新能源發(fā)電系統(tǒng)中的雷電防護(hù)策略

摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了新能源發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)需求，分析了其中存在的問(wèn)題，如技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待完善、防雷設(shè)計(jì)存在結(jié)構(gòu)性缺陷、智能化監(jiān)測(cè)手段落后、系統(tǒng)集成與協(xié)同防護(hù)不足。圍繞強(qiáng)制規(guī)范與激勵(lì)約束、模塊化防雷與定制化降阻、智能電涌保護(hù)器與數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)技術(shù)、全鏈路電磁兼容設(shè)計(jì)等維度，探討相應(yīng)的對(duì)策。

關(guān)鍵詞：新能源；發(fā)電系統(tǒng)；雷電防護(hù)；防雷設(shè)計(jì)；智能化監(jiān)測(cè)

新能源發(fā)電系統(tǒng)不管是遭遇直接雷擊，還是遭到感應(yīng)雷擊，都會(huì)受到損傷，輕則影響發(fā)電效率和增加運(yùn)維成本，重則導(dǎo)致設(shè)備損壞、區(qū)域性停電乃至重大安全事故。隨著新能源發(fā)電項(xiàng)目的數(shù)量持續(xù)增加以及規(guī)模不斷提高，新能源發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)自然受到了廣泛關(guān)注。

一、新能源發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)需求

新能源發(fā)電系統(tǒng)多布設(shè)于開(kāi)闊、高海拔、偏遠(yuǎn)山區(qū)等雷擊高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)該系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度高且對(duì)系統(tǒng)安全性與電氣連續(xù)性要求極高，故而其有著較高的雷電防護(hù)需求。直接雷擊直接擊中新能源發(fā)電系統(tǒng)中的光伏板、風(fēng)機(jī)葉片、桿塔等設(shè)備的話，可能會(huì)直接導(dǎo)致設(shè)備變形、擊穿和燒毀，嚴(yán)重時(shí)還可能引發(fā)火災(zāi)。而且風(fēng)電塔筒、光伏支架等金屬結(jié)構(gòu)存在接地不良問(wèn)題的話，可能導(dǎo)致設(shè)備部件被雷擊時(shí)所產(chǎn)生的高溫弧光融化。感應(yīng)雷擊則會(huì)通過(guò)線路或空間耦合，在新能源發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)、傳感器、通信設(shè)備等之中產(chǎn)生過(guò)電壓，進(jìn)而造成電路板燒毀、數(shù)據(jù)丟失、誤動(dòng)作等問(wèn)題，嚴(yán)重影響發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行。尤其是光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流高壓線路，更易被感應(yīng)過(guò)電壓影響，進(jìn)而導(dǎo)致逆變器損壞。雷擊還可能導(dǎo)致新能源發(fā)電系統(tǒng)突然斷電或電壓波動(dòng)，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還可能造成區(qū)域性停電。輕微雷擊還可能造成光伏板隱裂、光伏板透光率下降、風(fēng)機(jī)軸承磨損加劇等不會(huì)直接造成破壞的損傷，但是長(zhǎng)期積累后會(huì)造成長(zhǎng)期性能衰減，發(fā)電效率降低，相應(yīng)的運(yùn)維成本增多。

二、當(dāng)前新能源發(fā)電系統(tǒng)中的雷電防護(hù)不足

（一）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待完善

新能源發(fā)電系統(tǒng)類型多樣，常見(jiàn)的有風(fēng)電系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)等。目前新能源發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)并不完善，存在一些不可忽視的問(wèn)題。譬如風(fēng)電機(jī)組防雷標(biāo)準(zhǔn)受限于高海拔、強(qiáng)風(fēng)等惡劣環(huán)境有著較大的實(shí)施難度；光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流電涌保護(hù)器選型欠缺專門標(biāo)準(zhǔn)而導(dǎo)致實(shí)踐中存在適配性差、選型混亂等問(wèn)題。

