【文章摘要】

　　沿海山區和高海拔地區通常都是雷雨季節的雷電高發區，未來對風電場的防雷系統要求會更加嚴格，做好防雷系統對風電場的安全運行更加重要。本文結合實際，從風電場防雷接地系統設計、施工， 以及風電機組、電氣系統、集電線路、通訊系統防雷的措施等幾個方面，闡述如何可以更加有效降低雷電侵擾帶來的傷害，減少因雷擊造成的損失，保證風電場安全經濟的運行，力求為今后風電場防雷系統的優化提供參考。

　　【關鍵詞】

　　風電場；雷電；防雷系統

　　1 風電場防雷接地系統設計與施工

　　對于整個風電場要想減少雷擊事件的發生，降低雷擊造成的損失，達到良好的防雷效果，做好防雷接地系統的設計和施工是前提條件也是最基本的要求。風電場如果沒有良好的防雷接地系統， 雷擊電流無法迅速傳導于大地，采取所有的防雷措施都無濟于事。因此做好風電場防雷接地系統的設計和施工是非常重要的。

　　1.1 風電場防雷接地系統的設計

　　1.1.1 風機基礎和箱變配電設備防雷接地系統設計

　　風機基礎和箱變配電設備接地系統設計要根據風電場所處的地理位置、土壤特征、雷擊自然災害發生的頻率等條件，參照IEC61400- 24-2010《風力渦輪機. 第24 部分：防雷保護》等行業規范的要求進行設計。風電機組的接地既是防雷接地，也是設備保護接地、工作接地、防靜電接地。風機基礎是風電機組重要的自然接地體，風電機組的接地銅引線穿過基礎時應與風機基礎內的鋼筋有效連接，同時與箱變接地連為一體。當風電機組的接地電阻不能達到標準要求時，應敷設人工接地網，人工接地網由厚度不小于4mm、埋地深度不小于0.8m 的扁鐵組成，人工接地網通常為以風機基礎中心為圓心的同心圓方式布局。風電場內所有的風機機位的接地電阻應符合阻值≤ 4Ω 的要求。

　　風電機組、集電線路、箱變配電設備的下列金屬部件，均需有效接地：

　　1）風電機組的機艙（包括葉片、發電機組、控制柜等）、塔筒、箱變和高壓電器的底座外殼；

　　2）配電、控制、保護柜、操作臺等金屬框架；

　　3）動力及控制電纜、通訊光纜的金屬鎧裝；

　　4）配電裝置的金屬架構和鋼筋混凝土架構，靠近帶電部分的金屬圍欄；

　　5）電力電纜接線盒、終端盒外殼、通訊光纖接線盒、電纜外皮、穿線鋼管和電纜或母線橋架；

　　6）裝在集電線路桿塔上的開關設備、避雷器、跌落式開關等電器設備；

　　7）集電線路桿塔、避雷線、通訊光纜鎧裝保護層。

　　1.1.2 風電場升壓站防雷接地系統設計

　　風電場升壓站內集中安裝了最重要的電器設備和電氣裝置，因此升壓站的防雷接地系統必須嚴格按照GB50065- 2011《交流電氣裝置的接地設計規范》， 結合升壓站所處位置環境及土壤條件進行設計。一般是統一敷設主接地網，而在避雷針或避雷器附近的地下另外敷設防雷接地體，加強釋放雷擊電流的能力。一般情況下，風電場升壓站接地裝置接地電阻值應符合公式：R ≤ 2000/I

　　公式中：R—最大接地電阻值 單位為Ω

　　I—流經接地裝置的入地電流（雷擊電流或短路電流）單位為 A

　　在理論設計中防雷接地設計要滿足R ≤ 2000/I，一般情況通常認為110kV 及以上的升壓站防雷接地電阻值R ≤ 0.5Ω，但并不是接地電阻值R ≤ 0.5Ω 就一定合格，如果流經接地裝置的入地電流（雷擊電流或短路電流）特別大時，還要采取其他措施，保證滿足R ≤ 2000/I 的設計要求。

