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1、风电场电气系统风电场电气系统制作人：制作人：朱永强朱永强, , 田军田军华北电力大学华北电力大学风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7 7 风电场的防雷和接地风电场的防雷和接地 v7.1 7.1 雷电的产生机理、危害及防护雷电的产生机理、危害及防护v7.2 7.2 接地的原理、意义及措施接地的原理、意义及措施v7.3 7.3 大型风力机的防雷保护大型风力机的防雷保护v7.4 7.4 集电线路的防雷与接地集电线路的防雷与接地v7.5 7.5 升压变电站的防雷与接地升压变电站的防雷与接地2风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.1 雷电的产生机理、危害及防护雷电的产生机理、
2、危害及防护7.1.1 雷电的产生机理雷电的产生机理雷电雷电是雷云间或雷云与地面物体间的是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象放电现象。电位差可达数兆伏甚至数十兆伏，放电电流几十千安甚至几电位差可达数兆伏甚至数十兆伏，放电电流几十千安甚至几百千安。经验表明，对地放电的百千安。经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷雷云绝大部分带负电荷，所，所以雷电流的极性也为负的。以雷电流的极性也为负的。雷电的类型雷电的类型直击雷直击雷：雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电。：雷云直接对建筑物或地面上的其他物体放电。感应雷感应雷：包括静电感应雷和电磁感应雷。：包括静电感应雷和电磁感应雷。球形雷球形雷：是一种球形
3、的发红光或极亮白光的火球。：是一种球形的发红光或极亮白光的火球。3风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地直击雷直击雷：雷云放电时，雷电流可达几百千安。通过被雷击物：雷云放电时，雷电流可达几百千安。通过被雷击物体时，产生大量的热量，使物体燃烧。体时，产生大量的热量，使物体燃烧。感应雷感应雷：雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电：雷电感应是雷电的第二次作用，即雷电流产生的电磁效应和静电效应作用。磁效应和静电效应作用。 在雷云向其他地方放电后，云与大地之间的电场突然消失，在雷云向其他地方放电后，云与大地之间的电场突然消失，但建筑物的顶部或架空线路上的电荷不能很快泄入大地，但建筑物的
4、顶部或架空线路上的电荷不能很快泄入大地，残留的大量电荷相互排斥而产生强大的能量使建筑物震裂。残留的大量电荷相互排斥而产生强大的能量使建筑物震裂。同时，残留电荷形成的高电位，往往造成屋内电线、金属同时，残留电荷形成的高电位，往往造成屋内电线、金属管道和大型金属设备放电，击穿电气绝缘层或引起火灾、管道和大型金属设备放电，击穿电气绝缘层或引起火灾、爆炸。爆炸。7.1.2 雷电的危害雷电的危害4风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地避雷针避雷针：由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。：由接闪器、支持构架、引下线和接地体四部分构成。原理原理：使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变，致使
5、雷：使雷云先导放电通道所产生的电场发生畸变，致使雷云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。云中的电荷被吸引到避雷针，并安全泄放入地。避雷线避雷线：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、：由悬挂在被保护物上空的镀锌钢绞线（接闪器）、接地引下线和接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和接地引下线和接地体组成。主要用于输电线路、发电厂和变电站的防雷保护。变电站的防雷保护。原理原理：与避雷针基本相同，但对电场畸变的影响比避雷针小。：与避雷针基本相同，但对电场畸变的影响比避雷针小。避雷器避雷器：用来限制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起：用来限制沿线路侵入的雷电过电压（或因操作引起的内过电压）的
6、一种保护设备。的内过电压）的一种保护设备。原理原理：实质上是一种放电器，把它与被保护设备并联，并在：实质上是一种放电器，把它与被保护设备并联，并在被保护设备的电源侧。被保护设备的电源侧。7.1.3 雷电的一般防护雷电的一般防护5风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地避雷带避雷带和和避雷网避雷网：在建筑物最可能遭到雷击的地方采用镀锌：在建筑物最可能遭到雷击的地方采用镀锌扁钢或镀锌圆钢，并通过接地引下线与埋入地中的接地体扁钢或镀锌圆钢，并通过接地引下线与埋入地中的接地体相连构成避雷带，再由避雷带构成的避雷网。相连构成避雷带，再由避雷带构成的避雷网。原理原理：避雷带、避雷网与避雷针及避雷线
