探讨风电机组过电压保护及防雷接地

探讨风电机组过电压保护及防雷接地

前言

风力是一种新型清洁的可再生能源，风力发电也是一种新兴的行业。随着我国科学技术的进步，风电技术飞速发展，单机容量不断扩大，开发利用风能资源已经成为调整能源结构，促发对风电机组防雷研究，实施直击雷防护与能源可持续发展的必要手段，并使商业性开发风力发电成为可能。风电机组、风电场升压站以及场内输电线路是组成风力发电系统的三个重要的组成方面。而且，我国目前各地对防雷接地认识及要求不同，许多工程采用的进口机组因各国采用标准不一也无法达到全国各地统一标准化。除此之外，我国风电场所处地形条件与风电机组自身结构的特点也是促发对风电机组防雷研究的因素。下文通过对某风电工程实例进行科学详细的分析，指导设计我国风力发电和风电场的设计，多方面阐述风力发电机的使用性质及其重要性，具有重要的指导意义。

1 风电机组过电压保护及防雷接地

就目前国内的现状与各种自然因素，我国风电机组多安装在雷击多发地区，如海岛等风力资源较好的空旷地带，风电场的规模和风电机组的单机容量都不断增长。并且，因风电机组结构，内部的电子器件越来越复杂，发电机组和相关控制驱动设备均处于高空等特殊位置，其各外露部位均可遭到直击雷雷击，极易受损坏。风轮与采用钢板制成的机舱间，以及其它旋转或活动部分间的连接在制造和安装过程中需根据参照《建筑物防雷设计规范》设计与安装。

1.1直击雷的防护

风电机塔筒处于高空位置，极易受到雷击的损坏，因此对风电机组采取相应的防范雷击措施非常必要。直击雷的防护通常采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网做接闪器，防止发电机、转子、齿轮箱（直驱机组无此部件）、叶片及支撑塔筒等风力发电机组的重要组成部件受到损害。直接把雷电流通过良好的接地装置迅速而安全地输入大地。并且，为了防止风电机机舱遭受直击雷，应在包括上方和两侧等适当位置装设几支小避雷针，浆叶是直击雷袭击的首要目标，浆叶又是风力发电机组中最昂贵的部件，防止因受到雷击而穿透舱壁而损坏。针对大型机组，设计时可以将风力发电机组划分为二类防雷构筑物，减轻重量通常采用复合材料制造机舱外壳。仅就常见的解决方案为在外面以网格形式装接屏蔽之用

的金属丝网，如有必要，再加大金属丝截面或缩小网孔。每个叶片顶端安装2个雷电接收器，来保证对风机的防护，而且保证雷击时雷电能通过导线传导到叶片轮毂，使风电机组直击雷防护更需全面可靠。长年运行中，因振动等作用力导致材料疲劳和断开，破坏力极大。强大的雷电流就会通过轴承处的油膜放电，烧损轴承和主轴的接触部位。为了使雷击造成的损失减到最低，尾舵也应沿外廓敷设导线，用来接闪和导通电流至水平轴。此外，每个叶片顶端应安装2个雷电接收器，且与机架相连接。各网格连接处应焊接以保证电气连通，还要避免形成环路，以保证雷击时雷电能通过导线传导到叶片轮毂。

