國(guó)網(wǎng)電力寧海茶山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

徐元亮

摘 要：在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風(fēng)能作為一種無(wú)污染、可再生、高效清潔的替代能源，近年來(lái)發(fā)展尤為迅猛，目前風(fēng)力發(fā)電是成為很多國(guó)家應(yīng)用的能源項(xiàng)目。作者結(jié)合本工程實(shí)例，系統(tǒng)地闡述風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;雷電防護(hù);設(shè)計(jì)

1 國(guó)網(wǎng)電力寧海茶山風(fēng)電場(chǎng)工程概況

本工程位于浙江省寧海縣東部，茶山抽蓄規(guī)劃上庫(kù)周邊，總裝機(jī)規(guī)模為58.5MW，安裝33臺(tái)單機(jī)容量1500KW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為690V。

本工程在風(fēng)電場(chǎng)址中部建造110KV升壓站，風(fēng)電場(chǎng)電能經(jīng)1臺(tái)10KV主變壓器升壓后，最終以一回110KV線路接入220KV霞客變。風(fēng)電場(chǎng)采用二級(jí)升壓方式，風(fēng)機(jī)電壓690V經(jīng)箱變升壓至35KV后經(jīng)主變二次升壓至110KV，場(chǎng)內(nèi)集電線路采用35KV電纜。

升壓站內(nèi)布置有生產(chǎn)綜合樓、水泵房、SVG室等建筑物。其中主變壓器采用戶外布置，布置在生產(chǎn)綜合樓北側(cè);110KV配電裝置采用GIS方式，布置在生產(chǎn)綜合樓二層;35KV配電裝置采用戶內(nèi)金屬成套開關(guān)柜，布置在生產(chǎn)綜合樓一層;蓄電池室和低壓配電室布置在生產(chǎn)綜合樓一層;繼保室、通信機(jī)房、中控室布置在生產(chǎn)綜合樓二層。生產(chǎn)綜合樓高15.3m，長(zhǎng)52.8m，寬20.1m。

2 設(shè)計(jì)目的

設(shè)計(jì)目的：為防止或減少國(guó)網(wǎng)電力寧海茶山風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊所造成人員及財(cái)產(chǎn)損失。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）《IEC61400-24-2010 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)》

（2）《IEC62305 雷電防護(hù)》

（3）《GL指導(dǎo)文件1V-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)》

（4）《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997

（5）《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》DL/T620-1997

（6）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010版

（7）《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》GB50343-2012版

（8）《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008

4 防雷設(shè)計(jì)方案

4.1 防雷分類

寧海縣年平均雷暴日數(shù)為39.9天，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010版中要求，根據(jù)建筑物重要性、使用性質(zhì)、發(fā)生雷電事故的可能性和后果，本工程風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及箱變屬于第二類防雷建筑物。

4.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)遭受直擊雷雷擊路線是：當(dāng)直擊雷擊中葉片上的接閃器后通過(guò)葉片內(nèi)腔中的導(dǎo)引線傳導(dǎo)到葉片根部再經(jīng)機(jī)艙主機(jī)架然后通過(guò)塔架中的專設(shè)引下線接入接地網(wǎng)引入大地。據(jù)風(fēng)力發(fā)電普及率最高的丹麥和德國(guó)統(tǒng)計(jì)遭受雷擊損壞部位中，葉片損壞率占15%-20%，而80%以上是與塔架中專設(shè)引下線相連的其他設(shè)備。這些設(shè)備都是受雷電引入大地過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)電壓而損壞的。也就是說(shuō)，雷電對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備的損壞包括直擊雷和雷電感應(yīng);并且，雷電感應(yīng)造成的設(shè)備損壞損失比較大，造成的影響也更嚴(yán)重。

因此本項(xiàng)目風(fēng)電機(jī)組主要考慮外部直擊雷雷電防護(hù)、內(nèi)部雷電感應(yīng)防護(hù)、接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、箱變雷電防護(hù)等四個(gè)方面。發(fā)電機(jī)組防雷分區(qū)如右圖：

圖1

4.2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的直擊雷防護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的直擊雷防護(hù)分為5個(gè)不同位置的保護(hù)，它們分別是3個(gè)葉片，機(jī)艙蓋頂部和風(fēng)速儀。

（1）機(jī)組直擊雷防護(hù)：在風(fēng)電機(jī)組的每個(gè)葉片尖端上內(nèi)嵌截面積為50mm2鋁板作為雷擊點(diǎn)，并用截面80mm2多股銅芯線連接到輪轂，再?gòu)妮嗇炦B接到機(jī)艙主機(jī)架，通過(guò)塔架將雷電流泄放到大地。

（2）機(jī)艙和風(fēng)速儀直擊雷防護(hù)：由于葉片高度遠(yuǎn)高于機(jī)艙且葉片中已裝設(shè)接閃器，通過(guò)滾球法計(jì)算機(jī)艙和風(fēng)速儀都處于保護(hù)范圍內(nèi)，因此機(jī)艙不再加裝直擊雷防護(hù)裝置，但是考慮到機(jī)組工作時(shí)葉片是轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以在距風(fēng)速儀0.3m處增設(shè)一根高度為0.8m接閃桿進(jìn)行防護(hù)。

（3）引下線：由于本次風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架為厚度7.0mm鋼塔架，所以利用塔架本身作為引下線。

