風力發電系統防雷與接地保護技術的研究

翁祥奎

摘 要：隨著我國社會經濟增長，國內各行各業都得以良好的創新發展，人們生活水平的提高，促使現代化城市建設進程加快，城市中高層建筑的數量越來越多，雷電安全事故頻發。此類事件還時常發生在風力發電系統中，由于風力發電系統受到雷擊的危害，導致風電機組無法正常運行。本文通篇與讀者一起探討風力發電系統防雷技術存在的問題，結合防雷技術應用在風電機組中的實際性能情況進行簡要分析，并有針對性的提出優化措施，以此保障風力發電系統的正常運行。

關鍵詞：風力發電;防雷技術;

一、雷電對風力發電系統的危害

雷電的產生原理是由于大氣層存在大量的正、負離子，使大氣層自身擁有了微弱的導電功能以及生產電場、電流的功能，最后通過有機結合形成自然元素-雷電。雷電這種自然現象一般出現在海拔較高的山地亦或是層數較多的建筑物上空，除此之外，雷電在沿海區域也時常出現。由于風力發電機需要建立在海拔較高的山地或風能資源較多的海邊，因此，在惡劣天氣下較易受到雷電現象的危害。近年來，我國風電場遭受雷擊事件時有發生，例如，浙江蒼南風電場、本溪某風電場等等，我們通過對這些實例的分析，不難得出，綜合幾種自然災害對風力發電系統的危害程度進行對比，雷電災害風力發電機控制系統的危害程度最高，并且自然雷電對風力發電系統中的電氣設備與發電系統也會造成不同程度的損壞，對葉片的損害造成了電力的大量流失，同時又耗費了無從計量的修理資金[1]。

二、風力發電系統在防雷措施中應注意的問題

結合我國近年來發生的雷擊風力發電系統實例進行分析，雷擊所造成的損壞基本是因為雷電以大伏電流的形式傳遞自身高溫，進而使得風力發電系統的內部電磁場發生改變，最終導致風電機組成部分發生擊穿現象。由此可見，風力發電系統如果想要最大限度的避免雷電災害的襲擊，必須通過防雷設備設施將雷電流迅速、安全的導入地面[2]。

（一）外部系統防雷

風力發電系統的防雷系統主要分為外部系統防雷以及內部系統防雷，外部系統防雷主要依靠葉片、機航、塔架技術以及接地網技術，在雷電擊中風電系統葉片的過程中，外部溫度驟變，導致濕氣體的體積在極短的時間內發生膨脹，葉片無法承受的巨大壓力使其出現擊穿擊斷現象，外部高溫致使發電機故障，在這種情況下，輪轂的積極作用將轉變為負面影響。這里建議相關工作人員在葉片頂端設置排水孔。除此之外，風力發電系統外部的雷擊概率不是由葉片的導電性決定，而是取決于葉片的形式。隨著我國科技的創新發展，適用于風力發電系統的接閃器應運而生，將接閃器安裝于葉片頂端能夠有效的降低風力發電系統外部遭受雷擊的概率，其防雷原理是將通過接閃器捕捉得來的雷電，利用外部的葉片腔導引線將其迅速、高效的引入地面。另外，在外部的機艙頂端裝置接閃桿也可以有效的避免雷擊，在安裝接閃桿的過程中，將其中的引下線與機艙以及塔架相連接，保證在雷擊時風力發電系統的電路能夠正常運行[3]。

其次，雷電引地的效率取決于風力發電接地系統的質量，同時又關系到風電站所處環境中土壤的電阻率以及分散性，一般情況下，風電站土壤的電阻率越低，接地網的效果越好。如果風力發電系統所處區域的土壤電阻率過高，建議工作人員采取使用降阻劑以及換土等方式進行降低電阻，在降阻劑與換土等方式效果不明顯的情況下，工作人員應該首先從經濟與效率兩方面對防雷措施重新進行考慮。工作人員可以利用環形銅環導體對以上防雷措施進行導電輔助，通常情況下環形銅環導體與塔架的安全距離是0.5m，此外，環形銅環導體必須以和塔架相連接的形式存在。相關人員可以通過風力發電系統所處區域土壤的電阻率設置環形銅環導體的半徑長度，并且將8-16根垂直接地極焊接在水平接地極上（材質以銅包鋼為最佳）。

（二）內部系統防雷

內部系統防雷措施主要分為等電位連接、屏蔽隔離以及過電壓保護三種，以下對這三種內部系統防雷措施進行闡述：

首先是等電位連接，由于風力發電系統一般處于海拔較高的區域，因此其內部的風速計、風標等容易受到雷電災害的威脅，將它們與外部系統中葉片頂端的避雷針相連接進行等電位接地，如此一來，能夠有效避免內部系統遭受雷擊的危害。其次是屏蔽隔離，將其科學合理的應用到風力發電防雷系統中可以大幅降低系統中各元件之間電磁耦合的消極影響。風電機機艙中的處理器以及地面控制器為保證實現光電隔離，增強信號傳輸效率，其電纜必須選用光纖材質。最后是過電壓保護，一般情況下，塔底控制柜中的電源系統SPD可選用B-C級，其主要是按照SPD的原理以及不同的電磁兼容性保護區進行劃分[4]。

三、結語

綜上所述，在風電場運作過程中，受到雷擊則會直接影響到風力發電設備的安全運行。由此可見，想要保證風電系統的正常運行，必須針對風電系統防雷技術進行有效的探究。本文通過列舉國內發生過的實例，向讀者闡述了雷電災害對風電系統的危害與影響，并且從風力發電系統的外部系統防雷以及內部系統防雷兩個角度分別做出了簡要的防雷技術分析。我國當前的風力發電領域正處于創新發展階段，行業與國家應當及時對其發展狀態進行調整，基于此，能夠較快形成風電行業技術規范。謹以此篇，供相關人員參考借鑒，以期為我國風電系統防雷與接地技術的創新貢獻一份力量。

參考文獻：

[1]牛崢，李丹丹，許旌瑋，林舒楊，崔佳絮.風力發電系統防雷技術改進分析[J].中國新通信，2019，21（05）：139.

[2]樊婭男.風力發電防雷檢測要點[J].科技風，2018（25）：177.

[3]顧爽，付學文，魏智娟.風力發電系統雷擊過電壓技術研究概論[J].內蒙古科技與經濟，2017（05）：77-78+80.

[4]楊劍虹，常君得，高莉莉，劉一沛，楊揚，樊新宇.風力發電系統防雷技術分析與改進[J].科技展望，2016，26（31）：91.