沿海地区风电场防雷接地技术设计研究

摘 要：宁德市沿海地区风力发电前景广阔，由于风电场机组建在沿海的山丘或海面及海岛上，结构突出，所处环境特殊，雷电是对风电场机组危害最大的自然灾害之一，而且受建址、地质、环境等条件的影响，防雷工作开展难度较大。其中，接地系统是防雷设计的关键环节，结合机组实际，做好风电机组基础及35 kV集电线路的接地优化设计，在节省工程成本同时可以最大化发挥防雷的效果。对此，分析了宁德市气候特点及雷电发生特征，阐述了沿海地区风电场雷电防御重要性，探讨了风电场的雷击危害及主要防雷措施，提出了风电场防雷接地设计。

关键词：沿海地区；风电场；防雷；接地系统；优化设计

中图分类号：TM614 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）08–0-03

近年来，随着风力资源的有效开发利用，沿海地区涌现出大量的风力发电场和风力发电的设备装置。然而，海洋的水汽充足、盐分高等特殊条件，不可避免地会给沿海地区风场发电站设备带来不利影响，使风力发电企业遭受经济损失[1]。雷电是风电场机组造成直接危害的灾害之一，雷电击中机组叶片直接毁坏叶片、轴承及机械结构等，雷电产生的电磁感应及电涌过电压过电流效应可对风电机组造成间接危害。受到风电场位置、地质、环境、气象条件和重要性等因素的影响，其防雷工作既是重点又是难点[2]。防雷接地是风电场开展防雷技术研究的重要环节，科学、合理的防雷接地设计，不仅能增强防雷效果，还可以节省工程成本。在介绍宁德市气候及雷电发生特征的基础上，探讨了风电场机组雷电保护重要性及防雷措施，重点针对风电场机组接地系统设计进行探讨。

1 宁德市气候特点及雷电发生特征

宁德市位于福建闽东地区，地处福建省东北部沿海，东部濒临东海，全市陆地面积为1.35万km2，直接相邻的海域面积达4.46万km2，海岸线长1 046 km，以丘陵山地地形为主，沿海地带为小平原。宁德市为亚热带海洋性季风气候，温和多雨。春季多阴雨天气，早春3—4月冷暖空气交汇易发生冰雹等强对流天气；夏季天气炎热，雷雨多发，还会受到台风影响；秋季多晴朗天气，气候宜人；冬季无严寒，干冷少雨。宁德市山地丘陵和沿海平原海拔差异较大，形成了明显的立体气候，气候资源丰富。年平均气温17.5 ℃，年平均降雨量1 811.2 mm。每年3—9月为雨季，其间降水量约占年总降水量的81%；10—翌年2月为干季，干湿季分明。因此，宁德市多发气象灾害，主要为强对流、台风、暴雨洪涝、高温干旱和低温冻害等灾害性天气。

受地理位置影响，我国南方的雷电天气多于北方，山地比平原多，内陆比沿海多，福建处于我国多雷暴地区，雷电天气主要发生在春夏季和初秋季节。宁德市一年中各个月份都可能会出现雷暴，主要出现在3—9月，其中6—9月雷暴日数为34 d，近些年宁德市年雷暴出现日数趋于减少。

2 沿海地区风电场雷电防御重要性

风能为可再生清洁能源，宁德市沿海地区具有丰富的风能资源，常年为北东北（NNE）风向，强风向为东北（NE）向，年平均风速为7.2 m/s，年均风能密度可达411 W/m2，可大力开发利用沿海风能资源。宁德市旨在打造出东南沿海的重要清洁能源基地，2023年全市风力累计发电量达到2.77亿kW·h，同比增长18.6%。

当前宁德市风电机组建在沿海的山丘或海岛上，未来将向海面上发展，矗立的风杆可达80～100 m，成为空旷地带的制高点，是雷电放电的目标对象。由于地处海域，加上海洋环境影响，宁德市沿海地区雷暴天气频发且发生强度大，严重威胁着风电场设备及其运行安全。再加上风电场选址在海拔较高的山脊或海岛上，交通偏远且不便，开展风电场机组运行维护的任务十分困难，导致风电场人员形成了重建设而轻维护的懈怠思想，增加了风电场遭受雷击的概率。据不完全统计，我国沿海地区的风电场雷击灾害损失超出整个风电产业雷击事故的80%以上，因此加强沿海地区风电机组的雷电防护成为沿海城市的防雷工作重点，必须改变思想、增强意识，做好沿海风电场防雷工作。

