通道县风电场雷电风险浅析及防御措施研究

通道县风电场雷电风险浅析及防御措施研究

李清南 武林宜 杨宗林 张小群

通道侗族自治县气象局，湖南 通道侗族自治县 418500

摘 要

近年来，本着可持续发展的原则，节约资源，保护环境已成为大趋势，全球大面积提倡使用可再生绿色能源。在此大环境下，风力发电产业得到了快速发展。在中国，各政府职能机构正通过各种政策支持风能产业的发展。《2018 年中国风电发展报告》中提到，到2020年为止，国内风电场总装机容量升至2.17亿千瓦。随着风电场的持续发展和大规模建设，风电场的安全问题越发引起人们关注,据统计，雷电灾害是影响风电场及风电机组正常工作的主要原因。本文通过对湖南省通道侗族自治县风电场实地调研，分析当地地理环境特征，结合风电场所处地区的雷电活动特点和土壤电阻率，提出风电场存在的雷电安全隐患，浅谈风电场雷电防御的必要性，为风电场提供符合实际情况的雷电灾害防御措施。

关键词：通道侗族自治县；风电场；雷击风险浅析；雷电防护

通道侗族自治县地处湖南省西南边陲，属于云贵高原与南岭西端的过度地带，年雷暴日数49.5天，属多雷区，拥有丰富的风能资源，风电场建设区域一般选于空旷、迎风的山坡或山顶，地形地质和气候环境较为复杂。风电场规模庞大且风电机组设备元器件构成复杂，风机作为平面位置上独立突出的建筑物，常年累月处在空旷的自然环境中，必不可免地会遭到雷电的危害。

本文通过对通道县风电场(图1)调查，结合2014－2018年5年湖南省闪电观测资料及实地考察数据，研究分析通道县境内的雷电强度、雷暴日、雷击密度以及雷电活动特征等参数，分析风电场存在的雷电安全隐患，，找出风电场雷电防御特殊性和必要性，从而针对风电机组提出符合实际情况的雷电防御方法。

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图1 通道侗族自治县某风电场

1雷电特征及风电场防雷保护特点

1.1雷电的特征

雷电是一般产生于对流发展旺盛的积雨云中的一种放电现象，云中电荷的分布较复杂，云的上、下部之间形成一个电位差，当电位差达到一定程度后，就会发生放电，这就是我们平常所见的雷电现象，一般山地雷电比平原多，沿海地区比大陆腹地多，建筑物越高，遭雷击的概率越高^[1]。雷电灾害发生时一般对建（构）筑物、电子元器件等设备会产生巨大的破坏，导致重大损失乃至人员伤亡。

1.2风电场特殊的地理位置

通道侗族自治县现在正在运行或正在建设的风电场一般都位于风力资源丰富的山坡，这部分地区通常都有土壤成分复杂、土壤电阻率高和场地空旷的特征。本文讨论的风电场所处区域土质结构不均匀且复杂多样，海拔高度为450 ～1320 m，山脊高程在700.00m～1050.00m左右，山脊顶较缓，风电场主要以森林生态系统、灌丛和草地生态系统为主。通过GEO-1022N接地电阻测试仪，选取不同海拔区域，结合天气变化的影响进行土壤电阻率测试，测得不同风电场所处区域土壤电阻率数据如表1所示。分析数据能够看出风电场所处区域的土壤电阻率偏高，所测的值在几十、几百甚至数千Ω·m，土壤电阻率偏高的地域不助于雷电流的释放，提高了风电场以及风电机组的雷电安全隐患。

表1 各区域土壤电阻率

1.3风电机组的特殊性

当前，风电场规模不停增大，风电设备装机容量持续提升，轮毂高度和叶片直径也持续增长，目前风机的高度基本上都达到 60 m 以上乃至上百米，因此风机叶片变成了周边环境的最高点，雷击概率明显提升，雷电易击穿风电机组设备，可导致风机线路、电子元件等短路从而引起起火，导致风电机组瘫痪，造成重大损失，且风机通过本身释放电流会对工作人员造成人身安全隐患

