風(fēng)電機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)與防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)研究

王克 汪天呈 甘瑜前

摘要：雷擊是嚴(yán)重影響風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行的主要因素之一，多數(shù)風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境較為空曠，容易受到雷擊影響，雷擊會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)電流和過(guò)電壓，對(duì)風(fēng)力發(fā)電造成安全隱患。基于此，結(jié)合具體的工程實(shí)例，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組的過(guò)電壓保護(hù)及防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，以有效保障風(fēng)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組;雷擊;過(guò)電壓保護(hù);防雷接地

0 引言

我國(guó)具有豐富的風(fēng)能資源，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量較大，但是風(fēng)能資源多集中在空曠地帶及高山等雷電多發(fā)地帶，一旦發(fā)生雷擊問(wèn)題，機(jī)組線路中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流和過(guò)電壓，容易給風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行造成威脅。因此，風(fēng)電機(jī)組需要充分考慮采取過(guò)電壓保護(hù)措施，應(yīng)當(dāng)在機(jī)組容易遭受雷擊破壞的位置設(shè)置防雷裝置，并做好風(fēng)電機(jī)組的防雷接地工作，以此保證風(fēng)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程實(shí)例

某風(fēng)力發(fā)電廠共設(shè)置了15臺(tái)風(fēng)電機(jī)組，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組均采用兩級(jí)升壓方式運(yùn)行，電壓為650 V，在風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組周圍還設(shè)置了1個(gè)箱式變電站，以保證風(fēng)電機(jī)組的順利運(yùn)行。在該風(fēng)力發(fā)電廠中，主要由1條10 kV 電纜線路將風(fēng)電機(jī)組與升壓站串聯(lián)。

該風(fēng)電場(chǎng)所處地區(qū)為喀斯特地貌特征，地勢(shì)特點(diǎn)為高低起伏，土壤中的電氣特性變化較大，容易導(dǎo)致該區(qū)域發(fā)生強(qiáng)對(duì)流天氣和尖端放電現(xiàn)象，很大程度上增加了風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這種特殊地形特征，該風(fēng)電場(chǎng)在進(jìn)行防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮2個(gè)因素：（1）風(fēng)電機(jī)組周圍的土壤電阻率。土壤電阻率越低，接地電阻越小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，該風(fēng)電場(chǎng)土壤中的電阻在900～4 400 Ω。（2）接地網(wǎng)的規(guī)模，包括接地網(wǎng)的縱向跨越深度及橫向占地面積。

該風(fēng)電場(chǎng)的土壤電阻率較高，通常會(huì)采用降阻劑、局部換土或接地模塊等方式降低土壤的電阻率，同時(shí)，為了能夠滿足接地電阻要求，應(yīng)增加接地網(wǎng)的縱向跨越深度及橫向占地面積。

2 風(fēng)電機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)及防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 ? ?直擊雷保護(hù)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，通常由支撐塔筒、葉片、液壓系統(tǒng)、變速裝置、偏航裝置、發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。受直擊雷危害最大的部位是風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙，所以在安裝風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇適合的位置進(jìn)行安裝，確保風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙不受雷擊損害，以免機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備損壞。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)在葉片頂部位置安裝雷電接收器，起到保護(hù)葉片的作用。另外，考慮到大型風(fēng)電機(jī)組的重量，一般會(huì)選擇復(fù)合材料作為機(jī)艙外殼材料，以減輕機(jī)組重量，有利于機(jī)組接閃和屏蔽雷電。

對(duì)于機(jī)艙內(nèi)部活動(dòng)部分的導(dǎo)線連接，包括機(jī)艙間與風(fēng)輪、塔柱間與水平軸、水平軸與尾艙等，應(yīng)當(dāng)結(jié)合具體情況進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)和安裝，考慮到連接的導(dǎo)線需要長(zhǎng)時(shí)間工作，且在振動(dòng)等外力作用下容易出現(xiàn)疲勞或斷裂等情況，最好設(shè)置兩根連接導(dǎo)線，采用最短路線接入接地裝置，引導(dǎo)直擊雷電流流向大地。

2.2 ? ?感應(yīng)雷保護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于感應(yīng)雷保護(hù)設(shè)計(jì)，主要是在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部容易遭受雷擊破壞的設(shè)備上進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，在設(shè)備上安裝感應(yīng)雷保護(hù)裝置。在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備受到電壓損害時(shí)，電壓保護(hù)裝置能夠第一時(shí)間將能量釋放，避免設(shè)備受到雷擊破壞。目前對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的過(guò)電壓保護(hù)，主要包括信號(hào)防雷和電源防雷兩種類型。其中，電源防雷指的是電源系統(tǒng)避雷過(guò)壓保護(hù)，設(shè)置的保護(hù)等級(jí)是三級(jí)，且需要通過(guò)電涌保護(hù)器進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，從而達(dá)到更好的保護(hù)效果。需要注意的是，在安裝電涌保護(hù)器時(shí)，應(yīng)遵循就近保護(hù)及接地線接地保護(hù)原則，以保證電涌保護(hù)器安裝的合理性。另外，還需要在風(fēng)電機(jī)組電源入口位置安裝電涌保護(hù)設(shè)備，保護(hù)等級(jí)是一級(jí)，并盡可能控制殘壓在4 kV以下，同時(shí)也要在電動(dòng)機(jī)的整流器上安裝電涌保護(hù)裝置，保護(hù)等級(jí)是二級(jí)，具體的安裝位置根據(jù)塔架配電柜的實(shí)際需求選擇，以最大化地提高電涌保護(hù)裝置的保護(hù)效率。

