風力發(fā)電機組受雷擊災害分析

摘要：隨著風電事業(yè)的飛速發(fā)展，我國風力發(fā)電已形成一個重要的新興能源產(chǎn)業(yè)，風電機組單擊容量和風電場規(guī)模不斷擴大，風電場安全高效運行的問題日益受到重視。風力發(fā)電機組遭受雷擊損壞部位從高到低依次為：電氣系統(tǒng)、風輪葉片、控制系統(tǒng)、傳感器；本文最后對風電場機組葉片、控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等提出一系列科學有效的防雷措施。

關鍵詞：風力發(fā)電機組；雷災統(tǒng)計分析

中圖分類號： TM315 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-10-69-1

隨著國際傳統(tǒng)能源的日漸匱乏和各地對低碳經(jīng)濟的倡導，世界上掀起了一股新能源的浪潮，對于新能源的利用也越來越重視。在已知的各種綠色新能源中，風能作為永不枯竭的能源以及高效潔凈的特性受到世界各國的高度關注。

在我國風電發(fā)展的初期，風電場大部分集中在年平均雷暴日較少的新疆和內(nèi)蒙古等干旱偏遠地區(qū)，且主要采用的是450 千瓦級以下的風電機組，機組遭受雷擊的問題并不突出。然而，隨著我國風電場建設速度不斷加快、規(guī)模不斷擴大，風電場開始向多雷區(qū)、強雷區(qū)等雷電活動頻繁的東南沿海地區(qū)拓展。同時風電機組的單機容量越來越大，為吸收更多能量，輪轂高度和風輪直徑不斷增高，目前大功率風電機組的塔架最高已經(jīng)超過200米，是風電場中最高大的構筑物。風電機組的日益大型化，相對也增加了被雷電擊中的風險，雷擊成了自然界中對風電機組安全運行危害最大的一種災害。

1 我國雷電活動規(guī)律

我國幅員遼闊、地形復雜、氣候多變，不僅是雷電多發(fā)地域，而且雷電活動分布極不均衡。我國雷電活動季節(jié)分布特點主要是：春季、冬季較少，夏秋季節(jié)頻繁，南方主要集中在3～9月份，而北方雷電發(fā)生主要集中在5～8月份。

2 我國風電場機組受雷災情況

2.1 數(shù)據(jù)來源

我國風電場機組遭受雷擊損壞部位比例從高到低依次為：電氣系統(tǒng)、風輪葉片、控制系統(tǒng)、傳感器等，分別所占比例為：37.9%、27.2%、23.3%、5.8%，這四項所占的比例總和占所有風電機組雷擊事故總和的94.2%，幾乎占據(jù)風電機組遭受雷擊損壞部位的所有可能出現(xiàn)情況；風電機組結(jié)構高大，一般總高度超過150米，暴露在空氣中的部件很多，一旦遭遇雷雨天氣，極易遭受直接雷擊。然而雷電流在泄流過程中，可能造成更多的影響。在雷電作用下，不僅風機機械部分受損，同時機組的電氣設備、電控系統(tǒng)等即使沒有直接受到雷擊，在巨大的雷電流及強變化的電磁場作用下也會發(fā)生故障、引發(fā)失靈。因此，風電機組的防雷技術也就十分復雜。

2.2 雷電對風電場機組的危害及分析

若風電機組被雷電直接擊中又沒有完善的防雷措施，或防雷措施中的接地裝置不能有效及時起到散流均壓作用，雷電流能量就會轉(zhuǎn)換成以高溫、高熱、強力沖擊波、強大的電動力等形式對風葉或風電機組的其他設施造成雷擊損害。風力發(fā)電機組受間接危害主要表現(xiàn)為雷電電磁感應效應和電涌過電壓效應，能造成電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的損壞。

3 防雷措施情況及存在問題

3.1 葉片部分

葉片由不能傳導雷電流的復合材料（玻璃纖維增強塑料）制成，僅在葉尖部分設置有金屬導體，接閃面積較小，無法滿足雷電防護的實際需要。機艙尾部上端設有一直高為80厘米，直徑10毫米的鍍鋅圓鋼制成的避雷短針，保護氣象儀器及發(fā)電機設備，并通過35平方毫米銅帶與控制箱外殼連接。

3.2 電氣部分

塔內(nèi)箱式變壓器高低壓兩側(cè)雖已安裝SPD，但是參數(shù)不能滿足該區(qū)域雷電流泄放的要求。

3.3 控制系統(tǒng)

從機艙到控制箱的4條通訊電纜，共計32條控制線，屏蔽層只有一端接地，入箱前通訊端口未安裝任何SPD。在控制箱內(nèi)，單端屏蔽層接地的光纖將信號傳導中控室的計算機進行監(jiān)控。

3.4 等電位連接

風電機組內(nèi)部弱電設備未按照要求進行良好接地，有些連之前等電位接地排上或者虛接。塔內(nèi)設備各系統(tǒng)之間無等電位連接或者等電位連接電阻過大。

3.5 接地電阻

整個機組按二類防雷要求設防，基礎接地加環(huán)形人工接地網(wǎng)做接地設置。對于主要以風化石為主的高土壤電阻率地區(qū)，雖然機組接地建設初期使用降阻材料進行了降阻處理，然而實際測得的風電機組基礎接地電阻值超過10歐姆，因為降阻劑在使用一段時間后材料變質(zhì)、流失導致部分失效，使得接地電阻值上升，超過接地要求。

4 結(jié)語

雷擊是影響風電機組乃至整個風電場安全運行的重要因素，因此必須加強對風電機組防雷技術的研究。通過本文研究得到如下結(jié)論：

遭受雷擊損壞部位從高到低依次為：電氣系統(tǒng)、風輪葉片、控制系統(tǒng)、傳感器；風機遭受直接雷擊、間接雷擊概率分別為27.2%、72.8%。由于各個風場所處的地區(qū)氣候條件、雷電活動水平、地質(zhì)條件、區(qū)域環(huán)境等因素差異較大，且我國風電機組技術大都是從國外引進，在引進吸收過程中，應針對我國的實際情況，設計出更適合我國國情的風電機組，并提出相配的防雷措施，將雷電對風電機組造成的影響降到最低，最大程度上的利用風能資源是我們迫切需要做的。

作者簡介：劉孝清，寧武縣氣象局，助理工程師，研究方向：氣象。