（二）防雷設(shè)計(jì)存在結(jié)構(gòu)性缺陷

目前新能源發(fā)電系統(tǒng)的防雷結(jié)構(gòu)存在一些結(jié)構(gòu)性缺陷，導(dǎo)致雷電防護(hù)效果較差。不少風(fēng)電系統(tǒng)中的傳統(tǒng)直驅(qū)風(fēng)機(jī)依賴軸承作為雷電流泄放通道，自然較易出現(xiàn)軸承因?yàn)槔讚舳茻?、損壞的情況，會(huì)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成不小影響，相應(yīng)的停機(jī)維修成本有所增加。部分光伏發(fā)電系統(tǒng)的電站沒(méi)有因地制宜地進(jìn)行雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，防雷方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施中存在接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)粗糙、接地線截面偏小、接地線焊接質(zhì)量差等問(wèn)題，導(dǎo)致防雷效果較差，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備以及人員安全有不小威脅。

（三）智能化監(jiān)測(cè)手段落后

隨著現(xiàn)代智能技術(shù)的不斷發(fā)展，新能源發(fā)電系統(tǒng)也逐步朝著智能化方向發(fā)展。然而當(dāng)前新能源發(fā)電系統(tǒng)的智能化監(jiān)測(cè)手段較為落后，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電危害的動(dòng)態(tài)、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，不利于系統(tǒng)雷電防護(hù)的落實(shí)與優(yōu)化。不少風(fēng)電系統(tǒng)依舊采用人工讀取雷電峰值記錄卡的方式獲取雷電信息，不能對(duì)雷擊點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，也不能記錄多次雷擊數(shù)據(jù)，自然不利于基于雷擊數(shù)據(jù)的系統(tǒng)預(yù)測(cè)性維護(hù)。不少光伏發(fā)電系統(tǒng)中的傳統(tǒng)電涌保護(hù)器缺乏狀態(tài)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)功能，而且其失效后不能遠(yuǎn)程報(bào)警，容易出現(xiàn)電涌保護(hù)器失效后引發(fā)的非計(jì)劃停機(jī)問(wèn)題。

（四）系統(tǒng)集成與協(xié)同防護(hù)不足

當(dāng)前新能源發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)集成與協(xié)同防護(hù)有所不足，一方面體現(xiàn)為控制系統(tǒng)薄弱，即風(fēng)電系統(tǒng)雷電防護(hù)主要集中于槳葉或外部結(jié)構(gòu)，逆變器、電池管理系統(tǒng)等關(guān)鍵部位的電磁脈沖防護(hù)較為薄弱；另一方面體現(xiàn)為多級(jí)電涌保護(hù)器配合混亂，不同等級(jí)電涌保護(hù)器之間能量配合不明確，塔筒內(nèi)信號(hào)線和電源線的屏蔽接地方法不統(tǒng)一，嚴(yán)重影響雷電防護(hù)實(shí)效。

三、新能源發(fā)電系統(tǒng)中的雷電防護(hù)策略

（一）持續(xù)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)范與激勵(lì)約束

為了提升新能源發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)水平，需從標(biāo)準(zhǔn)與政策維度持續(xù)進(jìn)行強(qiáng)制規(guī)范與激勵(lì)約束，逐步統(tǒng)一和規(guī)范防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。以國(guó)家出臺(tái)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與政策為基準(zhǔn)，包括《光伏發(fā)電站防雷技術(shù)要求》（GB/T 32512-2016）、《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組—防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 36490-2018）、《風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng) 雷電防護(hù)》（GB/T 33629-2024）等。電網(wǎng)公司和設(shè)計(jì)院則要在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與政策指導(dǎo)下，合理制定完善防雷設(shè)計(jì)前置審批機(jī)制，將防雷方案納入新能源項(xiàng)目并網(wǎng)驗(yàn)收的“一票否決項(xiàng)”，而且未通過(guò)雷電評(píng)估報(bào)告的項(xiàng)目不予并網(wǎng)。國(guó)家財(cái)政部與開(kāi)發(fā)商則要推進(jìn)成本分?jǐn)倷C(jī)制的建設(shè)，對(duì)采用智能防雷系統(tǒng)的項(xiàng)目給予綠證額外補(bǔ)貼以推動(dòng)技術(shù)升級(jí)。

