杨建民
中核汇能有限公司 541200
摘要：面对不断变化的全球气氛和日益增加的环境压力，可再生能源的使用已成为全社会的共识。风能以其技术稳定和工业发展便利为特点的优势在世界各地日益重要。与风力发电机的大规模应用有关的自然灾害的威胁越来越大，造成自然灾害的主要原因是风力发电机受到闪电的影响，使其无法正常运行。本文基于风力发电场防雷技术研究展开论述。
关键词：风力；发电场；防雷技术研究
引言
近年来随着国家对新能源产业的政策扶持，风力发电产业迅猛发展。然而，随着越多风力发电场的建设，暴露出的问题也日益增多，其中防雷击是风电场面临的重要问题之一。
1雷击对风电机组的危害
由于风力涡轮机的特性，它们通常需要在沿海、丘陵和山脊地区大规模建造。然而，这些地区也是易遭雷击的地区。目前，随着风机的高度和叶轮直径的不断增加，风力发电机已经成为附近地区的制高点，并且远离其他高层物体，这也是它们容易遭受雷击的主要原因。此外，由于风力涡轮机中有许多暴露的部件，例如叶轮和机舱盖，并且这些部件通常由复合材料制成，因此它们通常不能承受直接闪电或传导直接闪电电流。但也因为叶片不断旋转，它也对导流效果有负面影响。此外，雷电冲击电流大，时间短，雷电电流变化梯度大，在大冲击电压和强电流下会产生交变磁场，甚至导致感应电压超过1亿伏。风力发电机组的损坏主要包括直接雷击造成的直接损坏、雷击沿线路冲入设备造成的损坏、雷击时设备接地体瞬间高电位造成的损坏、设备安装方法和位置问题造成的电场和磁场造成的损坏。这种危险主要表现在，当风力涡轮发电机组的叶片受到雷击电流时，叶尖结构内部的温度将升高，水分将由于蒸发而膨胀。在这种机械力的作用下，叶尖结构将会破裂，甚至整个叶片都会破裂。
2雷电的破坏机理
2.1直击雷
直接雷击中风机叶片时，雷电流释放巨大能量，使叶片温度急剧升高，分解气体高温膨胀，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。强雷电击到风机叶片尖部，雷电流沿接闪器→铜缆→钢丝绳→接地部件泄放，由于过强雷电电流在接闪路径中形成高电位和高能量，强雷产生的高热量导致叶片内部铜缆和钢丝绳熔断，叶片内部气体高温膨胀也会使叶片爆裂。另外高电位可导致金属引线与叶片之间产生电位差而产生电弧，其燃弧过程中的强烈高温将对风电机组叶片产生极大损害。
2.2雷电波侵入
风电场雷电波侵入主要是远处的直击雷击放电电流因雷电感应等形成的巨大电流，以电力线路为传播路径，以过电压波的形式向前传输。巨大的能量和高压易击穿介质、侵袭设备设施，形成破坏作用。在风电场环境中雷电侵入的条件较充分，概率较大。其中地点为反击也是传到雷中的一种：雷电击中附近建筑物或其他风机、地面，导致地电压升高，并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或风机的电力或通信线路入侵风机的内部设备形成地电位反击。
3风电场接地系统结构
风电场内雷电防护系统接地方式一般有两种：一种是由水平接地体和垂直接地体组成接地体；另一种是采用环形接地带，也可以使用垂直接地体和水平接地体的结合形式。
风电场内的箱式变电站一般采用第一种接地形式，但其工频接地电阻通常不能满足≤4Ω的要求，可使其水平接地体与附近风塔的接地网相连，构成一个接地整体，以降低接地电阻。单座风塔通常采用第二种接地方式，即用一环形接地带埋在钢筋混凝土地桩的四周。环形接地带半径由地基大小和抗电流冲击有效范围确定。对于风塔成网格分布的风力发电场，接地网可安装成大的矩形接地网，使每个风塔、控制柜、变压器组及箱式变压器都连接到接地网上。
4接地电阻的计算
根据IEC62035-3以及一些进口风力发电机机组厂家的要求，单台风机接地电阻需小于10,但是由于各风电机厂家机组特点及依据标准不一，目前，国内外风机厂家对接地电阻阻值的要求大不相同，见表1。
表1国内外风机厂家对接地电阻阻值的要求
