风力发电场防雷.doc

汕头南澳风力发电场雷电环境分析和防雷技术研究 陈青山 陈义旭 张树勇 （汕头市气象局 515041） 引言 广东省汕头市南澳县是广东省最大的海岛县，地理位置特殊，具有得天独厚的丰富风能资源，素有“风岛”之称。从1989年5月首次引进2台瑞典风力发电机以来，现已发展到132台风机，总装机容量5.44万千瓦，每年发电量1.4亿千瓦的规模，居我国风能电场第二位，在解决电力供应紧张和发展环保型、可再生能源方面起到重要示范作用。由于受亚热带气候影响，该区域雷电活动频繁，近15年来风电场共发生雷灾53宗，其中直击雷17宗，过电压损害36宗，造成风叶、触发板、保险器等大批设备损坏，直接经济损失超过千万元，停电停产间接损失也很严重。受A公司的委托，我们多次与国内防雷专家到现场进行认真勘察，为其提出防雷整改设计方案，现将该方案介绍如下： 1.气象、地理、土质等自然环境和风机布局 南澳岛地处台湾海峡西南端，由于台湾海峡的狭管效应，风力资源十分丰富，冬半年盛行东北风，夏半年盛行西南季风（1）。A公司电场位于南澳东半岛果老山，主峰海拔高度576m，该地域山峰连绵、山脊盘延、山谷深陡，年平均风速达10.1m/s，有效风速（3～20m/s）为89.8%,有效风能密度为1039(w/m2)，居世界风能之前列，岛上气候温和常年无霜，是理想的风能电场所。由于受亚热带的气候影响，强对流天气活跃，空气中长期相对湿度高达80%。由于高湿高温和强对流天气活跃，雷电活动频繁，年平均雷暴日数高达48.4天，属多雷区。土壤条件为含水量较低，土壤电阻率高且分布不均，山脊为2000～3000Ω· m，湿地为500～800Ω·m。地下有丰富的金属矿易引发雷击。风机主要按不同的山峰、风口分布，风机间距为150 m，排距为250 m，具体布局见图1所示 图1：风杆分布图 2.雷电活动情况 果老山是南澳岛的至高点，且处于水陆交界处，山腰长期云雾环绕，海拔576 m的山峰装上相对高度为60.1 m的电场风杆，风杆经常处于带丰富电荷量的雷云的底部，雷电闪击剧烈，特别是在春夏两季。根据闪电定位系统监测的数据分析，该山峰每年至少有2万次雷电对地闪击，且以正极性闪击为主（见图2）。近5年来，地闪强度大于50kA的雷电共有163次，超过100kA的雷电闪击共有31次，其中最强烈的一次闪击发生在2002年8月20日14时22分，在东经116.42°，北纬23.53°处，雷电强度高达275.4kA，共有四次回击，陡值为7.2kA/μs，闪电能量为384.3MJ,此次雷击共击坏4台风机风叶、35A保险器12个、MTA—2过电压保护器3个、补偿电容器、接触器2个、双向可控硅3个、触发板1块和TAC计算机2台，经济损失惨重。（如图3所示） 图2：2002.8.20南澳县雷电地闪分布图 图3：严重受损的控制主板 3.风能电场原有的防雷状况 3.1风杆的结构及使用原理 图4：风机结构图 风杆由风轮，变速箱，发电机自动控制系统，液压制动系统，偏航系统，管形塔架等组成，风杆总高度为60.1m，其中管塔高度41m，风轮高度为19.1m。当风速达到启动风速4.0m/s时，液压制动系统启动，360度自转偏航系统对准风向，风轮转动，带动发电机工作。当风速大于37m/s或小于4.0m/s时，风轮停转，发电机自动停机。发电时，电能通过机舱的690V电缆送到下部控制箱的电源系统（包括触发板、可挖硅、旁路开关、低压开关、电容器），再通过690V电缆送到箱式变压器，升压后送到110kV变电站并上省电网。风杆机舱上的各个控制器，传感器通过4条通讯电缆（共32条线）连接到下部控室箱的风杆控制系统，再通过光纤将信号送到中控制的计算机上进行监控，如图4所示。 3.2风能电场原有防雷情况 风杆风叶为非金属玻璃钢,未设任何接闪器进行直击雷防护,机舱上端设有一支高为80cm的避雷短针保护发电机，通过35 mm2金属软线与金属管塔基础环形人工地网可靠连接。机舱到控制箱的690V 主电缆金属屏蔽层，在管塔下端控制箱的外壳接地汇流点上做一端接地，且原已安装一级电源SPD。控制箱到箱式变压器的690V电缆屏蔽层只有一端接地，地下埋深仅25～40cm，有的地方还露出地面。从机舱上至控制箱的4条通讯电缆，共32条信号控制线，屏蔽层只有一端接地，入箱前未安装任何SPD。在控制箱内转换成为一端屏蔽层接地的光纤将信号传送到中控室的计算机进行信号监控。各风机基础接地电阻为4～25Ω不等。 4.防雷技术研究 4.1直击雷防护 由于风叶是非金属材料，顶端高达60.1m，且随风向360°转动。若设置独立针进行直击雷保护，针塔应设在离风机22.1m以上的水平距离，高度在82.2m以上，每个针塔在这种地方的投资高于110万元。如果按英国标准BS665