风力发电厂雷电风险评估(1)
日期：2010-11-24 21:02:15 点击：
来源：网络
作者： 未知
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风力发电是近年来新能源产业领域中最为活跃的产业，随着全球温室效应的日趋严重，低碳成为各国政府相继倡导的一项重要的环保理念；在全球碳交易（CDM）的背景下，我国的风电产业发展得到了快速的发展，在风电产业快速发展的同时，雷电（接地）对风力发电机组运行产生的影响逐步得到了业主和风电制造企业的重视。本文通过对多个风场运行信息和接地电阻的监测发现，在易遭受雷击的机组中，接地电阻和机位相对高度可以通过一种对比的方式筛选出来。
综合风场机组遭雷电的外部和内部影响因素进行雷击概率分析。旨在提供一种简便有效的判断方法，对风力发电机组遭雷击的概率进行初步的分析和预判。
1．风力发电机组自身的防雷系统
影响风力发电机组运行的因素很多，在雷击发生时，对于风力发电机组而言所受到的威胁可分为三种：
a、直击雷威胁
b、雷电电磁脉冲威胁
c、内部工艺产生的电位差造成的威胁
对于以上三种威胁前两种威胁较为清晰，而后一种比较模糊。实际上内部工艺产生的威胁主要是整机防雷系统的不完善。由于内部防雷系统不完善而造成的电涌保护器（SPD）无法实现能量配合、SPD选型不对，高挂低用、残压超过被保护设备的耐压值、SPD接地线过长、整机等电位系统对地阻抗不匹配等因素都是内部工艺不完善可能造成设备损坏的主要原因。
2．影响风力发电机组遭雷击的内外部因素
影响风力发电机组遭雷击的外部因素主要分为自然条件因素和人为条件因素；自然条件因素不难理解，主要指风力发电机组所处的地理位置，海拔、地质条件、雷暴活动特点；而人为因素则重点是风力发电机组的接地系统，风力发电机组的接地系统对于风力发电机组的由于风力发电机组在高接地电阻下运行，可能产生的后果就是地电位的飘移，而潜在的隐患就是增加雷击风险。
2.1 接地电阻与风力发电机组的雷击风险关系
风力发电机组是否会遭到雷击IEC62305给出了模拟计算公式，按照该公式的关系可以得出风力发电机组遭雷击的概率、按照现在MW机组平均高度在90M以上计算，其雷击概率为每10年遭受3次雷击，这组数据关系中没有引入雷暴地区的雷暴密度和接地电阻和机组所在地海拔高度的因素。
图2中对某风场的41台机组的接地电阻进行了测试，从接地电阻的分布上可以看出近一半机组的接地电阻超过5欧姆，如按照设计接地电阻Ω计算则全厂近一半以上的机组持续运行在高接地电阻的状态下，对于高接地电阻带来的地电位漂移对机组的运行有着严重的影响。另一方面，由于接地电阻过高，导致SPD通流后形成较高的残压泄放不掉，因地电位反击导致设备损坏的事故屡见不鲜。
2.2 机组相对高度与雷击的关系
通过图1我们了解到机组越高遭雷击的概率越高，同时机组越高造成大气的等电位分布畸形越大。在正常的大气电场下，由于空气对流及空气导电杂质的分布较为平均，所以静电场在常态的表现为平均的等电位分布线（静电场等电位线）。在风机的周围，静电场等电位线发生畸变，导致在风机顶端形成密集电荷区，这种电荷区正电荷的密度高于周围电荷的密度。所以，也是容易形成上行先导的重要原因，而当机组的相对高度增加时，这种静电场的畸变也会更强，图3中显示了高度和水平静电场畸变的关系，图4显示了该风场中全部机组的相对高度分布，通过图4可以看出，全场机组中有46％的机组高度超出平均相对高度25，而高度越高则雷击风险越高。
2.3 机组所处的气象条件与雷击的关系
结合以上两点，可以说明在高山上的机组比平原机组遭雷击的概率要高，接地电阻高的机位比接地电阻低的机位遭雷击的概率高，那么如果这两个条件一致的情况下什么对机组遭雷击的概率会有较大的影响？当然是气象条件，图5是该风场所处地区12年来的雷暴活动分布，通过该图不难发现：从第1个观测年份开始到最后一个观测年份，12年间该地区的雷暴活动呈下降趋势，雷暴活动趋势的下降直接意味着雷击密度的降低；
而通过图6可以看出以12年为蓝本下该地区年雷暴活动的月平均分布情况，可以看出该地区的雷暴活动活跃期从每年的6月份到9月份的4个月间，这4个月间的平均雷暴密度为9.9次，反映出在雷雨季节应加强对机组的防雷检查。
2.4 整机工艺与机组遭雷击后的关系
风力发电机组的特点是整机全部由大部件的钢构材料组成，如塔筒、发电机、齿轮箱、轴承等，当、机组遭到直击雷时，整机电位瞬态抬升，雷电流通过叶片变桨轴承、轮毅、主轴到偏航齿轮、塔筒、基础环向大地泄放电荷，这时作为整机参考地面积最大的塔筒上将产生几千伏甚至上万伏的瞬态电压，如果整机中某部分的等电位工艺所采用接地线的阻抗不一致，则有可能造成阻抗较低端因高电位反击击穿造成设备损坏；另一方面，SPD的选型不当可能造成B级SPD未启动，C级SPD损坏无法起到保护目标设备的作用，而由于C级SPD的损坏目标设备失去保护而造成设备的最终损坏。