^[2]。

2.风电场存在的雷击风险

雷电云团放电时，很大概率会使地面上没有保护的建(构)筑物和设备设施遭到破坏，其危害可分两种。一种表现为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波造成的破坏; 另一种表现为静电感应、电磁感应等造成的破坏^[3]。

2.1直击雷

带电云团放电击中地面物体时，会产生迅速且猛烈的放电现象，雷电流的强大能量造成热效应，导致使雷击点四周金属导体熔化，当雷击击中电缆线路的时候，会导致熔断炸裂。当雷电击中风机时，由于电动力的原因，会造成扇叶折断、变形。雷电流幅值很高，通过导体时间短，当击中风塔及其他元器件的同时会在设备里面瞬间发出巨大热量，通过极短的时间使设备里面的水份蒸发、汽化，急剧膨胀导致爆炸，从而导致风机发生损坏。雷电流通过金属导体导入地下时，形成的电位梯度过大，经过该区域工作人员很大概率会受到接触电压和跨步电压的伤害。

2.2雷电感应

当雷击发生后，会产生出很高的感应电压，电压幅值能达到几万甚至几十万伏，电压幅值如此高的感应电通常都会引起信号线路、电缆线路、设施连接线路、接触不良的导体之间火花放电，导致起火或爆炸。

2.3雷击电磁脉冲

风机内各种元器件数量多，电缆线路布置复杂，当雷电流通过导体，释放入地的过程中，可以在雷电流经过的区域产生很强的电磁场，导体在该电磁场中会产生感应过电压(流)，从而造成敏感电子元器件损坏，导致风机瘫痪。

3.通道县雷电活动分布特征

3.1闪电活动月平均及逐时变化分析

分析201-2018年月平均闪电活动变化和逐时闪电活动变化(图2、图3)可以得出，通道侗族自治县的雷电活动大部分发生在5－9月，可以看出6月份和8月份雷电活动最为频繁，8月份闪电频数到达顶峰。雷电活动从午后逐渐活跃，16:00以后雷电活动猛然上升，雷电发生一般聚集在16:00-22:00，这个时间段内闪电出现的频次都偏高，17:00－18:00闪电频次达到顶峰。

图2 闪电活动逐月分布

图3 闪电活动逐时分布

3.2 雷暴日数

雷暴日数表现了不同地域雷电活动的频繁程度，同样也是研究一个地区雷电活动特征的重要依据。通道县2014-2018年雷暴日数统计(图4)可看出，通道县在这5年中，雷暴日数最高有113d，最低也达到了73d。

图4 雷暴日分布

3.3风电场所在区域雷电强度分析

分析2014-2018年湖南省闪电定位系统观测资料可知，风电场所在区域通道侗族自治县，雷电强度平均值为0.95kA·次/(㎞²·a)，高于全省雷电强度平均值，最高雷电强度值为5.07kA·次/(㎞²·a)，地闪密度平均值为2.10次/(㎞²·a),高于全省地闪密度平均值，雷电流强度平均值为43.10kA，低于全省平均雷电流强度平均值，最高平均雷电流强度值为135.96kA，大部分地域雷电流强度的绝对值在10～60 kA，极少数地域的雷电流强度超过了100kA，可以看出该风电场所在通道县的雷电强度非常大，存在着一定的雷电安全隐患。

综上所述，通道侗族自治县雷电活动分布较为复杂，雷电灾害危害较大，雷电灾害容易导致风电机组系统元器件损坏，使风电场不能正常运行，造成重大损失和安全隐患。5－9月份雷电活动较为活跃，8月份总闪电数达到顶峰，10月份过后，强对流逐渐削弱，闪电活动也逐渐降低。