（二）積極推進(jìn)模塊化防雷與定制化降阻

針對(duì)新能源發(fā)電系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)缺陷，可通過(guò)推進(jìn)模塊化防雷與定制化降阻的策略加以改善。風(fēng)電系統(tǒng)中，可采取軸承隔離與冗余泄放通道相結(jié)合的策略進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，尤其要確保主軸軸承加裝碳刷并和金屬氧化物避雷器并聯(lián)，確保雷電流能優(yōu)先通過(guò)金屬氧化物壓敏電阻泄放，從而避免軸承電弧因?yàn)槔讚舳苽?。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，可設(shè)計(jì)三級(jí)電涌保護(hù)器與熔斷器相結(jié)合的直流側(cè)防護(hù)策略，配置組件、匯流箱和逆變器三級(jí)電涌保護(hù)器，并且每級(jí)均配置熔斷器與直流斷路器，可有效防止電涌保護(hù)器短路而引發(fā)火災(zāi)。高土壤電阻率區(qū)域，還可采取柔性接地網(wǎng)與電解離子接地極的策略，將銅覆鋼絞線放射形接地網(wǎng)，配合長(zhǎng)效電解離子接地棒，可將接地電阻降到5Ω以下。

（三）大力發(fā)展智能電涌保護(hù)器與數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)技術(shù)

大力發(fā)展智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)，能為新能源發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)提供實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的防雷數(shù)據(jù)。在新能源發(fā)電系統(tǒng)中配置智能電涌保護(hù)器模塊，模塊內(nèi)置LoRa/NB-IoT芯片，可對(duì)漏電流、溫度與動(dòng)作次數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且壽命到期自動(dòng)報(bào)警，以免引發(fā)非計(jì)劃性停機(jī)。在風(fēng)機(jī)或光伏陣列中安裝磁場(chǎng)傳感器陣列，結(jié)合GPS時(shí)間同步，可有效定位雷擊點(diǎn)并可視化呈現(xiàn)。開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生平臺(tái)，基于雷電密度數(shù)據(jù)構(gòu)建三維防雷模型，從而預(yù)測(cè)雷擊風(fēng)險(xiǎn)和模擬防護(hù)效果，優(yōu)化接閃器布局。

（四）加強(qiáng)全鏈路電磁兼容設(shè)計(jì)

新能源發(fā)電系統(tǒng)加強(qiáng)系統(tǒng)集成與協(xié)同防護(hù)，能切實(shí)提升雷電防護(hù)水平。在風(fēng)機(jī)主控柜、光伏逆變器中安裝信號(hào)電涌保護(hù)器，使用雙層屏蔽電纜進(jìn)行屏蔽層360°環(huán)接，另外再統(tǒng)一采用等電位接地網(wǎng)進(jìn)行接地處理，通過(guò)能量自動(dòng)配合技術(shù)確保各級(jí)電涌保護(hù)器動(dòng)作電壓差不超過(guò)200V，能有效強(qiáng)化整個(gè)系統(tǒng)的雷電防護(hù)能力。另外還要落實(shí)雷雨季前的機(jī)組抽檢、便攜式直流電涌保護(hù)器備件、運(yùn)維人員認(rèn)證等機(jī)制的構(gòu)建與執(zhí)行，進(jìn)一步強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)維保護(hù)能力。

結(jié)束語(yǔ)：

新能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行與發(fā)展需要以強(qiáng)化雷電防護(hù)為重點(diǎn)，合理采取各種措施提升雷電防護(hù)水平十分重要?？深A(yù)見(jiàn)的是，隨著新能源事業(yè)的持續(xù)發(fā)展，相應(yīng)的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備、技術(shù)將逐步完善，進(jìn)而為新能源事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展以及電網(wǎng)事業(yè)的安全穩(wěn)定發(fā)展提供有力支撐。