7、一样可用于直击雷：避雷带、避雷网与避雷针及避雷线一样可用于直击雷防护。防护。接地装置接地装置：对地保持一个低的电位差，埋入地中并直接与大：对地保持一个低的电位差，埋入地中并直接与大地接触的金属导体。地接触的金属导体。作用作用：使雷电流顺利入地，减小雷电流通过时的电位升高。：使雷电流顺利入地，减小雷电流通过时的电位升高。7.1.3 雷电的一般防护雷电的一般防护6风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.2 接地的原理、意义及措施接地的原理、意义及措施7.2.1 接地基本概念接地基本概念v接地接地：在电力系统中，接地通常指的是接大地，即将电力：在电力系统中，接地通常指的是接大地，即将电力
8、系统或设备的某一金属部分经金属接地线连接到接地电极系统或设备的某一金属部分经金属接地线连接到接地电极上。上。v电力系统中的接地电力系统中的接地：通常是指中性点或相线上某点的金属：通常是指中性点或相线上某点的金属部分。部分。v电气设备的接地电气设备的接地：通常情况下是指不带电的金属导体（一：通常情况下是指不带电的金属导体（一般为金属外壳或底座）。般为金属外壳或底座）。v非电气设备的导体接地非电气设备的导体接地：如风管、输油管及建筑物的金属：如风管、输油管及建筑物的金属构件经金属接地线与接地电极相连接。构件经金属接地线与接地电极相连接。7风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v接地电阻接
9、地电阻：即接地装置对：即接地装置对地电压与入地电流之比。地电压与入地电流之比。它包括接地线、接地体的它包括接地线、接地体的电阻以及接地体与土壤间电阻以及接地体与土壤间的过渡电阻和大地的散流的过渡电阻和大地的散流电阻。前两者较小，可忽电阻。前两者较小，可忽略不计，主要是大地的散略不计，主要是大地的散流电阻。故接地电阻与土流电阻。故接地电阻与土壤的电阻率壤的电阻率成正比，与接成正比，与接地体的半径成反比。设接地体的半径成反比。设接地装置（接地体）为一半地装置（接地体）为一半径为的半球体，并认为接径为的半球体，并认为接地体周围土质均匀。地体周围土质均匀。7.2.1 接地基本概念接地基本概念图7-5
10、接地装置对地电位分布曲线Uk接触电位差；Ukb跨步电位差8风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v接触电压：即当电气设备绝缘损坏外壳带电时，有可能施加于人体的电压。为保证人身安全（50V）。v跨步电压：未触及该设备，但由于人在跨步过程中，两只脚所处的位置不同所产生的电压。同样不允许超过安全电压（50V）。7.2.1 接地基本概念接地基本概念 称为接触电压； 称为跨步电压； 为带电的设备外壳电压； 为前脚电位； 为后脚电位。9风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v工频接地电阻：对电力系统中的工作接地和保护接地，接地电阻是指工频交流（或直流）电流流过接地装置时所呈现的电阻。v
11、冲击电阻：峰值电压与峰值电流之比。v接地体上最大电压出现的时刻，不一定是最大电流出现的时刻。工程上通常是测量工频（或直流）接地电阻，并用冲击系数来表示冲击接地电阻与工频接地电阻的关系，即：7.2.1 接地基本概念接地基本概念10风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v冲击系数 ：一般用实验方法求得，在缺乏准确数据时，对集中的人工接地体或自然接地体的冲击系数，也可按下式计算： 式中：I为冲击电流幅值，kA；为土壤电阻率，km；l为垂直接地体或水平接地体长度，或环形闭合接地体的直径，或方形闭合接地体的边长，m；及m为与接地体形状有关的系数，对垂直接地体=0.9，m=0.8，对水平及闭合接
12、地体=2.2，m=0.9。 7.2.1 接地基本概念接地基本概念11风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地7.2.2 接地的意义接地的意义功能性接地功能性接地工作接地逻辑接地信号接地屏蔽接地保护性接地保护性接地保护接地防雷接地防静电接地防电腐蚀接地12风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1 1工作接地工作接地v为保证电力系统的正常运行，在电力系统的适当地点进行的接地，称为工作接地。在交流系统中，适当的接地点一般为电气设备，例如变压器的中性点；在直流系统中还包括相线接地。v2 2逻辑接地逻辑接地v电子设备为了获得稳定的参考电位，将电子设备中的适当金属部件，如金属底座等作为
13、参考零电位，把需要获得零电位的电子器件接于该金属部件上，如金属底座等，这种接地称为逻辑接地。该基准电位不一定与大地相连接，所以它不一定是大地的零电位。7.2.2.1 功能性接地功能性接地13风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v3 3信号接地信号接地v为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地，称为信号接地。v4 4屏蔽接地屏蔽接地v将设备的金属外壳或金属网接地，以保护金属壳内或金属网内的电子设备不受外部的电磁干扰；或者使金属壳内或金属网内的电子设备不对外部电子设备引起干扰。这种接地称为屏蔽接地。法拉第笼就是最好的屏蔽设备。7.2.2.1 功能性接地功能性接地14风电场电气系统风电场
14、电气系统防雷与接地防雷与接地v1 1保护接地保护接地v为防止电气设备绝缘损坏而使人身遭受触电危险，将于电气设备绝缘的金属外壳或构架与接地极做良好的连接，称为保护接地。接低压保护线（PE线）或保护中性线（PEN线），也称为保护接地。停电检修时所采取的临时接地，也属于保护接地。v2 2防雷接地防雷接地v将雷电流导入大地，防止雷电伤人和财产受到损失而采用的接地，称为防雷接地。7.2.2.2 保护性接地保护性接地15风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v3 3防静电接地防静电接地v将静电荷引入大地，防止由于静电积累对人体和设备受到损伤的接地，称为防静电接地。而油罐汽车后面拖地的铁链子也属于