　　風電場升壓站防雷接地網設計要遵循如下原則：

　　1）盡量采用建筑物地基的鋼筋和自然金屬接地物統一連接來作為接地網；

　　2）盡量以自然接地物為基礎，人工接地體為補充，外形盡可能采用閉合環形；

　　3）采用統一接地網，用一點接地的方式接地。

　　當接地裝置的接地電阻值不符合公式要求時，可通過技術經濟比較，適當放寬接地電阻值，但阻值不得大于4Ω，并且要符合我國的相關標準要求。

　　1.1.3 風電場集電線路防雷接地系統設計

　　風電場內集電線路防雷接地系統設計要符合 DL/T620 -《 交流電氣裝置的 過壓保護和絕緣配合》的要求。線路桿塔防雷接地系統的電阻值, 通常情況下要滿足R ≤ 30Ω。

　　1.2 風電場防雷接地系統的施工

　　1.2.1 防雷接地系統施工要求

　　風機基礎的防雷接地系統地埋接地避雷帶應為50×4mm 的熱鍍鋅扁鐵，扁鐵要按照以風機基礎中心為圓心的同心圓進行敷設。風機接地銅引線與避雷帶要焊接相連，連接點應不少于3 處。施工流程一般為：施工準備→開挖接地溝槽→敷設接地扁鐵→安裝接地裝置→焊接避雷線→焊接接地網→對焊點進行防腐處理→鋪撒降阻劑→回填壓實接地溝槽→測試接地電阻值。

　　防雷接地網所有焊接處的焊縫應飽滿，并能夠承受足夠的機械強度，不得有夾渣、咬肉、裂紋、虛焊、氣孔等缺陷，焊接處的焊渣應清除干凈，并刷瀝青進行防腐處理。每處施工完畢后，要及時請質檢人員進行隱蔽工程檢查驗收，合格后方能隱蔽，同時做好隱蔽工程的驗收記錄。避雷帶應平直、牢固安裝，不得有明顯的高低起伏和彎曲現象，間距距離應均勻一致。

　　2 風力發電機組防雷措施

　　目前，風力發電機組的單機容量越來越大，為了更好的吸收風能，輪轂高度和葉輪直徑也在不斷增加。與此同時風力發電機組也增加了被雷擊的風險，雷擊成了影響風力發電機組安全運行的一大危害。雷電釋放的巨大能量會造成風機葉片損壞、通訊光纖熔斷 、發電機絕緣擊穿、控制元件燒毀和液壓缸損毀等。 風力發電機組主要部件被雷擊損毀率由高到低依次為電控系統、葉片、通訊光纖、發電機、變槳液壓缸。按雷擊損毀維修成本由高到低分別為葉片、發電機、變槳液壓缸、電控系統、通訊光纖。

　　2.1 風力發電機組防雷系統

　　雷電對風力發電機組的損害分直擊雷損害和感應雷損害，直擊雷主要損壞風力發電機組的葉片、變槳液壓缸、通訊光纖等，感應雷主要損壞電氣控制系統、發電機等。針對直擊雷和感應雷，我們要根據其特性，采取不同的方式對風力發電機組進行保護。

　　2.1.1 風力發電機組外部防雷保護系統

　　風力發電機組的外部防雷保護系統由接閃器、防雷引下線和接地系統組成， 主要作用是防止直擊雷對風力發電機組造成的破壞。

　　1）接閃器

　　雷擊風力發電機組的落雷點一般在葉輪的葉片上，因此接閃器應預先安裝在葉片的預計雷擊處以承接雷擊電流。為了以可控的方式將雷擊電流引導入大地，現在市面上葉片通常采取每個葉片安裝4 ～ 6 個接閃器，這些接閃器通過葉片內腔的避雷線連為一體。接閃器的材質多為鋁質，避雷線的規格通常是直徑Φ ≥ 35mm?的多股軟銅導線。

　　為了更好的防止葉片遭受雷擊，現在已經有葉片廠家開發出了新型的防雷葉片。近兩年市場上逐步出現了帶有銅質防雷帽的葉片，其用套在葉尖上的銅質防雷帽代替葉尖接閃器，增大了承載面積更加有利于將雷擊電流及時引入大地。由此原理推測，今后市場上不排除出現帶有防雷帶的葉片，其原理就是用兩條敷設在葉片表面的銅質導電帶代替葉片兩側的接閃器，使葉片本身更加均勻的增大接受雷擊電流的能力，及時將雷擊強電流引入大地，避免雷擊對葉片造成損壞。

