貴州韭菜坪風(fēng)電場雷電活動分析

沈克鑫，曹 飛，李 軍

(1.貴州省防雷減災(zāi)中心，貴州 貴陽 550002;2.貴州省普安縣氣象局，貴州 普安 561500)

1 引言

貴州韭菜坪風(fēng)電場設(shè)施分布于高山且處于主要風(fēng)口位置，雷電活動頻繁，雷擊會產(chǎn)生人員傷亡或造成設(shè)施損壞。同時，項目自動化控制程度高，雷電引起的電壓波動會損壞控制系統(tǒng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)，因此，雷電防御工作尤為重要。然而，雷電防護必須找到重點，以最少的資金投入，取得最大的經(jīng)濟效益，為了解決這個問題，必須結(jié)合項目的特點、通過對影響雷電災(zāi)害的各個因素的分析采取最有效的保護方式。所以，分析雷電活動的各個因素是整個防雷過程中的重要步驟。

2 風(fēng)電場項目特點

2.1 地形地貌

貴州韭菜坪風(fēng)電場處于貴州省畢節(jié)地區(qū)赫章縣珠市鄉(xiāng)與威寧縣東風(fēng)鎮(zhèn)、六盤水市鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)交界的韭菜坪區(qū)域，項目占地面積約40 km2。

風(fēng)電場場址區(qū)高程2 300～2 900 m，地勢西高東低，中間隆起，呈北西走向，山巒起伏。韭菜坪山脈西南面主要為沿巖層面斜坡;東北面高程急劇下降至2 550 m左右，分布較多的陡壁;頂部或半坡分布較多的寬緩平臺。半坡或韭菜坪山脈頂部一半基巖裸露，表層淺覆草類植被，基巖裸露部位的灰?guī)r地帶溶溝溶槽極為發(fā)育，部分地區(qū)形成小規(guī)模的石林。

2.2 土壤電阻率

在防雷裝置設(shè)計施工中，土壤電阻率是一個重要且關(guān)鍵的參數(shù)，它對雷擊選擇性會形成關(guān)鍵影響，該參數(shù)的準(zhǔn)確度直接關(guān)系到防雷裝置設(shè)計過程中的科學(xué)設(shè)計，也可能極大的影響到建設(shè)單位投資費用。風(fēng)電場所在地土壤電阻率分布較為均勻，土壤電阻率在900～1 200Ω·m之間，屬于高土壤電阻率。采集時土壤較濕潤(相對濕度89%)，取季節(jié)系數(shù)Ψ=12，調(diào)整后的土壤電阻率為1 200Ω·m。

2.3 設(shè)備設(shè)施及其分布

貴州韭菜坪風(fēng)電場安裝66臺1 500 kW的風(fēng)電機組，采用MYse15－82機型，每臺風(fēng)電機組附近均設(shè)置1臺箱式升壓變電站作為機組變壓器，將發(fā)電機電壓由0.69 kV升高至35 kV后接入風(fēng)電場內(nèi)110 kV變電站主變低壓側(cè)母線。

風(fēng)電場設(shè)一座110 kV升壓變電站，風(fēng)電場所有風(fēng)機的電能經(jīng)變電站升壓后送入外部電網(wǎng)。110 kV升壓變電站包括主變場、生產(chǎn)樓(含35 kV配電室)、110 kV GIS室，進出線架構(gòu)、電容器場和事故油池、避雷針等。

生產(chǎn)樓是整個風(fēng)電場的運行控制中心，同時也是電場工作人員的辦公場所。生產(chǎn)樓內(nèi)主要設(shè)有中央控制室、繼電保護室、計算機室、直流盤室、蓄電池室、試驗室。輔助生產(chǎn)樓是電場工作人員的生活、活動場所;輔助生產(chǎn)樓內(nèi)主要設(shè)有會議室、宿舍、餐廳及健身房。輔助生產(chǎn)樓附近還布置有車庫、泵房、生活—消防水池等輔助設(shè)施。

3 雷電活動規(guī)律

3.1 氣象觀測數(shù)據(jù)分析(1963—2007年)

