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1、1关于风力发电机组防雷与降低接地电阻的研究【摘要】 随着风力发电技术的日益成熟，风力发电技术对系统的可靠性、安全性的要求很高。以往，人们对风力发电系统的防雷、接地已成为电站可靠、安全运行的一个重要因素。文章针对频繁发生雷电损坏风力发电机组的现状进行了实质性的研究。通常，风电机组选点和设置在具备风力资源丰富的地区，多在海岸、丘陵、山脊等地区。而这些地区正是雷电多发区。安装时一般将风电机组设置在高于周围地区的制高点，并且远离其它高大物体，因此高大的风电机组吸引雷电的能力较强。同时，丘陵和山脊的土壤导电性能相对较差，因此，风电机组的接地是需要认真解决的问题。雷电的强大电流会毁坏风机叶片，雷电产生的强
2、烈电磁场会在整个风机设备线路中产生瞬时过电压。强大的雷电浪涌电流通过风力机的电路系统各种导线或电缆传播，使发电机、变压器、变频器等电气备和控制、通信、SCADA 等电子系统等灾难性损坏。并网风机当一台出现损坏后，能造成关联性灾害的连续发生，整个局部电网系统崩溃。雷电对大风电场中风电机组的运行形成巨大的挑战是显而易见的，雷害后要更换损坏的关键部件如叶片、发动机、变压器等其成本非常之高。在许多时候厂家无法保证雷电感应不会引起风力机系统的故障。更换部件的筹备时间和实施时间很长，进入风电场时间，还受气象条件的限制，有时要耽搁数周的时间。离岸和在边远地区设置的风机，运输物资及其困难，维修人员的开销会很大
3、，雷害的后果是运行设备2损失，能源生产停顿。但最大的损失是风电场停止运行时，运营商在故障期间的发电收入损失。因此，风电机组需要大容量，高可靠性的雷电浪涌保护措施。一：风电场风机的雷电防护及等电位接地分析1.1 风力发电机组雷击案例：2008 年 9 月云南大理某风电场 41 号风机(图 1),因雷电击中风力图 1发电机叶片后，出现了如下设备损坏情况:控制柜内 690V 电源 SPD 前端 63A 熔断器烧坏,信号控制器、光端机、升压变低压侧(690V)电源开关烧毁，金属氧化锌避雷器损坏，如图 2 所示：图二 氧化锌避雷器 690V 电源开关光端机信号控制器63A 熔断器 31.2 风力发电机组
4、综合防雷分析:风机发配电电气原理图如图 3 所示：当风机叶片接闪雷电时，雷电流 I 通过风机叶片分别经 I1 、I2、I3、I4 分流入地，其中大部分雷电流 I1经风机塔筒入地；雷电流 I2经发风机外壳接地线入地；I3 经风机电源输出端 d 侵入电源电缆，从升压变中性点 E 点入地；I4 从风机的信号控制端 x 端侵入信号电缆，流过塔筒内控制柜经接地汇集排从 F 点入地。雷电流侵入电源电缆及信号电缆经设备入地的过程中，将会损坏线路末端的设备，如升压变低压侧、电源开关、控制器等设备。同时，由于雷电流入地后产生的地电位抬升与光端机光纤远端的接地存在高达 100kV 以上的电位差，雷电流将击穿并烧毁
5、控制柜内的光端机。4E风机塔筒风机叶片（相当于避雷针）I=100kA升压变控制柜UPS PLC690V 35kV信号地接地汇集排I4II2I4d 端x 端I1电缆信号电缆发电机外壳接地线变压器中性点接地发电机690V电源电缆F35kV 架空线ABSPD1 SPD2 P1 P2P3I3地面SPD3I3风机塔筒风机叶片（相当于避雷针）I=100kA升压变控制柜UPS PLC690V 35kV信号地接地汇集排I4II2I4I3d 端x 端I1电缆信号电缆发电机外壳接地线地面变压器中性点 接地I3发电机690V电源电缆EF接地网35kV 架空线图 3要做到塔筒内电源设备及信号控制等设备免受雷击损坏，应
6、在如图 4 所示的塔筒内电源线及信号线分别安装电源电涌保护器(简称 SPD如,SPD1 和 SPD2)和信号电涌保护器(如 SPD3)，光端机光纤的金属加强芯及屏蔽层接地直接接地汇集排(建议采用无金属加强芯及屏蔽层的光纤)接地,使雷电流得以泄放入地,并实现等电位。同理，在变压器的高低压侧分别安装相应级别（35kV/690V）氧化锌避雷器(如 P2和 P1)。为防止雷电流从 35kV 架空线侵入变压器，在 35kV 架空线路的起始杆上安装一组氧化锌避雷器(如 P3)。塔筒接地、控制柜信号接地、SPD 接地及变压器中心点接地共用接地装置，当雷击风机叶片时，地网及塔筒底座瞬间抬升的地电位将通过 SP