3 风电场的雷击危害及主要防雷措施

3.1 雷电对风电场的危害

风电场周边环境空旷，风电机组挺拔高耸的机身上端为叶片，3个大型的叶片顶端部位呈尖体状。按照雷电的放电选择性规律，机身和叶片顶端处为雷击点，发生雷电时，直击雷会首先击中顶点部位，产生电场畸变，瞬间增大周围电场强度，起到引雷的作用，因此风电机组极易遭受雷击。雷电击中机舱后，雷电流沿着物体上的导体经接地体泄入大地，机舱暂态电位会被抬高。在机组被雷电击中后，产生的雷电流会经风电机组的塔筒传导，通过接地体传入大地，此时作为接地导体的塔筒和接地体均发生暂态电位抬高现象。由此可见，风电机组遭受雷击后，从机身顶端到机身底部，雷电流可沿多条通路向大地泄流。

除出现上述情况外，塔筒及筒内的电缆屏蔽层和装设的引下线等，都是雷电流通过的路径（图1）。通过这些分析可以得出，直击雷对风电场发电机组的危害主要表现：一是直接击中风力发电机的叶片；二是雷电击中机舱后，机舱内部的金属间缝产生电火花后引发爆炸和火灾事故；三是雷电过电压损害机组内部的电子设备；四是雷电产生的跨步电压与接触电压及爆炸的碎片引起火灾后造成危害。

图1 雷电击中风力发电机组后雷电流的泄流通道

通常感应雷会沿风机组的线缆或其他设施对机组造成危害，引起火灾或爆炸事故等，或雷电流入侵机组后引起电位抬高，进而使相关设备过电压损坏，电磁耦合导致的潜势电位抬高引发火灾或爆炸等。

3.2 主要防雷措施

由于风电场所处位置及自身构造等，极易受到直击雷和感应雷的危害，开展风电场防雷主要是针对风机叶片、机舱的保护，以及电气和电子设备的雷电过电压防护等。

3.2.1 风力发电机叶片防雷

风力发电机的叶片所用材料不仅要满足要求的强度，还要降低旋转摩擦过程中产生过多的电荷。因此，生产厂家在制作叶片时要选用适宜的材料，叶片的顶端与内部要安装上导电材料，若受到雷击即可发挥避雷针作用，泄放雷击产生的雷电流，保护叶片。在叶片上安装接闪器、引下导体构成防雷装置，接闪器为圆盘状，保持盘面与叶面平齐状态嵌装于叶片顶端部位。当雷电击中叶片的叶尖时，内置的接闪器会将雷电流导入引下导体，由引下导体再将雷电流引入叶片根部轮毂→低速轴→塔筒等，最后散入大地。

近些年，风电机组单机容量不断增大，叶片面积及长度也随之增长，长度在20 m以上的叶片设计防雷时，可在叶片上面设置多个接闪器，每个接闪器都要与内置的铜导体或钢丝的引下线，连接叶片上的接闪器，这样可以改善防雷装置对雷电下行先导的拦截性能，最终将雷电流泄入大地，叶片上非接闪器部位被雷击的概率减小。同时在风况传感器、机舱尾部的上方结合其高度各装设一根避雷针，以减少雷击。

3.2.2 机舱的防雷措施

机舱及其外部的设备均极易遭受直击雷袭击，针对机舱的防雷设计，机舱内各个部件利用连接螺栓与其底座上金属支架进行可靠连接，不能与底座相连的部件可与接地电缆电气相连。机舱背面顶部的风速风向仪、信号灯及其支撑结构，也是易遭受雷击损坏的部位，可在机舱后部装设一个避雷针，被雷电击中后，雷电流即可经接地电缆传递至机舱的底座，由塔筒和接地的电缆作基础的接地后泄入大地，保护机舱和相关的设备免遭雷击。风速风向仪的金属屏蔽外壳较厚，可以防止感应过电压危害，在风速风向仪及信号灯的金属线缆上加装浪涌保护器进行感应雷的防护，保护控制系统避免过电压的损害。

同时，风力发电机叶片被雷电击中后，雷电流经引下线直达叶片根部，经变桨轴承再向轮毂和主轴传递，主轴承齿轮箱等设备材质为导体，极易产生感应雷电流。可采用铜质材料制成的碳刷建成一条低阻抗的路径，引导雷电流到达偏航轴承及塔筒，同时增大主轴承结构的阻抗，降低主轴承、齿轮箱及发电机端口的雷电流，降低雷击概率。此外，可在雷电流经的主轴承、齿轮箱、高速轴和发电机到机架之间的回路上装设绝缘层，这样一来，雷击后产生的雷电流会经风轮锁紧盘、碳刷、偏航轴承、塔筒这一设置有抵抗层的路径到达接地网后再泄入大地，避免雷电流通过主轴承和齿轮箱，降低对其损害。

