風電場防雷接地系統(tǒng)相關技術

東方電氣風電有限公司 岳 偉 白友清 李 磊

1 風電場防雷接地系統(tǒng)設計與施工

風電場是電力系統(tǒng)的一部分，電力系統(tǒng)在正常運行期間，其可作為發(fā)電和輸出電力的重要組成部分，故此是嚴禁造成大型雷電不良事故的。為避免風電場遭受雷電，建立有效的防雷接地系統(tǒng)非常重要，并將其用于風電場的防雷基礎系統(tǒng)，換句話說，在選址和建筑規(guī)劃之初應設計科學有效的風電場防雷接地系統(tǒng)，并應嚴格按照圖紙和計劃進行后續(xù)施工。在質量和使用方面確保風電場防雷系統(tǒng)可靠性的結構，對于防雷和接地系統(tǒng)不佳的風電場，受雷電影響的概率系數(shù)顯著提高。當被雷電擊中時產生的強大電流不能及時正確的傳遞到大地中，就會給整個風電場系統(tǒng)帶來毀滅性的打擊，而高強度的電壓之下人的生命安全也將受到威脅，這將導致無法預料的生命和財產損失。因此，風電場的防雷接地系統(tǒng)設計和構建過程中的每個步驟都需進行多層技術檢查，以此給生命和財產都帶來最大保障。

1.1 風電場防雷接地系統(tǒng)的設計

風力發(fā)電機基礎、箱式變電站和配電設備的防雷接地系統(tǒng)的設計，是當今我國大中型風力發(fā)電場最基本、最關鍵的設施結構，一個負責產生電能而另一個則負責電壓在輸出期間的應用，主要為輸出期間對電壓的實時管理措施，因此，風電場防雷系統(tǒng)的確立中對于風機基礎和箱式配電的設計尤為重要，尤其是設備的防雷接地系統(tǒng)在設計期間不容忽視，設計人員需在最合適的位置對風電場防雷措施進行設計和施工[1]。在進行前期，還要對地方的雷擊災害發(fā)生率和地理特征進行收集和了解，并以此為設計參數(shù)，繼而在工程規(guī)定標準的范圍內截取最合適的數(shù)據值進行參考，在獲得批復之后，嚴格按照計劃進行按比例放大施工。

風電機組接地系統(tǒng)的作用是非常巨大的，不光在防雷方面，設備的保護接地也有一定的意義，必須連接風力渦輪機地面系統(tǒng)，使用風扇底座的基礎系統(tǒng)與箱式變電站和配電設備相互連接導電，風扇和風力發(fā)電機的底座系統(tǒng)使用銅線和其他防雷底座系統(tǒng)。風力發(fā)電機的基礎屬于連接載體，其中風力發(fā)電機和防雷接地系統(tǒng)合為一體，以實現(xiàn)最終的防雷目標，任何接地線的存在都具有一定的電阻值，且風力發(fā)電機對接地電阻的要求非常高，因此它們必須滿足指定設計范圍內的標準，當有強大電流穿梭其中時，電阻值的存在會直接將其化解一部分，以此可做到不超過一定范圍的估計電流。但對于如果可以超過規(guī)定的標準，則必須相應地鋪設大量的人工接地網以防止發(fā)生任何意外情況，以免措手不及，造成不可估量的損失。

人工鋪設接地網也具有一定要求，在材質方面要選擇熱鍍鋅扁鋼、其橫截面積須大于60×6mm2，埋入深度也須超過1m。人工接地網的鋪設方法一般以風力發(fā)電機的地基為中心，完成所有鋪設后，應以同心圓布置接地網，每臺風機的接地電阻均經過逐一驗證和測試，接地電阻也應符合設計或規(guī)范標準[2]。接地體存在的主要作用是將雷電流及時引向地下，因此其設計的是否專業(yè)合理，將會直接影響到防雷措施是否能達到預計的估設。所以建筑電氣設計人員在對接地體進行設計時需做到百分百的重視，將其做到符合規(guī)范要求的情況。