7、D 加到电源线路、信号电缆及设备(如 PLC)端口，实现 PLC 电源线 A 端、信号线 B 端与接地端等电位。5图 41.3 风机防雷现状:1.3.1 电源电涌保护器经对多个风场的风机进行现场勘察发现：风机塔筒底部控制柜内安装安装两级电源防雷保护：有 690V 电源 SPD1（如图 5） ，UPS 输出220V 电源 SPD2（如图 6） ；升压变压器的低压侧(690V)安装有金属氧化锌避雷器 P1(如图 7)。但控制线没有安装信号 SPD。如图 8 所示：图 5 图 6图 76E风机塔筒风机叶片（相当于避雷针）I=100kA升压变控制柜UPS PLC690V 35kV信号地接地汇集排I4I
8、I2I4I3d 端x 端I1电缆信号电缆发电机外壳接地线变压器中性点接地发电机690V电源电缆F35kV 架空线ABSPD1 SPD2 P1 P2P3I3地面控制线图 8如上所述，当雷击风机叶片时，雷电流从信号电缆侵入并损坏控制柜的控制设备。在 PLC 控制线上应安装适配的信号 SPD。另外，图5 中 SPD 通流量太小，不符合规范要求；图 5 与图 6 中两级电源 SPD的安装不符合规范要求：SPD 的安装距离太短且没有退藕措施。1.3.2 控制柜的接地方式有些风机的控制柜接地汇集排（如图 9 中 F）接地引线没有与塔筒连接,而是通过绝缘胶皮电缆埋地引到升压变压器的中心点接地（如图 8 中
9、F-E） 。当雷击风机叶片时，雷电流入地后地网及塔筒基础地电位瞬间抬升为U=RI，设直击雷雷电流强度 I=100kA 并全部入地，塔筒接地网电阻值 R=4，则地电位抬升U= IR 7E风机塔筒风机叶片（相当于避雷针）I=100kA升压变控制柜UPS PLC690V 35kV信号地接地汇集排I4II2I4I3d 端x 端I1电缆信号电缆发电机外壳接地线变压器中性点接地发电机690V电源电缆F35kV 架空线ABSPD1 SPD2 P1P2P3地面=1004kV=400kV，此时塔筒的电位抬升为高电位；UPS 外壳、控制柜外壳、可编程控制器（PLC）外壳及信号接地等接至接地汇集排,通过变压器中性点
10、 E 点接地。塔筒与 E 点虽然共用接地装置，但两点由干经过较长的接地引线（如大于 10m）相连,其电位是不相等的，E 点的电位相对较低，此时可能会出现两种现象：塔筒抬升的高电位会对与低电位连接的设备及线路放电；大电流 I4从塔顶经发电机的信号控制端 x 端侵入信号电缆，流过塔筒内控制柜经接地汇集排从 E 点入地，如图 9 所示，控制柜内的设备损坏。图 88二：风电场风机的雷电防护及等电位接地整改方案2.1 电源部分整改方案：2.1.1 根据 GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范3.2 雷电防护区划分规定（如图 9）塔筒底部控制柜及升压变为第二防护区LPZ2，并与第一防护区
11、LPZ1 交界处，根据规范表 5.4.1-2 规定塔筒底控制柜内 690V 浪涌保护器应加装标称放电电流为（ 8/20s）40KA（如图10），但风机现有 690V 电源浪涌保护器标称放电电流为（8/20s）15KA（如图 11）所以不符合国家标准规范，塔筒底部控制柜 690V 电源控制开关应更换为 DK-690AC80/HA（见附件一及附件二）图 10图 9 图 11 92.1.2 根据 GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范5.4.1-5 规定限压型浪涌保护器之间的线度距离小于 5 米时，在两级浪涌保护器之间应加装退藕，故该风机的 690V 浪涌保护器与 UPS 浪涌保护器之间间距不足五米，应当在 UPS 的浪涌保护器的输入端加装 63A 退藕装置，型号：DK-63(见附件三)2.1.3 由于金属氧化锌避雷器的通流量小及残压大的避雷器并且超负荷后回引起爆炸，故根据国家标准的通流量以及参数设计应个选择 DK-690AC80/HA(技术参数见附件一及附件二)