4.2.2 內(nèi)部雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

內(nèi)部雷電防護(hù)主要是針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)易受雷電感應(yīng)的形成暫態(tài)過(guò)電壓造成設(shè)備損壞的設(shè)備。我們此次內(nèi)部雷電防護(hù)主要分為發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的過(guò)電壓防護(hù)和發(fā)電機(jī)組弱電系統(tǒng)的雷電防護(hù)。

4.2.2.1 發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的過(guò)電壓防護(hù)

發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的過(guò)電壓防護(hù)采用三級(jí)防護(hù)，安裝電涌保護(hù)器。第一級(jí)防護(hù)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變到機(jī)組主開關(guān)的690V電力電纜作為電源入口處，即LPZ0A或LPZOB區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，從電源處引來(lái)的線路上，裝設(shè)第一級(jí)電涌保護(hù)器，能防止電網(wǎng)側(cè)發(fā)生雷擊情況下保護(hù)機(jī)組內(nèi)部主回路。安裝位置應(yīng)選擇在箱變變壓器低壓測(cè)。根據(jù)IEC61400-24-2010風(fēng)力渦輪發(fā)電系統(tǒng)防雷防護(hù)的要求，網(wǎng)側(cè)設(shè)備的雷電流釋放指標(biāo)需要達(dá)到150KA，即每相690V、50HZ的進(jìn)線雷電釋放指標(biāo)為50KA。因此采用3只沖擊雷電流為50KA的電涌保護(hù)器，將殘壓控制在4KV以下。第二級(jí)防護(hù)：在LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)交界處即在靠近需要保護(hù)的設(shè)備處裝設(shè)第二級(jí)電涌保護(hù)器，電氣系統(tǒng)宜選用Ⅱ級(jí)實(shí)驗(yàn)電涌保護(hù)器，Ⅱ級(jí)實(shí)驗(yàn)的電涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流不小于5KA。因此采用3只最大標(biāo)稱放電電流為40KA，額定放電電流為10KA的電涌保護(hù)器作為第二級(jí)防護(hù)。第三級(jí)防護(hù)：第三級(jí)防護(hù)在上一級(jí)電涌保護(hù)器泄放雷電流后殘壓的基礎(chǔ)上對(duì)線纜上的雷電流進(jìn)一步的泄放。因此選用將殘壓控制在1.25KV以下，且具有濾波功能，能消除很大部分的電磁干擾、射頻干擾的電涌保護(hù)器。

4.2.2.2 發(fā)電機(jī)組弱電系統(tǒng)的雷電防護(hù)

（1）機(jī)艙內(nèi)所有電子信息設(shè)備都必須采用截面為6mm2銅帶進(jìn)行等電位連接并接地。

（2）在傳感控制與通信系統(tǒng)等重要的電子信息設(shè)備電源端口安裝Ⅱ類或Ⅲ實(shí)驗(yàn)浪涌保護(hù)器。并在設(shè)備信號(hào)射頻出、入端口上加裝信號(hào)浪涌保護(hù)器。

4.2.3 接地電阻設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范以及本項(xiàng)目設(shè)備廠家的要求，此次單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地電阻設(shè)計(jì)為不大于4Ω。

接地極設(shè)置：由于本項(xiàng)目風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都處于山區(qū)，土壤電阻率都極高，所以風(fēng)電機(jī)組接地裝置是以機(jī)組基礎(chǔ)中心為圓心，約每隔9m和6m設(shè)置兩圈水平環(huán)形接地網(wǎng)，埋設(shè)深度為15m，接地網(wǎng)敷設(shè)垂直于垂直接地極（均采用電解地極）頂部與垂直接地極進(jìn)行焊接，同時(shí)從風(fēng)電機(jī)中心向北面、西面、東面各敷設(shè)1根-60×8mm熱鍍鋅扁鋼的水平接地極與接地網(wǎng)進(jìn)行焊接，水平接地極的敷設(shè)深度為1.5m。如圖2

因?yàn)榄h(huán)形水平接地網(wǎng)及向北面、西面、東面水平接地極主要作為連接和等電位作用，而垂直接地極是用于泄放雷電流。故而將垂直接地極周圍埋設(shè)物理型降阻劑降阻。這種方式是利用了球形的散流模型，結(jié)合降阻劑導(dǎo)電性好特點(diǎn)，從而達(dá)到降阻的目的。

4.3 風(fēng)電機(jī)組箱變的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

由于機(jī)組的塔架高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于箱變高度且箱變位置離機(jī)組比較近，所以箱變處于保護(hù)范圍內(nèi)，根據(jù)《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997規(guī)定，電氣裝置的工作保護(hù)接地電阻不宜大于4Ω，而風(fēng)電機(jī)組接地電阻也為4Ω，因此只需將箱變用-60×8mm熱鍍鋅扁鋼與機(jī)組接地系統(tǒng)相連形成等電位連接即可。由于箱變是用過(guò)電纜線和系統(tǒng)連接，因此需在變壓器高壓側(cè)安裝金屬氧化鋅電涌保護(hù)器，同時(shí)為了保護(hù)機(jī)組內(nèi)部店里電子元件，在低壓側(cè)安裝第一級(jí)電涌保護(hù)器。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEC61400-24-2010 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù).

[2]IEC62305 雷電防護(hù).

[3]GL指導(dǎo)文件1V-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng).

[4]中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997，中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部，1997.

[5]中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，《交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合》DL/T620-1997，中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部，1997.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布，2010.