赫章縣的雷暴日年際變化趨勢較大，雷暴活動比較頻繁，其雷暴日在31～79 d，年平均雷暴日為54.29 d，月平均雷暴日超過4 d;雷電活動主要發(fā)生在4—9月，平均最高為11 d。雷暴日最多的年份為1983年，天數(shù)為90 d，雷暴日最少年份為2003年，天數(shù)為31 d。

威寧縣雷暴活動比較頻繁，其年雷暴日在38～86 d，年平均雷暴日為55.56 d，月平均雷暴日超過4 d;雷電活動主要發(fā)生在4—9月，最高為11 d。雷暴日最多的年份為1963年，天數(shù)為86 d;雷暴日最少年份為2006年，天數(shù)為25 d。

水城縣雷暴活動比較頻繁，其雷暴日在43～87 d，年平均雷暴日為62.29 d，月平均雷暴日超過5 d;雷電活動主要發(fā)生在3—9月，最高為11 d。雷暴日最多的年份為1963年，天數(shù)為87 d;雷暴日最少年份為1996年，天數(shù)為43 d。

3.2 貴州省近2006—2011年雷電監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)分析

3.2.1 雷暴日 風(fēng)電場所處區(qū)域(中心位置15 km半徑)年平均雷暴日為73 d，月平均雷暴日超過6 d。雷電活動主要發(fā)生在4—9月，最高為15 d，6—8月為雷電多發(fā)期，月平均雷暴日數(shù)為14 d。

3.2.2 地閃密度 工程項目所處區(qū)域(以工程地址中心位置10 km半徑)區(qū)域范圍內(nèi)雷電流年平均地閃次數(shù)1 289次，地閃密度為3.22次/km2·a，見表1。

表1 項目中心不同半徑內(nèi)的地閃密度(次/km2·a)

3.2.3 雷電流強度(表2)

表2 最大正、負(fù)閃強度及平均閃電強度(kA)

4 雷擊損害特點及概率

4.1 風(fēng)力發(fā)電機組的雷害特點

山區(qū)的云體在風(fēng)力的作用下往往發(fā)生偏斜，使正電荷接近山頂，因此，山區(qū)正極性的云地閃電較平原多，山區(qū)避雷針的保護效果較低，同時，雷云沿山腰飄動，球雷的現(xiàn)象也多于平原地區(qū)。風(fēng)機由于其結(jié)構(gòu)特點，易受到直接雷擊，沿輸電網(wǎng)絡(luò)侵入的雷電波也會給風(fēng)機的正常運行產(chǎn)生較大影響。直擊雷會造成風(fēng)力葉片破裂，電機絕緣擊穿、控制元件燒壞等事故。

①電機組的高度為65 m，屬野外孤立構(gòu)筑物，雷擊概率大。

②塔架需要接閃且所在的位置更易遭受雷擊，更增大了雷擊的概率。

③風(fēng)電機組處于風(fēng)場活動區(qū)，且葉片和引擎蓋在旋轉(zhuǎn)，增大了雷擊的概率。

④塔架接閃時，閃電電流通過塔身及組件傳導(dǎo)至地面，閃電電流直接通過或臨近通過幾乎所有的組件，對組件造成影響，受損機率大。

⑤高大建筑本身會影響雷擊閃電的發(fā)生過程，風(fēng)力發(fā)電機高度超過60 m，會發(fā)生側(cè)擊，這時頂部雷擊的少許百分比被側(cè)擊代替，即使做了防雷保護還是可能會使發(fā)電機的葉片雷擊損壞。此外，部分向上閃擊會隨著高度的增加而加強。

⑥風(fēng)力發(fā)電機位于丘陵上或者山脊上的疾風(fēng)區(qū)，這樣的位置經(jīng)常是強雷擊地區(qū)。由于風(fēng)力發(fā)電機適宜安裝得比周圍地區(qū)高，同時遠(yuǎn)離其它相同高度的物體，使它們更易于受到雷電襲擊。風(fēng)電場的另一問題是接地問題，該地的土地土壤電阻率很高，制作合適的接地非常困難，因雷擊的損失相比低土壤電阻率區(qū)域更大。

4.2 風(fēng)電場各組成部分的雷害概率

風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊的風(fēng)險都是一個有關(guān)高度、地形地貌和當(dāng)?shù)乩纂娀钴S程度的函數(shù)。這只需要評估雷電防護系統(tǒng)的成本和所能預(yù)防的雷災(zāi)損毀的費用對比來分析。