15、防静电接地。v4 4防电腐蚀接地防电腐蚀接地v在地下埋设金属体作为牺牲阳极以达到保护与之连接的金属体，如输油金属管道等，称为防电蚀接地。牺牲阳极保护阴极的称为阴极保护。7.2.2.2 保护性接地保护性接地16风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v1）电气设备及设施宜接地或接中性线，并做到因地制宜，安全可靠，经济合理。v2）不同用途和不同电压的电气设备，除另有规定者外，应使用一个总的接地系统，接地电阻应符合其中最小值的要求。v3）接地装置应充分利用直接埋入水下和土壤中的各种自然接地体接地，并校验其热稳定。v4）当电站接地电阻难以满足运行要求时，可根据技术经济比较，因地制宜地采用水下接
16、地、引外接地、深埋接地等接地方式，并加以分流、均压和隔离等措施。7.2.3 接地的一般要求接地的一般要求7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求17风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v5）接地设计应考虑土壤干燥或冻结等季节变化的影响，接地电阻在四季中均应符合设计值的要求。防雷装置的接地电阻，可只考虑雷季中土壤干燥状态的影响。v6）初期发电时，应根据电网实际的短路电流和所形成的接地系统，校核初期发电时的接触电位差、跨步电位差和转移电位。当上述参数不满足安全要求时，应采取及时措施，保证初期发电时期电站安全运行。v7）工作接地及要求：v有效接地系统中，自耦变压器和需要接地的
17、电力变压器中性点、线路并联电抗器中性点、电压互感器、接地开关等设备应按照系统需要进行接地。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求18风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地v不接地系统中，消弧线圈接地端、接地变压器接地端和绝缘监视电压互感器一次侧中性点需要直接接地。v中性点有效接地的系统，应装设能迅速自动切除接地短路故障的保护装置。中性点不接地的系统，应装设能迅速反应接地故障的信号装置，也可装设自动切除的装置。v8）保护接地及要求v电力设备下列金属部件，除非另有规定，均应接地或接中性线（保护线）：电机、变压器、电抗器、携带式及移动式用电器具等底座和外壳。SF6全封闭组合电
18、器（GIS）与大电流封闭母线外壳以及电气设备箱、柜的金属外壳。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求19风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地电力设备传动装置。互感器的二次绕组。配电、控制保护屏（柜、箱）及操作台等的金属框架。屋内配电装置的金属构架和钢筋混凝土构架，以及靠近带电部分的金属围栏和金属门、窗。交、直流电力电缆桥架、接线盒、终端盒的外壳、电缆的屏蔽铠装外皮、穿线的钢管等。装有避雷线的电力线路杆塔。在非沥青地面的居民区内，无避雷线非直接接地系统架空电力线路的金属杆塔和钢筋混凝土的杆塔。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求20风电场电气系统风电场电
19、气系统防雷与接地防雷与接地铠装控制电缆的外皮、非铠装或非金属护套电缆的12根屏蔽芯线。电力设备的下列金属部分，除非另有规定，可不接地或不接中性线（保护线）：在木质、沥青等不良导电地面的干燥房间内，交流额定电压380V及以下的电力设备外壳。但当维护人员可能同时触及设备外壳和接地物体时除外。在干燥场所，交流额定电压127V及以下，直流额定电压110V及以下的电力设备外壳，但爆炸危险场所除外。安装在配电屏、控制屏和配电装置上的电气测量仪表、继电器和其他低压电气等的外壳，以及当发生绝缘损坏时，在支持物上不会引起危险电压的绝缘子金属底座等。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求21风电场电
20、气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地安装在已接地的金属构架上的设备（应保证电气接触良好），如套管等。标称电压220V及以下的蓄电池室内的支架。已与接地的底座之间有可靠的电气接触的电动机和其他电器的金属外壳。对于用电设备较少、分散，且又无接地线的地方，宜采用接中性线保护。接中性线保护有困难，而土壤电阻率较低时，可采用直接埋设接地体进行接地保护。当低压电力设备的机座或金属外壳与接地网可靠连接后，允许不按接中性线保护的要求作短路验算。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求22风电场电气系统风电场电气系统防雷与接地防雷与接地由同一台发电机、变压器或同一段母线供电的低压线路，不宜采用接中性线、接地两种保护方式。在低压电力系统中，全部采用接地保护时，应装设能自动切除接地故障的继电保护装置。v9）防雷接地及要求。所有设有避雷针、避雷线的构架、微波塔均应设置集中接地装置。避雷器宜设置集中接地，其接地线应以最短的距离与接地网相连。独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻不宜超过10 。7.2.3.1 接地网设计基本要求接地网设计基本要求23