3．机组各种因素整合后的雷击概率
通过对以上影响机组遭雷击的因子的整理，不难发现一个特点：就是风机的高度、接地电阻与该地一区的雷暴活动直接影响着该机组遭雷击的概率，通过对以上条件的整合，可以看出，接地电阻越高，机组遭雷击的概率越高，如图70。
如图，红色包络线为雷击概率的分割线。图中反映出接地电阻较高的机位其相对高度较高，这也说明了在相对高度较高的高山条件下，其土壤电阻率必然超过一般土质条件，其土壤电阻率必然较高，而高土壤电阻率的接地降阻是十分困难的。如较高的接地电阻同时叠加了较高的相对机位高度，使24#25#机组成为高雷击风险的机位；该风场24#25#机位位于山顶，平均土壤电阻率均超过3000ΩM要求接地电阻降低到4Ω是较为困难的工程问题；同时，由于防雷公司采用的技术工艺没有恰当的采取与当地地质条件相适应保水的措施，在接地施工完成后，很可能因失水性地质条件使土壤失水而导致接地电阻的抬升。
4．结束语
本文没有对单台机组的雷击概率做雷击风险评估，笔者认为按照相关标准中规定的雷击风险评估程序过于繁琐，不利于直观的对风场中易遭雷击机组的判断，而通过对综合环境和人为因素的因子整合可以直观的分析出风场雷击风险最高的机位，而对于现场运维人员可根据实际分析的结果对高威胁机组的防雷设备、等电位工艺和接地电阻做特殊检查和维护，减少该机位的雷击风险程度。
由于笔者经验有限，且风场的各种外部因素截然不同，所以这种判断方法还不能满足所有实际的情况，只能作为风场建设和降低雷击隐患的一种参考方式，如有不足之处，望批评指正。
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风力发电是近年来新能源产业领域中最为活跃的产业，随着全球温室效应的日趋严重，低碳成为各国政府相继倡导的一项重要的环保理念；在全球碳交易（CDM）的背景下，我国的风电产业发展得到了快速的发展，在风电产业快速发展的同时，雷电（接地）对风力发电机组运行产生的影响逐步得到了业主和风电制造企业的重视。本文通过对多个风场运行信息和接地电阻的监测发现，在易遭受雷击的机组中，接地电阻和机位相对高度可以通过一种对比的方式筛选出来。
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综合风场机组遭雷电的外部和内部影响因素进行雷击概率分析。旨在提供一种简便有效的判断方法，对风力发电机组遭雷击的概率进行初步的分析和预判。
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1．风力发电机组自身的防雷系统
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影响风力发电机组运行的因素很多，在雷击发生时，对于风力发电机组而言所受到的威胁可分为三种：
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a、直击雷威胁
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b、雷电电磁脉冲威胁
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c、内部工艺产生的电位差造成的威胁
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对于以上三种威胁前两种威胁较为清晰，而后一种比较模糊。实际上内部工艺产生的威胁主要是整机防雷系统的不完善。由于内部防雷系统不完善而造成的电涌保护器（SPD）无法实现能量配合、SPD选型不对，高挂低用、残压超过被保护设备的耐压值、SPD接地线过长、整机等电位系统对地阻抗不匹配等因素都是内部工艺不完善可能造成设备损坏的主要原因。
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2．影响风力发电机组遭雷击的内外部因素
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影响风力发电机组遭雷击的外部因素主要分为自然条件因素和人为条件因素；自然条件因素不难理解，主要指风力发电机组所处的地理位置，海拔、地质条件、雷暴活动特点；而人为因素则重点是风力发电机组的接地系统，风力发电机组的接地系统对于风力发电机组的由于风力发电机组在高接地电阻下运行，可能产生的后果就是地电位的飘移，而潜在的隐患就是增加雷击风险。
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2.1 接地电阻与风力发电机组的雷击风险关系