直擊雷頻率可以按如下方式計算:

經(jīng)計算:風(fēng)電場各組成部分年平均雷擊次數(shù)如下表(表3，合計中不含鄰近雷擊次數(shù)):

根據(jù)雷擊頻率，結(jié)合選擇的雷電防護系統(tǒng)，就可以估算出雷擊損害概率。計算出的各部分雷害的組成及概率，風(fēng)電機組及升壓變電箱區(qū)、主變壓器、110 kV GIS室區(qū)域雷災(zāi)概率較大，這些區(qū)域是雷電防護的重點(表4)。

表3 風(fēng)電場各組成部分雷擊次數(shù)

表4 不同分區(qū)內(nèi)風(fēng)險的組成

表中:RA是直接雷擊造成人員傷害的概率，RB是直接雷擊造成物質(zhì)損失的概率，RC是雷擊導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施失效引起相關(guān)間接損失的概率，RU和RV分別是電源及信號以及其它線路受雷擊損害并沿線路入侵造成其它損害概率，表中主要計算電源及控制線路。

風(fēng)電機組及升壓變電箱區(qū)、主變壓器、110 kV GIS室區(qū)域雷災(zāi)概率較大，這些區(qū)域是雷電防護的重點。

4.3 雷電電磁脈沖損害

鄰近雷擊情況下，入射磁場可近似看作一個平面波。LPZ0B區(qū)入射磁場強度 H0可按下列公式估算:

i0—雷電流強度(A)

Sa—雷擊點至所考慮的被屏蔽空間的水平距離(m)

雷擊所致的磁場強度最大值由首次雷擊產(chǎn)生，因此雷電流選擇i0=250 kA。在距建筑45 m范圍產(chǎn)生鄰近雷擊時，建筑物處無衰減磁場強度H0＞800(A/m)，會對設(shè)備產(chǎn)生影響(表5)。

表5 建構(gòu)筑物外不同雷擊點產(chǎn)生的無衰減磁場強度

5 結(jié)論

①風(fēng)電機組、主變壓器等的雷災(zāi)損害概率值均超過IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的可承受值，說明項目設(shè)備設(shè)施易受雷擊而損壞，其中，電源、信號線路的雷擊是主要災(zāi)害的主要來源。防雷設(shè)計時，對進出建筑的電源、信號線路，需要采取埋地敷設(shè)方式布線，同時根據(jù)弱電項目防護等級在線路安裝多級SPD進行保護。

②在距建筑50 m范圍產(chǎn)生鄰近雷擊時，建筑物處無衰減磁場強度超過國家規(guī)范要求的800(A/m)，會造成計算機網(wǎng)絡(luò)、信息控制系統(tǒng)等弱電設(shè)備的損壞。對生產(chǎn)控制樓等設(shè)備的機房和控制室，應(yīng)采取屏蔽措施。

③韭菜坪風(fēng)電場區(qū)域土壤電阻率分布均勻，平均土壤電阻率為1 200Ω·m，屬高土壤電阻率范圍，接地制作比較困難。由于土壤電阻率很高，雷電產(chǎn)生時靜電感應(yīng)會對埋地電纜形成較大的損害。

④風(fēng)電場區(qū)域場址高差達(dá)600 m，由于地形抬升作用形成的對流云帶來的雷電活動相應(yīng)增多。風(fēng)機選址均在強風(fēng)區(qū)，雷云沿這些路徑活動，更易對風(fēng)機造成影響。

綜上所述，風(fēng)電場雷暴日較周邊地區(qū)高，更易受到雷擊，且區(qū)域落雷概率高、閃電強度大;鄰近雷擊產(chǎn)生的磁場會對靈敏設(shè)備造成影響;風(fēng)電機組、主變壓器的雷災(zāi)概率較大，整個項目的防護重點是升壓站主變壓器、風(fēng)電機組及場內(nèi)電源和信號傳輸線路。

［1］IEC TR 61400－24:2010 Wind turbines－ Part 24:Lightning protection［S］.

［2］IEC 62305－2 Protection against lightning－Part 2:Risk management［S］.