3.2.3 过电压防护

为防护雷电电涌过电压，可分别在电力线路和信号线路上安装电源电涌保护器，避免雷击产生的雷电电涌入侵室内的电气和电子设备。电源的入口处安装I级电涌保护，发动机定子、转子及整流器处安装Ⅱ级电涌保护器。

4 风电场防雷接地设计

4.1 风电机组基础接地设计

风电场机组基础使用的是打桩基础，每个风电机组使用长度为15 m、直径为60 cm的PHC600管桩共35根作为基础。在对风电机组基础进行接地设计时，接地材料使用的是风电机组厂家给的90 m Φ50铜绞线，将铜绞线沿基础外圈进行圈设，并在线圈的两端引上至等电位接地母排，同时与基础钢筋网进行可靠的连接。此外，要特别注意铜绞线和基础钢筋网不能连接基础桩基，这样才能确保基础管桩强度。

在对防雷设施进行施工时，分别从风电机组基础的2个方向呈180°的角度引出2根Φ50铜绞线作为接地引出线的预留，若施工后测量接地电阻≤4Ω，可以从这两预留处各直线敷设44 m Φ50铜绞线扩展接地网，最后将铜绞线埋入地下0.7～1.0 m的深处。

机架的防雷接地设计，为机架与上段的塔架、塔架与塔架、塔架与基础环之间采用螺栓进行连接，每2个部件的连接点之间再用铜导体进行等电位连接，然后接入接地装置。当雷电击中机架，雷电流则会通过塔筒和上述接地线流入大地。

针对机组接地系统的设计，利用直径在10 m以上的接地圆环作为接地体，将多台机组的接地圆环相互连接，每台机组的接地工频电阻满足不大于4 Ω的要求，接地体局部埋深不能低于1 m。接地装置主要有接地体和接地线，塔筒的底部要事先埋4根热镀锌接地扁铁，其中，位于塔筒门右侧的接近变频器的接地扁铁，用作变频器与箱变主电缆的接地，另外3根接地扁铁用于连接塔筒的基础段。此外，热镀锌扁铁使用前，要先进行除锈、除漆、除渣，然后均匀地涂抹上导电膏，作连接后，给接地扁铁刷上黄绿色相间的油漆。每年需要定期检测接地装置，检查有无线断裂、接点松动、锈蚀等现象，确保所有的接地系统都保持较好的状态。

4.2 风电场35 kV集电线路接地系统设计

风电场内的集电线路采用的是双回路的双线架空双地线，使用的线杆塔为铁塔和门型水泥杆。宁德市为多雷区，风电场建在沿海地区，盐雾大，土壤的电阻率也相对较高，考虑不增加防雷工程成本及施工难度，并确保接地网充分发挥其作用，需要结合现场实际情况和同类风电场防雷设计经验，系统设计线杆塔及线路的防雷接地。针对每个线杆塔均采用独立的正方形的地网作为接地装置（图2），规格为8 m×8 m，测量施工处的土壤电阻率，垂直接地极埋入地下的深度控制在8～14 m，然后结合土壤电阻率值确定不同位置的垂直接地极的埋深，保证所有的垂直接地体全部深入土壤电阻率值较低的海水浸透层。

同时，每个杆塔的接地装置由架空线的防雷接地线实现统一的连接。参考国际防雷标准IEC62305要求，每台风电机组的接地网应就近与杆塔的接地网进行连接，这样风电机组的接地网之间、杆塔的接地网之间及风电机组与杆塔的接地网之间即可全部连在一起，构成一个完整的风电场接地系统，确保接地网在雷电防护中发挥应有的效果。

图2 风电场塔杆的接地装置设计

5 结束语

宁德市为雷电天气多发区域，位于该市沿海山丘或海岛的风力发电机极易受到雷击危害，因此，做好风电机组防雷工程建设至关重要，尤其是防雷装置中接地系统的设计。通过合理优化设计风电机组的防雷接地系统，在满足IEC标准及国家和行业标准要求的基础上，结合风电机组现场实际实施有效的设计方案，既能降低工程成本，又能加快工程进度，且扩展性强，可实现后期简便处理接地体腐蚀问题，可靠性和实用性强，从而降低风电场遭受雷击概率，确保风力发电工作的正常开展。

参考文献

[1] 林秀芳，游立杭，文明章.1960—2007年福建省雷暴气候特征分析[J].安徽农业科学，2011，39（19）：11787-11789.

[2] 陈棋，罗勇水，刘伟江，等.风电机组防雷保护和接地设计[J].能源工程，2014（2）：37-40，51.