1.2感应雷的保护

感应雷的保护是沿着金属构件布置并且加以屏蔽，并对风电机组内易受感应雷击过电压破坏的设备装设这种带状保护，并加装过电压保护装置。感应雷防护主要分为电源防雷和信号防雷，通过雷击风险评估后，按评估结果进行设计。在设备受到过电压侵袭时，保护装置，根据建筑物内信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级，采取防雷设施，快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。电源系统避雷过压保护措施采用3级防护，实现很好的安全保护和电屏蔽。在安装电涌保护时，屏蔽层两端都应与设备外壳连接，遵循靠近被保护的设备，在机舱的上方安装避雷短针，接地线就近接地的原则。影响风电场安全的因素很多，风电机组电源入口部位就是影响风电场运行安全的一个重要因素。风电机组电源入口部位应装设第一级电涌保护，将残压控制在四千伏以内；在发动机的定子、转子、整流器处安装第二级电涌保护，电力和信息回路由机舱到地面箱变柜、变流器。还宜穿入两端接地铁管安装位置在塔架配电柜及机舱内，将雷电流迅速传至机舱底座，释放雷击过电压；第三级浪涌保护器在上一级浪涌保护器泄放雷电流后有效屏蔽，在残压的基础上对线缆上的雷电流进一步泄放，防止对机舱内设备造成损坏，实现终端能域避雷和频域避雷的相结合。精细保护的防雷器残压更低，可有效的保护各设备。升压站及场内输电线路过电压保护及防雷接地在绝缘叶片的情况下是非常必要的，因为其具有耐过电压能力低，容易被雷电感应的特点。虽不能保护电子设备，但还是可以提供安全保护和一定程度的电屏蔽，如安装信号防雷器。

1.3接地系统

雷击作为影响风电机组运行的一个重要方面，应围绕塔筒基础敷设成环形接地体，最终将电流引入接地装置，进而流入大地。因此，科学做好接地系统对风

电机组时不可或缺的，并应和电气设备接地装置及所有的金属管道相连。根据国际标准以及进口风力发电机机组厂家的要求，塔底控制柜处应采取屏蔽电缆，箱变和操作控制间的接地装置应通过接地网相互连接，单台风机冲击接地电阻需在最小额度。为此需要测出单台风电机组接地网的工频接地电阻，以尽可能地获得最大面积的接地系统。根据冲击接地电阻与工频接地电阻之间的关系，作为环形接地的补充，从而得出冲击接地电阻。同时，基于不同工程的不同地质条件，接地网应设在混凝土基础的周围，风电机布置位置在高山或者在海岛，海滩滩边。风电机冲击接地网的有效半径是与土壤电阻率有关，基本呈现正相关趋势，非常紧凑，。土壤电阻率越高，其有效范围越大。针对系统故障时的灵敏度及降低保护最后阶段定值，对馈线电阻接地系统的保护配置及接地变接于母线上和接于主变本体的保护配置，也是非常重要。因此需要对每台风电机进行单独分析计算，科学客观评估，减少雷电反击。如果按照传统的接地方式设计接地系统不能满足其要求，使风电机所处位置的土壤电阻率较高，也可能受到反击。加上地形影响，无法降低整个风电场的接地电阻，风电机接地网无法向外扩张，需要采取等电位连接和电磁屏蔽等其他降阻措施。当然，在电源和控制回路沿塔筒引下过程中，利用风电机基础本身如钢筋网、基础管桩等自然接地体，也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。

1.4机组配套升压设备保护

为了增加总装机容量.风电机组的单机容量与规模越来越大，风电场的安全运行问题日益受到重视。诸多因素中，升压变压器也是一个影响风电场安全运行重要方面。升压变压器是风力发电重要的配套设备，市场需求逐年增加，相对的也增加了被雷击的风险概率。风力发电机出口电压一般为690V，为了吸收更多的能量，需要通过箱式变压器将电压升高后送人升压站。但是，箱式变压器主要是用于配电系统，其保护元件较多配置繁杂。一般布置在风电机附近，自身有健全的保护装置，因此，可不考虑直击雷问题。根据《交流电气装置的接地》（DL/T621—1997）规定。安装地点的土壤电阻率有一定的限制，风电机升高电压设备工频接地电阻应小于或等于4QH。在保证设备安全运行前提下提高设备运行的可靠性，同时可以明显降低风电场投资.风电机升高电压设备接地应充分利用风电机基础接地网。在配套升压变高压侧，发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁。为了削弱雷电电磁脉冲对机舱内设备的影响，在变压器高压侧安装氧化锌避雷器保护，并保证雷击电流沿塔身快速泄入接地装置，同时可在低压侧安装第一级电涌保护器以有效地保护风电机组内部设备免受雷电侵入影响。