2.3 ? ?防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述提到的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)及風(fēng)電機(jī)組的設(shè)置要求，有必要對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行單獨(dú)的防雷設(shè)計(jì)，因?yàn)槎鄶?shù)風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，所處區(qū)域的土壤電阻率較高，但是考慮到對(duì)每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行接地電阻沖擊測(cè)試時(shí)，無(wú)法借助測(cè)量手段獲取，所以需要預(yù)先測(cè)算出單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組接地網(wǎng)的工頻接地電阻，然后根據(jù)其與沖擊接地電阻間的關(guān)系獲取沖擊電阻值，從而選擇合適的風(fēng)電機(jī)組安裝位置。另外，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組所處的地理位置差異，在防雷保護(hù)上也會(huì)有不同的要求，在設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組防雷接地系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮機(jī)組的防雷要求，且需要考慮到施工難度及經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，在雷電流幅值較大的情況下，會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生較大的破壞，線路內(nèi)過(guò)電壓非常高，所以除了必要的接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)之外，還需要采取合適的避雷措施。

2.4 ? ?配套升壓設(shè)備保護(hù)設(shè)計(jì)

該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組出口電壓為650 V，所以需要采用箱式變壓器將電壓升高至10 kV和35 kV后才可輸送至升壓站，在不考慮直擊雷的情況下，通常需要在風(fēng)電機(jī)組周圍設(shè)置箱式變壓器，并且需要控制風(fēng)電機(jī)組升壓設(shè)備工頻接地電阻在4 Ω左右，風(fēng)電機(jī)組升壓設(shè)備接地也要充分利用風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地網(wǎng)。另外，一旦配套的升壓設(shè)備變高壓后，還需要在變壓器高壓側(cè)安裝專門的避雷器，避免雷電侵入波對(duì)其造成不良影響，且需要在低壓側(cè)安裝電涌保護(hù)裝置，對(duì)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行防雷保護(hù)。

3 風(fēng)電機(jī)組防雷接地設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

3.1 ? ?接地系統(tǒng)的合理性

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的過(guò)電壓保護(hù)，應(yīng)當(dāng)充分保證防雷接地系統(tǒng)的合理性，對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行有效控制，避免對(duì)相關(guān)人員和設(shè)備造成傷害，將風(fēng)機(jī)機(jī)組中經(jīng)過(guò)的雷電流導(dǎo)入地層中。

3.2 ? ?考慮個(gè)例現(xiàn)狀

不同地理位置的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的土壤電阻率也不同，所以在進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組過(guò)壓保護(hù)及防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，需要推算出土壤電阻率、沖擊接地電阻、接地有效值等，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而推算出具體的巖層分布數(shù)據(jù)，最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在需要的地方安放相應(yīng)的警示牌，防止跨步電壓對(duì)周圍機(jī)械設(shè)備及人員帶來(lái)安全隱患。

3.3 ? ?危險(xiǎn)電壓的科學(xué)估算

在雷雨天氣，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的概率較大，遇到雷擊時(shí)雷電流會(huì)進(jìn)入到建筑物內(nèi)部，并在塔身中分散流至電纜線路和地面中。但是受到接地系統(tǒng)設(shè)置的大小和形狀的限制，往往電流會(huì)通過(guò)電壓梯度的方式集中在塔架周圍，雖然能防止塔架周圍人員遭受雷電直擊，但是地面的電壓梯度也會(huì)對(duì)周圍的機(jī)械設(shè)備及相關(guān)人員造成傷害，如果人處于這個(gè)區(qū)域內(nèi)，會(huì)存在電流流經(jīng)身體的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)及防雷接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮對(duì)風(fēng)電機(jī)組塔筒周圍危險(xiǎn)電壓的科學(xué)估算。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的過(guò)電壓保護(hù)，主要分為風(fēng)電機(jī)組、升壓站和場(chǎng)內(nèi)輸電線路的過(guò)電壓保護(hù)及防雷接地保護(hù)3個(gè)部分，后2個(gè)部分的防雷接地保護(hù)設(shè)計(jì)可參考國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)要求，在對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用自然接地的優(yōu)勢(shì)，選擇合適的接地方式，如采用降阻劑、局部換土或接地模塊等方式，降低接地電阻，另外在風(fēng)電機(jī)組高壓側(cè)安裝必要的避雷裝置以及在低壓側(cè)安裝電涌保護(hù)裝置。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李陽(yáng).風(fēng)力發(fā)電廠防雷技術(shù)研究[J].自動(dòng)化應(yīng)用，2020（4）：101-102.

[2] 鐘燕飛.某大型發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)動(dòng)作的分析[J].電工技術(shù)，2019（13）：70-71.

[3] 栗志斌.關(guān)于一級(jí)公路機(jī)電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)與防雷接地的設(shè)計(jì)分析[J].機(jī)電信息，2019（6）：13-14.

收稿日期：2020-07-29

作者簡(jiǎn)介：王克（1986—），男，江西人，碩士研究生，研究方向：新能源電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。