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风力发电机组是否会遭到雷击IEC62305给出了模拟计算公式，按照该公式的关系可以得出风力发电机组遭雷击的概率、按照现在MW机组平均高度在90M以上计算，其雷击概率为每10年遭受3次雷击，这组数据关系中没有引入雷暴地区的雷暴密度和接地电阻和机组所在地海拔高度的因素。
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图2中对某风场的41台机组的接地电阻进行了测试，从接地电阻的分布上可以看出近一半机组的接地电阻超过5欧姆，如按照设计接地电阻Ω计算则全厂近一半以上的机组持续运行在高接地电阻的状态下，对于高接地电阻带来的地电位漂移对机组的运行有着严重的影响。另一方面，由于接地电阻过高，导致SPD通流后形成较高的残压泄放不掉，因地电位反击导致设备损坏的事故屡见不鲜。
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2.2 机组相对高度与雷击的关系
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通过图1我们了解到机组越高遭雷击的概率越高，同时机组越高造成大气的等电位分布畸形越大。在正常的大气电场下，由于空气对流及空气导电杂质的分布较为平均，所以静电场在常态的表现为平均的等电位分布线（静电场等电位线）。在风机的周围，静电场等电位线发生畸变，导致在风机顶端形成密集电荷区，这种电荷区正电荷的密度高于周围电荷的密度。所以，也是容易形成上行先导的重要原因，而当机组的相对高度增加时，这种静电场的畸变也会更强，图3中显示了高度和水平静电场畸变的关系，图4显示了该风场中全部机组的相对高度分布，通过图4可以看出，全场机组中有46％的机组高度超出平均相对高度25，而高度越高则雷击风险越高。
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2.3 机组所处的气象条件与雷击的关系
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结合以上两点，可以说明在高山上的机组比平原机组遭雷击的概率要高，接地电阻高的机位比接地电阻低的机位遭雷击的概率高，那么如果这两个条件一致的情况下什么对机组遭雷击的概率会有较大的影响？当然是气象条件，图5是该风场所处地区12年来的雷暴活动分布，通过该图不难发现：从第1个观测年份开始到最后一个观测年份，12年间该地区的雷暴活动呈下降趋势，雷暴活动趋势的下降直接意味着雷击密度的降低；
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而通过图6可以看出以12年为蓝本下该地区年雷暴活动的月平均分布情况，可以看出该地区的雷暴活动活跃期从每年的6月份到9月份的4个月间，这4个月间的平均雷暴密度为9.9次，反映出在雷雨季节应加强对机组的防雷检查。
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2.4 整机工艺与机组遭雷击后的关系
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3．机组各种因素整合后的雷击概率
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通过对以上影响机组遭雷击的因子的整理，不难发现一个特点：就是风机的高度、接地电阻与该地一区的雷暴活动直接影响着该机组遭雷击的概率，通过对以上条件的整合，可以看出，接地电阻越高，机组遭雷击的概率越高，如图70。
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如图，红色包络线为雷击概率的分割线。图中反映出接地电阻较高的机位其相对高度较高，这也说明了在相对高度较高的高山条件下，其土壤电阻率必然超过一般土质条件，其土壤电阻率必然较高，而高土壤电阻率的接地降阻是十分困难的。如较高的接地电阻同时叠加了较高的相对机位高度，使24#25#机组成为高雷击风险的机位；该风场24#25#机位位于山顶，平均土壤电阻率均超过3000ΩM要求接地电阻降低到4Ω是较为困难的工程问题；同时，由于防雷公司采用的技术工艺没有恰当的采取与当地地质条件相适应保水的措施，在接地施工完成后，很可能因失水性地质条件使土壤失水而导致接地电阻的抬升。
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4．结束语
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