风电防雷系统存在的问题与解决措施

刘建青

山西龙源风力发电有限公司 山西太原 030006

风电场一般地处偏僻，开阔空旷，随着风电机组单机容量增大，轮毂高度和叶轮直径随之增加，雷击风险也不断身高。雷击已成为对风电场安全运行危害最大的一类自然灾害。如何避免风电场遭受雷击，发生跳闸故障或设备损坏，对运营和设备商都是重要课题，两者结合紧密。通过对山西区域多起雷击故障分析，从设计、设备、基建和运维各环节做改进，以提升风电综合防雷能力[1-2]。

1 风电防雷环境与雷击特点

1.1 风电场防雷环境

风电场主要分布在三北地区和沿海。经统计云、晋、冀等地风电雷害概率最高，闽、粤、辽等省雷害概率次之，宁、新、甘等地雷害概率最低。另据气象资料，我国日均雷电年变化有双峰值特点，第一峰值在4月中到5月中，雷电峰值较集中；第二峰值在6月底到8月，主峰值在7月中到8月中，主峰值量达第一峰值的2倍。

以山西神池和静乐地区两风电场为例，雷击多在6-9月雷雨季。其中2015-2017年，静乐A风电场集电线路雷击跳闸48次，损失电量近208万千瓦时；同期，神池B风电场集电线路雷击跳闸37次，损失电量近340万千瓦时。

1.2 风电雷击损坏特点

风电场雷击破坏主要形式有两类，一是集电线路和箱变因雷击导致跳闸和设备损坏，造成场内受累；二是机组受到雷击，设备损坏停运。据统计，每百台机组雷击量约10%，叶片、控制、发电机、轴承系统易受雷击损坏。

2 风电防雷现状

2.1 防雷系统组成

风电场升压站主控，一二次系统和线路防雷都按国家行业标准典型设计；机组防雷设计因国内外在技术和理解上的差异有所不同，总体是按防雷保护分区。机组防雷包括：外部保护系统，如接闪器等；内部保护系统，如电涌保护等。

2.2 防雷系统存在的问题

（1）机组防雷设计差异。接闪器在数量、分布、材料上差别较大。引下线须考虑导流能力、导线重量和热稳定性，尚无统一规范。雷电流引起的过电压，取决引下系统和接地电阻。风机厂家对地电阻值要求不一致。

（2）其他方面存在的问题。①设计选型不当。风电场设计初期，局地雷电气象资料不全，对雷害评估不足，设计雷电防护水平低，运行中超出设计所承的防护水平。机组防雷是由厂家设计，各厂家实际设计所依据标准和参数差别很大，又运行在各种不同的自然环境中，在设计制造期留下隐患。②接地电阻不良。接地良好是保证雷击中机组安全的重要条件。山地地质的土壤电阻率较高，按照一般电气设备接地方式设计的机组接地系统不能满足要求。若将所有机组接地网连接，工频接地电阻降低了，但冲击接地电阻并无改善，并且这种连接也难实现[3-4]。③避雷器性能不佳。复合外套金属氧化物避雷器主要由三部分组成：阀片、复合外套和固定部件，也是决定质量的关键因素。有厂家为降低成本，外套密封不良、使用劣质阀片、引线截面不足，严重影响避雷器功能。这类设备一旦遇到雷击自身率先击穿炸裂，起不到保护作用还会扩大事故。④防雷设备运维缺失。从安全检查看，对防雷设备的运检维是不足的。甚至在运行很长时间后发现机组的叶片防雷引线没有安装或断裂；有的在雷击后发现箱变避雷器的接地线接错。种种情况表明，风电场防雷还应结合现场实际，制定完善防雷设备检查、维护、评估管理。

3 风电场综合防雷建议与措施

改善风电场防雷状况，要从设计、制造、建设多环节入手，加强防雷设备的检查维护，形成一套风电场综合防雷体系。建议如下：（1）风电场选址，地质好的机组基础和低电阻率地网点是矛盾的。必须考虑各种因素，进行技经优化。在雷电高发区，适当提高雷电防护级别，最大程度发挥风电场防雷性能。在可研阶段做到地勘测试不同极距土壤视在电阻率，及季节系数建议值。注意年平均雷暴日或雷暴小时，参照规程的雷电等级，作为设计和设备采购的依据。（2）加强防雷接地基建管理，明确监理责任，全过程管理。接地导体会受到化学和电化学腐蚀，优先选用优良的防腐接地材料。在工程交接时要进行冲击接地电阻测试，最好解开各机组间的地网连接点再测量。土壤电阻率500Ω.m以上，土壤电阻率不均匀强雷电区，接地设计要重点审核，接地工程由专业企业执行[5]。（3）完善防雷设备检查、维护、评估，加强巡视。确保接地电阻年检和不合格接地电阻整改；加强对叶片避雷系统和引雷通道的检查；箱变高低压侧均可设计安装避雷器。对于多雷害风电场，应按冲击接地电阻要求评估，必要时改造接地网。如果采用架空线，应全线架设避雷线。雷电特别强烈应全线架设避雷器并考虑双避雷线，且耐受电流值应选择更高参数。（4）叶片磨损、开裂等未及时修理也易造成叶片受雷击，运行中应加强维保。吊装前，测量叶片引雷线连接电阻，确保引雷线正常；随着叶片长度增加，发生了雷击造成中部断裂，原因是击中了叶片中部引雷点，瞬间能量释放很大，强度不够，叶片直接折断。在采购中应关注叶片质量、强度和工艺。（5）风电场采用架空绝缘导线，在雷击闪络时易发生线路断线。神池某风场在进站段采用绝缘导线，多次出现雷击断线故障。而裸导线在雷击闪络时由于电动力作用，电弧向负荷端移动，不会造成导线局部过热熔断，因此绝缘架空导线可考虑特殊防雷设计。

4 结语

雷害是威胁风电安全生产和效益的严重问题。根据风电运行现状，应考虑各类因素的差别，建立完善符合当地特点的防雷规范和预案。在设计、采购、建设和运维等环节上注意改进，形成从机组、线路到升压站的综合防雷体系。