　　另外，葉片本身的質量對能否抵抗雷擊也有很大的關系。因為雷擊葉片時強大的雷擊電流通過葉片的接閃器、避雷線進入大地，同時也會產生巨大的熱量，致使葉片自身膨脹。如果葉片本身質量存在瑕疵，玻纖體內部有氣泡或其他填充物質，這時葉片體的膨脹系數就不一致，當雷擊電流發熱致使葉片膨脹，由于葉片體材質的膨脹系數不同，就會造成葉片變形，當葉片體變形到一定程度， 就會將葉片撕裂或脹開，從而是葉片損毀。

　　2）引下線

　　專設的引下線連接著葉輪、機艙、塔架和風機基礎接地網，同時機艙和偏航剎車盤也通過引下線連接為一體。雷擊電流可以通過引下線順利的導入大地， 避免對機組造成損害。 值得注意的是， 有些風電機組取消了塔筒內部敷設的避雷引下線，其利用塔筒自身的導電性能將雷擊電流導入大地。其實這么做是不夠科學的，首先每臺風力發電機組的塔架至少兩段塔筒對接通過螺栓連接在一起，并且兩段塔筒連接的法蘭面還涂有防水膠，無形中增大了塔筒的導電能力； 其次，雷擊電流不是純直流電流，這時對于雷擊電流塔筒相當于一個大的電感， 當雷擊電壓作用于塔筒上時，塔筒本身會產生反電動勢，阻止雷擊電流及時的導入大地。因此將塔筒本身作為風力發電機組的避雷引下線是不夠科學的。

　　2.1.2 風力發電機組內部防雷（過電壓）保護系統

　　風力發電機組內部防雷保護系統既要能夠防止直擊雷對機組的損害，又要能夠防止感應雷對機組的損害。內部防雷保護系統主要由電涌保護器、屏蔽裝置、等電位連接網等裝置組成。

　　1）電涌保護器

　　電涌保護器是風力發電機組暫態過電壓保護裝置。對風力發電機組控制系統造成破壞的暫態過電壓，可能是直擊雷也可能是感應雷引起的。當雷電發生在電力線路、通訊線或風電機組附近時， 將在這些線路或設備上產生暫態過電壓，其電壓幅值可達幾十千伏。沿著電力線路或通訊線路注入的暫態過電壓會對線路造成極大的破壞，要想減少或避免這種破壞，需要在線路上加裝電涌保護器。

　　2）屏蔽裝置

　　屏蔽裝置對風力發電機組抗擊雷電侵擾，保護電控系統也是不錯的選擇。機艙做成一個密閉的殼體，相關的電氣和電子器件都安裝在密封的電控柜內，密封的電控柜具有良好的屏蔽效果。另外風機底部平臺和機艙內不同設備之間的線纜采用帶有外部金屬屏蔽層的線纜， 當線纜屏蔽層的兩端都連接到等電位連接帶上時，屏蔽層對雷電產生的電磁干擾也會起到很好的屏蔽作用。

　　3）等電位連接網

　　等電位連接網可以抑制雷電引起的電位差，是風力發電機組內部防雷系統的主要組成部分。在等電位連接網系統內，所有導電的部件都被互相連接，用以減小雷擊時引起的電位差。在設計等電位連接網時，應按照標準考慮其最小橫截面積。一個完整的等電位連接網可以包括金屬管線和電源線路、通訊線路的等電位連接，這些線路應通過雷擊電流保護器和主接地網接線母排相連。

　　3 結論

　　風電場防雷系統是一個涉及升壓站、場內集電線路、風機基礎場坪、風力發電機組本身等多方面的復雜系統，任何一個環節出現問題都會造成防雷失效的現象。另外風力發電機組本身質量，特別是葉片質量是否過關，也是影響是否能夠成功防雷的決定因素。