置布置問(wèn)題、泄流問(wèn)題還沒(méi)有很完善的解決方案，需進(jìn)一步研究。葉片上有一層厚厚的絕緣層，面對(duì)年度最強(qiáng)的電閃103～104kA雷電流，葉片的完全絕緣并不能降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)，反而只能增加受損傷的程度，很多情況下雷擊的位置在葉尖的背面。為了降低風(fēng)電機(jī)組直接接閃的概率，減少因雷電閃擊帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷設(shè)計(jì)采取“區(qū)域防雷”與“單體防雷”相結(jié)合的雷電防護(hù)措施進(jìn)行設(shè)計(jì)。區(qū)域防雷主要考慮針對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，采用雙針保護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。廣寧風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)共有風(fēng)機(jī)15臺(tái)，風(fēng)機(jī)凈高80m，根據(jù)15臺(tái)風(fēng)機(jī)的地理位置、地形情況、磁場(chǎng)環(huán)境以及最佳成本等情況在整個(gè)風(fēng)機(jī)場(chǎng)內(nèi)設(shè)置數(shù)個(gè)獨(dú)立避雷塔，采用雙針保護(hù)的方法，讓每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)都在避雷塔的范圍內(nèi)，這樣可有效降低風(fēng)機(jī)被直接雷擊的概率，從而達(dá)到防御的目的。其次針對(duì)風(fēng)機(jī)本身，在葉片上敷設(shè)熱鍍鋅扁鋼作為接閃器，依據(jù)GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，圍繞機(jī)身一圈表面敷設(shè)2條以上熱鍍鋅扁鋼作為引下線，并將葉片背面的熱鍍鋅扁鋼與引下線可靠連接，引下線與接地裝置可靠連接，當(dāng)遇到側(cè)擊雷剛好擊中風(fēng)機(jī)時(shí)，可將大部分電流通過(guò)葉片上的接閃器、機(jī)身上的引下線、接地網(wǎng)有效引入大地，達(dá)到泄流的作用。（2）接地系統(tǒng)。廣寧風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)15臺(tái)風(fēng)機(jī)和機(jī)組共用一個(gè)接地網(wǎng)，利用風(fēng)機(jī)塔基其本身的鋼筋混凝土做自然接地體，并沿著基礎(chǔ)另外做環(huán)形接地網(wǎng)。將塔基鋼筋混凝土與環(huán)形接地網(wǎng)相連接，部分土壤電阻率較大的風(fēng)機(jī)機(jī)位可采用換置土，外引接地網(wǎng)，外引接地線，增加離子接地模塊和離子棒等方式降低接地電阻至4Ω。水平接地體采用-60mm×6扁鋼，垂直接地體采用L63mm×63mm×6角鋼。接地網(wǎng)溝槽深0.8m，寬0.5m垂直接地體的頂端在溝槽底部與水平接地體連接。風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)外接地環(huán)連接點(diǎn)至箱變與箱變外接地網(wǎng)連接點(diǎn)之間，沿接地體長(zhǎng)度大于15m。（3）等電位連接。等電位相互連接的目標(biāo)就是為了有效防止和減少在設(shè)備與系統(tǒng)之間,系統(tǒng)和操作者之間可能發(fā)生危險(xiǎn)的電位差,確保設(shè)備及操作人員的安全。但是,對(duì)于一個(gè)不恰當(dāng)?shù)牡入娢唤拥?不但使設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo),而且很可能還會(huì)將一些受到雷擊影響的電流導(dǎo)致輸入或者傳遞到設(shè)備中,造成對(duì)該設(shè)備的嚴(yán)重傷害。根據(jù)各類風(fēng)電機(jī)組使用情況和特點(diǎn),其等電位的連接主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：機(jī)艙等電位,塔筒底部等電位。①機(jī)艙等電位連接。在大型應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電大型發(fā)動(dòng)機(jī)組的風(fēng)力引擎室和風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)為了能夠使兩個(gè)用戶之間能夠同時(shí)連接形成一個(gè)可靠的低和高電位接地系統(tǒng),就分別設(shè)置了一個(gè)用于等效低和高電位接地系統(tǒng)的連接端子板。等驅(qū)動(dòng)電位接地系統(tǒng)與一個(gè)端子板互相串聯(lián)連接安裝到整個(gè)整體機(jī)艙內(nèi)所有金屬電子元件端的底座中?？梢杂糜谡麄€(gè)整體機(jī)艙內(nèi)各種類型通用電氣電路設(shè)備的整個(gè)金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬元件的導(dǎo)管、槽、屏蔽板等層和通用電源接地連接器等線纜的整個(gè)金屬屏蔽層、Spd的電源接地端、機(jī)艙內(nèi)的電源接地線和整個(gè)整體機(jī)艙內(nèi)的等驅(qū)動(dòng)電位接地端子板相互連接;用于風(fēng)力發(fā)電廠的機(jī)組通風(fēng)葉片的靜電防雷保護(hù)裝置需要引入以下線路就是通過(guò)一個(gè)等驅(qū)動(dòng)電位端的接地線與端子板相連接安裝在整個(gè)機(jī)艙的元件底座上。②塔筒底部等電位連接。塔筒底部設(shè)置了總等位連接端子板,并通過(guò)鍍鋅扁鋼與風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的環(huán)形接地網(wǎng)進(jìn)行可靠連接,連接方式采用雙面焊,焊接長(zhǎng)度6cm。塔筒底部各種類型金屬裝置、金屬接線管、槽、機(jī)柜金屬外殼、線纜屏蔽層等需就近與總等位連接端子板等電位連接。

5結(jié)語(yǔ)

雷電災(zāi)害已經(jīng)逐漸形成了自然界中對(duì)于整個(gè)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)機(jī)組安全以及運(yùn)行狀況危害最大的一種自然災(zāi)害。因此做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)場(chǎng)的雷電防御對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)、管理等有重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1]曾勇,劉波,吳安坤,吳仕軍,張淑霞.貴州山地風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊電磁環(huán)境研究[J].電瓷避雷器,2017(04):56-62.

[2]楊文斌,周浩.風(fēng)電機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)與防雷接地設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù),2008(10):2081-2085.

作者：潘仕虎 肖文娟 單位：廣寧縣氣象局