1.2 風電場升壓站防雷接地系統(tǒng)設計

升壓站是風電場向電網傳輸電能的關鍵單元，也是重要的組成部分，在這其中升壓站的接地網絡組成應得到重視，其網絡主要由主變壓器、GIS室和繼電保護室組成，在設計升壓站的防雷接地系統(tǒng)時須牢記：首先要最大程度使用自然物接地體，這樣不但能節(jié)省人工的資金，對接地防雷的效果也會相對較高，當自然物接地無法達到標準時才可使用人工接地網檢查泄漏，同時進行人工接地網絡還應嘗試使用封閉的網絡結構[3]。接地網應以統(tǒng)一的方式鋪設和連接，接地電阻沒有達到標準數(shù)值時，不可為節(jié)約而瞞天過海，應直接選用合適的接地物，按照國家規(guī)范數(shù)值為5Ω。

1.3 風電場集電線路防雷接地系統(tǒng)設計

集熱管的主要功能是實時調節(jié)風電場的風能，接地系統(tǒng)設計的成功將直接影響風力發(fā)電機組整體結構的有效性能之上。在對風電場內部集電線路進行防雷接地系統(tǒng)設計之初，首要做到符合相關文件下發(fā)的內容風電場的要求，電線防雷接地系統(tǒng)的電阻值小于25Ω。

1.4 風電場防雷接地系統(tǒng)的施工

在施工過程中，我國熱浸鍍鋅扁鋼通常用作接地系統(tǒng)的主要接地熱鍍鋅扁鋼，首先確定圓心，通常情況下的取舍標準為以風扇基礎的中心開始放置在設計的同心圓中[4]。安裝風扇單元的防雷皮帶和銅線進行切實連接，通常情況下的連接點主要可設置為四處，其規(guī)定流程順序為施工前期的準備工作、挖取接地溝槽、鋪設扁鋼、安裝接地裝置等后續(xù)一系列的過程操作，但是值得注意的是在焊接過程中，扁鋼的重疊焊接長度和重疊部分應大于扁鋼實際寬度的兩倍且至少3棱柱焊接，操作技術必須達到一流水平，必須牢固穩(wěn)定并防止出現(xiàn)錯誤的焊接、裂紋等問題。對于焊接過程中產生的大量粉末也要合理處置，不要留下任何安全隱患，安全面前無小事。另外要考慮到自然環(huán)境下物質的老化和腐蝕，因此要對接地系統(tǒng)中所有焊接接頭部分做好防腐的處理，以延長其使用年限和使用壽命。

2 電氣控制系統(tǒng)的防雷保護

對于整個風電機組系統(tǒng)而言，其本身中控系統(tǒng)就是核心所在，因此對控制系統(tǒng)中的結構元件應進行及時相應的保護。再加之對于整個系統(tǒng)中最大的威脅就是雷電危害，因此就其保護機制方法做如下分析。

電器柜的屏蔽。電氣柜通常情況下處于封閉狀態(tài)，主要是為防止電磁沖脈帶來的干擾，在選擇電氣柜時要選擇薄鋼板材質的，這種材質下的電氣柜內部空間相對較大[5]。對于電源系統(tǒng)，如有電阻器和電容器，則將處于暫停狀態(tài)風力渦輪機的控制系統(tǒng)也是如此，但該控制系統(tǒng)無法承受強電壓的侵入。針對上述情況需對其實施嚴密保護，可以將電路有效保護，其中包括對暫態(tài)二極管或壓敏電阻的使用，在使用中對整個電路系統(tǒng)進行防護，使其和屏蔽后的系統(tǒng)結合起來，可防止信號或電源的侵入并避免出現(xiàn)瞬態(tài)情況，因此中央控制系統(tǒng)不會受到任何相關物質的干擾。此外暴露在空氣中的組件應妥善包裹處理，以防出現(xiàn)漏電等情況的發(fā)生。

供電電源系統(tǒng)的防雷保護。電源系統(tǒng)的防雷保護可分為三個級別：第一級雷電保護是由雷電電泳保護器產生的保護機制，第二個級別的雷電保護受到電涌保護器的保護[6]。第三級保護是利用現(xiàn)代技術下終端設備保護器所產生的巨大保護措施。

傳感器采樣信號的防雷保護。整個電氣中央控制系統(tǒng)使用傳感器來收集和接收信號。傳感器的安裝位置一般會裸露在出現(xiàn)雷區(qū)的危險地帶，所以對于傳感器實施防雷隔離保護是非常必要的，以此使其在雷區(qū)范圍內也可安然正常例行信號的收集[7]。在傳感器正常工作條件下，可使用RS485或RS232通信技術完成數(shù)據傳輸任務。