風力發電機組防雷接地的探討

楊松

（中國大唐集團科技工程有限公司，北京 100097）

風能清潔的可再生能源,如何開發與利用好風能資源是能源可持續發展的重中之重。有助于降低全球二氧化碳等溫室氣體的排放，改善我們賴以生存的自然環境。

1 風電機組的雷害性

風力發電機組塔位往往多布置在例如海岸、丘陵、山脊，曠野平原等空曠地區，暴露于雷擊之中。且本身高度在120m以上，屬高大建筑物。對于高度超過60m的高大建筑物會發生側擊，即部分雷電繞過建筑物頂部裝置的接閃器，擊中建筑物側面。從雷電概念分析，與上行雷相關的起始連續電流轉移的電荷量很高，可以高達300C。上行雷對建筑物的損壞程度的比例，隨著建筑物的高度增加而加大，當風機塔身高度超過100m時，受到上行雷擊的概率較高。而風電機組分布在空曠平坦（或山地、山脊頂端）的位置，并且周圍缺少高大物體配合防雷，缺少有效的防雷設施，發生雷擊時，更能吸引雷電。風機本身就猶如一座天然的引雷塔。

在IEC 62305-1中，根據構筑物預期的雷擊電流大小，將雷電防護水平分為表1所示的幾類。

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圖1 滾球法在風電機組中的應用

圖1中，滾球覆蓋以外的地區為IEC 61400-24標準中劃定的LPZ0A區。

2 風力發電機組的防雷措施

相關規程規定，風力發電機組部件按照Ⅰ類防護水平設計防雷措施。由于各地區雷電環境的不同，應依據使用地區和規定防護要求而確定。雷擊產生的大量電荷將對風機材料的選擇以及日后運行維修更換，起到重要的考核基準。增加易損件對雷電產生大量電能及熱能的耐受能力，部件之間連接的可靠性，如何提高風電機組的使用壽命，有效抵御雷擊所造成的磨損和破裂所帶來的損失是未來相關研究的關鍵。

（1）葉片防雷。據國外統計，世界每年有1%～2%的風機葉片遭受雷擊。目前風電機組的葉片外形的幾何結構復雜，因機組不同，葉片長度不同，且長度超過50m已成為主流趨勢。葉片材質多由導電性能較差的增強型纖維復合材料制成，同時安裝在高度超過80m的機塔上，直接暴露在直擊雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所要求的建筑物要復雜。

在設計葉片時，要考慮葉片在遭到直擊雷時，葉片葉尖接閃器在旋轉的同時要如何才能購準確地接閃。相關設備傳導部件例如尖軸、炭纖維復合材料和葉片中傳感器導流線等，必須有良好的傳導雷電流的功能。

（2）其他輔助設備。風電機組的機艙和其他設備（如輪轂、塔架），設計時應充分考慮雷擊接閃能力，接閃器的選擇上，應選擇導電性較好、表面積較大的的金屬構件。再將金屬構件相互連接達到等電位，滿足能將雷電流快速分散并傳導到接地系統的目的。機艙外部安裝的氣象及側風等儀表、航空障礙照明指示燈等外部設備，避雷針、引下線以及搭接線的安裝尺寸要滿足IEC62305-3的要求。也可以直接參考IEC62305標準所描述的方法進行安裝制作。

圖2 雷電防護區 IEC 61400-24標準

3 風力發電機組的接地措施

接地系統是做為快速分散消潰雷電流和防止風電機組因雷擊而損壞的有效措施，亦可用來保護地面及維護人員免受雷擊。雷電流通過風機本身的防雷引下裝置進入接地裝置，散流于大地，較好的接地系統是能夠保證雷擊過程中風電機組安全的必備措施。

較為常規的為水平與垂直接地導體，水平接地體多采用-60×6熱鍍鋅扁鋼（不同風場應結合地勘報告實際考慮），若考慮沿集電線路路徑方向，逐臺風機接地系統和風場整個接地系統連為一體，形成整個風場綜合接地網。整個風電場的接地電阻將大大降低，減少了風電場中分散各處構筑物間的電位差。但此方法直接導致工程造價偏高，且受施工場地影響較大。垂直接地體多采用φ50mm L=2500mm的銅棒（或熱鍍鋅鋼棒），同樣受到工程地質、施工場地等因素影響，垂直接地體在施工時會使工程難度大為增加。故應結合工程項目實際進行設計，選取最優接地方案。

表2 接地極類型的適用場所

根據相關的規程要求，風機接地系統包括風機的工作接地，保護及防雷接地，其工頻接地電阻值按主機廠家的設計生產要求小于4Ω,沖擊接地電阻需小于10Ω。如果風電機所處位置的土壤電阻率較高, 按照一般電氣設備的接地方式，設計的接地系統明顯不能滿足其安全要求，必須采用高效、可靠的接地降阻材料和優化的解決方案。

例如：四川某風場，現場實勘土壤電阻率按照1000Ω.m左右，且土壤電阻率表層低，越往深處電阻率越高，故不適宜采用深井接地以及多層接地；雷擊時，不光是接地系統的電阻特別重要，而且其電感也非常重要。因為雷電流包含許多高頻成分，它們與接地系統相互作用產生很高的瞬態阻抗。

一般的接地裝置，大多采用普通型碳素鋼材，而為減緩腐蝕速度，多采用熱鍍鋅工藝技術，將除銹后的鋼件浸入500℃左右融化的鋅液中，使鋼構件表面附著鋅層，從而起到防腐的目的。本工程也采用熱鍍鋅鋼材做為接地材料。按照本工程招標文件的要求，水平接地體選用-60×6熱鍍鋅扁鋼，用于降阻的材料，同樣采用熱鍍鋅鋼材。

故而本工程考慮采用具有離子補償功能的接地裝置，通過向大地不斷補充離子，逐步改善土壤本身的導電性，減少接地極與大地的接觸電阻值，達到降阻分流的效果。同時接地電阻隨季節變化影響較小，而使用新型復合回填料，靠電子導電，電極單元還將向周圍土壤中不斷釋放導電離子，達到逐步改善接地體周圍的土壤電阻率的目的。后充分利用場地內土壤電阻率較低的表層土區域，采用水平接地方式為主，垂直接地為輔，降阻亦考慮在水平接地體上處理。為保證接地效果，減少施工量，采用具有離子補償功能的接地裝置，通過不斷向大地補充離子，改善土壤導電性。回填土充分利用施工現場表層粘土，減小接地極與大地的接觸電阻。

結合離子補償功能的接地裝置，同時加入復合型回填料，可使接地系統更加安全、可靠。但該方案的總體造價卻高于以往工程所用的接地方案，如可以和常規接地材料的價格接近，也不妨是一種高效的接地措施。

隨著新技術新產品的不斷應用，對于風電機組的防雷與接地保護日漸完善，未來風電場日常運行安全也將大大提高。