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表1国内外风机厂家对接地电阻阻值的要求
对于风电机组这类高耸建筑物，主要应考虑冲击接地，因此需要考核冲击接地电阻的大小。而冲击接地电阻是无法通过测量方法取得的，为此，需要测出哦单台风电接地网的工频接地电阻后，根据冲击接地电阻与工频接地电阻之间的关系，从而得出冲击接地电阻。
单台风电机的接地电阻计算如下：（1）单个垂直接地体的散流电阻。
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式中：Rνo为单根垂直接地体接地电阻；ρ为土壤电阻率；l为接地体长度；d为等效直径。
（2）单个水平接地体电阻。
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式中：Rh为水平接地体的接地电阻；l为接地体的长度；h为接地体的埋设深度；d为等效直径。
（3）水平接地体连接多根垂直接地体。
实际中接地体埋于地下，多根垂直接地提顶端由水平接地体连接，此时接地体电阻应考虑垂直接地体与水平接地连线之间的屏蔽作用，其总接地电阻为：
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式中：Rg为水平接地体与垂直接地组合接地电阻；ηc为利用系数，根据连接方式不同大小在0.7~0.8之间；Rh为水平接地电阻；Rν为单根垂直接地体接地电阻；
（4）单台风机冲击接地电阻。
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Rch为冲击接地电阻；I为冲击电流；ρ为土壤电阻率；l为垂直接地体的长度，或环形接地体的直径，或方形闭合接地体的边长；β，m与接地体形状有关的系数，对垂直体接地有β=0.9，m=0.8，对水平及闭合接地体有β=2.2，m=0.9。
（5）每台风机冲击接地的有效半径。
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式中，r为风电冲击接地的有效半径；
将每台风机参数带入以上公式，可计算出单台风电机的冲击有效半径、工频接地电阻和冲击接地电阻。从（1）~（5）可以看出，风机的工频接地电阻主要与风机所处位置的土壤电阻率、基础接地网的面积直接相关；而冲击接地电阻则与基础接地网的工频接地电阻，冲击系数和屏蔽系数等相关。值得注意的是，风机冲击接地网的有效半径是限制在一定范围的，超出该范围，对冲击接地来说，超出部分的接地网将无法起到均压和散流作用。因此，对于高耸建筑物，从防雷接地角度考虑，因其冲击接地是有一定范围的，要通过无限制的加大接地网的面积而降低接地电阻，其实是不可行的，不但增加了投资，也增加了施工的难度。
结束语
防雷是对风力发电机组安全运转的重要保障。对接地网的优化和改进是提高风力发电机组防雷效果的一个重要手段。同时也应该认识到，无论多么完善的措施，都不能对雷电的危害做到完全的消除。防雷保护工作任重道远，仍有许多工作需要去做。
参考文献
[1]徐元刚.风力发电场升压站雷击事故分析及防雷措施[J].西昌学院学报(自然科学版),2016,30(02):43-44+59.
[2]徐元亮.宁海县茶山风力发电场雷电防护设计[C].雷电委员会、中国气象科学研究院.第31届中国气象学会年会S9第十二届防雷减灾论坛——雷电物理防雷新技术.雷电委员会、中国气象科学研究院:中国气象学会,2014:1383-1393.
[3]赵新滨.大型风力发电场接地工程研究[J].黑龙江科技信息,2013(21):43.
[4]陈飞,陈鹏飞,吴威.浅谈风力发电机组防雷要点[C].中国气象学会.S13第十届防雷减灾论坛——雷电灾害与风险评估.中国气象学会:中国气象学会,2012:1135-1139.
[5]杨勇,文刚,罗磊.风力发电场防雷改造工程设计[J].科技风,2012(15):155+157.