4风电机组的防雷保护措施

4.1直击雷防护措施

4.1.1风电机组的接闪系统

一般风电场的风机都会设置叶尖阻尼器，安装了叶尖阻尼器的风机遭受雷击的概率有所降低，但随着单机容量的提高，叶片的长度也越加越长，叶尖相对于整个叶片来说，成为相当小的一部分，而且叶片是旋转的，侧击雷很可能会击中叶片其他部位而使整个风机遭到破坏，依旧会遭受雷击。

为了避免类似问题的发生，提议不但要在机舱罩顶装配接闪杆，还要在叶片上增设足够多的接闪器来扩大叶片的接闪面积，增加叶片对雷电的接闪能力，降低整个风电机组的雷击几率。

4.1.2风电机组的接地

风电机组一般建设在土壤电阻率较高的山顶、地质结构特殊的地带，仅仅使用塔架钢筋和风机基座钢筋作为接地装置不易满足规范要求，需要增设人工接地体（图5），主要形式是在塔基四周深度至少0.5 m ，甚至更深处敷设一水平环装接地装置与塔基基座焊接，并在环形接地体上水平等距焊接若干垂直接地装置形成一个人工地网，人工地网尺寸大小可通过风机基础半径、土壤电阻率及防雷保护等级来确定。

由于风电场所处地区土质结构复杂且多样，土壤电阻率又高，增设人工接地体后，有些地区依旧达不到规范要求，解决这个问题可以在增设人工地网的基础上，采用换土、使用降阻剂、埋设防雷模块等方法降低接地电阻。

图5 风电风机的人工地网

4.2雷电感应防护措施

4.2.1过电压保护

可在风电机组电源和信号的位置、敏感元器件的端口装配电涌保护器，能够在一定范围内防止由于各种原因(如反击、侵入波、感应)出现的过电压，释放雷电流。

4.2.2 等电位连接

设置等电位，可在雷电发生时用以均压和屏蔽，降低风机内各导体之间的电位差。风电机组的主轴承、发电机、齿轮箱等都应做好等电位连接。风轮与机舱间、机舱与塔柱间、尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等方法做电气连接^[4]。

4.3人生安全防护措施

通常当雷雨天气发生时，针对一般建筑物，待在建筑物内的职工是比较安全的，可是针对风机，待在风机塔身内的人依旧存在安全风险，这主要因为跨步电压和接触电压的问题^[5],因为风机内部有复杂且多的电子元器件和电子线路，而且雷电流是通过风机塔身为导体泄放电流的，所以雷暴来临时，身处风机塔身中或者风机周围都是有危险。因此在风电场醒目位置设置雷击危险警示牌是非常有必要的，警示职工在雷雨天气不要靠近风机，在安装有完善防雷设施的建筑物内等待，等雷暴天气过去后，再去进行工作。

5结论

对于目前风电场雷电防御的研究，风电场因为本身的各种特点让雷电防护问题变得复杂且急迫，在现有规范标准和技术指导不够完善和成熟时，不能过于依赖普通建筑物的防雷技术规范，需要对症下药，要进一步了解所在地区的地势、地质成分、气候特征、生态环境等条件，以及风电机组特殊性的基础上，找出与一般建筑物共性，结合雷电活动规律分析，有针对性的研究并采取有效的雷电防御措施，切实提高风电场雷电灾害防御能力。

[1]陈渭民.雷电学原理[M].北京:气象出版社，2006．

[2]禹继，陈绿文，黄智慧，等.超高建筑物雷电先导-连接过程数值模拟[J]．广东气象，2011，33(5): 42-44．

[3]李兆华，刘平英．风电场雷击风险分析及防护措施研究—以云南某风电场为例[J].灾害学，2015，30(1): 120-123．

[4]徐勇，郑列剑. 风电场防雷接地研究[J]．大科技，2015，7: 277-278．

[5]聂长春，倪穗燕，陈蔚翔. 风电场雷电防御的特殊性及应对措施[J]．广东气象，2013，35(2): 52-55．

1作者简介：李清南（1993-），男，助理工程师，主要从事气象防灾减灾、气象服务和气象装备保障等工作。