风力发电机组防雷接地的探讨

杨松

（中国大唐集团科技工程有限公司，北京 100097）

风能清洁的可再生能源,如何开发与利用好风能资源是能源可持续发展的重中之重。有助于降低全球二氧化碳等温室气体的排放，改善我们赖以生存的自然环境。

1 风电机组的雷害性

风力发电机组塔位往往多布置在例如海岸、丘陵、山脊，旷野平原等空旷地区，暴露于雷击之中。且本身高度在120m以上，属高大建筑物。对于高度超过60m的高大建筑物会发生侧击，即部分雷电绕过建筑物顶部装置的接闪器，击中建筑物侧面。从雷电概念分析，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量很高，可以高达300C。上行雷对建筑物的损坏程度的比例，随着建筑物的高度增加而加大，当风机塔身高度超过100m时，受到上行雷击的概率较高。而风电机组分布在空旷平坦（或山地、山脊顶端）的位置，并且周围缺少高大物体配合防雷，缺少有效的防雷设施，发生雷击时，更能吸引雷电。风机本身就犹如一座天然的引雷塔。

在IEC 62305-1中，根据构筑物预期的雷击电流大小，将雷电防护水平分为表1所示的几类。

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图1 滚球法在风电机组中的应用

图1中，滚球覆盖以外的地区为IEC 61400-24标准中划定的LPZ0A区。

2 风力发电机组的防雷措施

相关规程规定，风力发电机组部件按照Ⅰ类防护水平设计防雷措施。由于各地区雷电环境的不同，应依据使用地区和规定防护要求而确定。雷击产生的大量电荷将对风机材料的选择以及日后运行维修更换，起到重要的考核基准。增加易损件对雷电产生大量电能及热能的耐受能力，部件之间连接的可靠性，如何提高风电机组的使用寿命，有效抵御雷击所造成的磨损和破裂所带来的损失是未来相关研究的关键。

（1）叶片防雷。据国外统计，世界每年有1%～2%的风机叶片遭受雷击。目前风电机组的叶片外形的几何结构复杂，因机组不同，叶片长度不同，且长度超过50m已成为主流趋势。叶片材质多由导电性能较差的增强型纤维复合材料制成，同时安装在高度超过80m的机塔上，直接暴露在直击雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所要求的建筑物要复杂。

在设计叶片时，要考虑叶片在遭到直击雷时，叶片叶尖接闪器在旋转的同时要如何才能购准确地接闪。相关设备传导部件例如尖轴、炭纤维复合材料和叶片中传感器导流线等，必须有良好的传导雷电流的功能。

（2）其他辅助设备。风电机组的机舱和其他设备（如轮毂、塔架），设计时应充分考虑雷击接闪能力，接闪器的选择上，应选择导电性较好、表面积较大的的金属构件。再将金属构件相互连接达到等电位，满足能将雷电流快速分散并传导到接地系统的目的。机舱外部安装的气象及侧风等仪表、航空障碍照明指示灯等外部设备，避雷针、引下线以及搭接线的安装尺寸要满足IEC62305-3的要求。也可以直接参考IEC62305标准所描述的方法进行安装制作。

图2 雷电防护区 IEC 61400-24标准

3 风力发电机组的接地措施

接地系统是做为快速分散消溃雷电流和防止风电机组因雷击而损坏的有效措施，亦可用来保护地面及维护人员免受雷击。雷电流通过风机本身的防雷引下装置进入接地装置，散流于大地，较好的接地系统是能够保证雷击过程中风电机组安全的必备措施。

较为常规的为水平与垂直接地导体，水平接地体多采用-60×6热镀锌扁钢（不同风场应结合地勘报告实际考虑），若考虑沿集电线路路径方向，逐台风机接地系统和风场整个接地系统连为一体，形成整个风场综合接地网。整个风电场的接地电阻将大大降低，减少了风电场中分散各处构筑物间的电位差。但此方法直接导致工程造价偏高，且受施工场地影响较大。垂直接地体多采用φ50mm L=2500mm的铜棒（或热镀锌钢棒），同样受到工程地质、施工场地等因素影响，垂直接地体在施工时会使工程难度大为增加。故应结合工程项目实际进行设计，选取最优接地方案。

表2 接地极类型的适用场所

根据相关的规程要求，风机接地系统包括风机的工作接地，保护及防雷接地，其工频接地电阻值按主机厂家的设计生产要求小于4Ω,冲击接地电阻需小于10Ω。如果风电机所处位置的土壤电阻率较高, 按照一般电气设备的接地方式，设计的接地系统明显不能满足其安全要求，必须采用高效、可靠的接地降阻材料和优化的解决方案。

例如：四川某风场，现场实勘土壤电阻率按照1000Ω.m左右，且土壤电阻率表层低，越往深处电阻率越高，故不适宜采用深井接地以及多层接地；雷击时，不光是接地系统的电阻特别重要，而且其电感也非常重要。因为雷电流包含许多高频成分，它们与接地系统相互作用产生很高的瞬态阻抗。

一般的接地装置，大多采用普通型碳素钢材，而为减缓腐蚀速度，多采用热镀锌工艺技术，将除锈后的钢件浸入500℃左右融化的锌液中，使钢构件表面附着锌层，从而起到防腐的目的。本工程也采用热镀锌钢材做为接地材料。按照本工程招标文件的要求，水平接地体选用-60×6热镀锌扁钢，用于降阻的材料，同样采用热镀锌钢材。

故而本工程考虑采用具有离子补偿功能的接地装置，通过向大地不断补充离子，逐步改善土壤本身的导电性，减少接地极与大地的接触电阻值，达到降阻分流的效果。同时接地电阻随季节变化影响较小，而使用新型复合回填料，靠电子导电，电极单元还将向周围土壤中不断释放导电离子，达到逐步改善接地体周围的土壤电阻率的目的。后充分利用场地内土壤电阻率较低的表层土区域，采用水平接地方式为主，垂直接地为辅，降阻亦考虑在水平接地体上处理。为保证接地效果，减少施工量，采用具有离子补偿功能的接地装置，通过不断向大地补充离子，改善土壤导电性。回填土充分利用施工现场表层粘土，减小接地极与大地的接触电阻。

结合离子补偿功能的接地装置，同时加入复合型回填料，可使接地系统更加安全、可靠。但该方案的总体造价却高于以往工程所用的接地方案，如可以和常规接地材料的价格接近，也不妨是一种高效的接地措施。

随着新技术新产品的不断应用，对于风电机组的防雷与接地保护日渐完善，未来风电场日常运行安全也将大大提高。