淺析高海拔風電場防雷接地技術

摘 要：文章介紹國內風電機組防雷接地技術現狀及研究動態，分析了雷電對風電機組的危害具體表現形式。提出了高原型風電機組防雷的幾點建議與設想，以供探討。

關鍵詞：高海拔；直擊雷；浪涌保護器；接地電阻

1 前言

風力發電作為清潔能源發展較快，統計資料表明：歐美國家新增裝機容量中，風電裝機量已經躍居第二位，僅次于天然氣發電裝機量[1]。我國風電產業從2007年步入高速發展時期，各發電集團都把風力發電作為新的經濟增長點。目前，國內尚未出臺風電機防雷接地標準，諸多技術尚處于研究、探索階段。本文以云南清水海風電場（總裝機49.5MW：24×2MW+1×1.5MW）的建設、施工、調試為背景，探討風電機組防雷接地技術的現狀、研究方向，并就高海拔地區風電機組防雷接地技術提出了認識與看法。

2 雷電對風電機組的危害

2.1 直擊雷

直擊雷是帶電的云層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象，其電壓幅值可按式1計算。

U=Ri+L■（1）

式中，R為接地電阻，Ω；i為雷電流峰值，kA；L為引下線及接地網的電感量，H；di/dt為雷流變化率，kA/s。取風機接地電阻為4Ω，雷電流100kA，雷擊點高100m（引下線電感取1μH/m），陡度為10kA/μs，得到雷擊過電壓達1400kV[2]。雷擊過電壓使得葉片、機艙蓋破損、斷裂甚至是發生火災。假設發電機額定電壓為690V，雷擊過電壓幅值是額定電壓的2000多倍，過電壓會導致發電機絕緣擊穿。因此，風電機組應有防直擊雷措施，可在葉片上裝設接閃器，通過引線連接至風機接地網，另外，裝設分段式避雷器及葉片表面涂抹傳導材料兩種方法有待進一步研究和完善[3]。

2.2 感應雷

感應雷侵襲的主要對象是風電機組保護、監控等弱電設備及其電源系統。感應雷擊過電壓的防護分為電源防雷和信號防雷，其中電源系統避雷過壓保護措施采用三級防護。保護、監控及電源回路應單獨或組合安裝諸如放電間隙、氣體保護管、壓敏電阻和抑制二極管之類的元件，此外，電涌保護器SPD連接導線、電纜應盡可能短。

2.3 雷擊風力發電機引起的反擊電壓

當風機遭受雷擊，在雷電流入地時會在引下線、接地體、相連接的金屬導體上產生沖擊電壓。取雷電流的平均陡度為0.3，風力發電機高h處的反擊電壓可用式2計算：

Uch=Ich（Rch+0.3LH）（2）

式中，Ich為雷電流幅值，kA；Rch為沖擊接地電阻，Ω；L為支持構筑物單位長度的電感，μH/m；H為計算高度，m。

3 現行的風機防雷技術措施

由于形成雷擊風機機組的機理不同，也將對風機機組各個部分產生不同形式和不同程度的損害，必須科學的分析其形成原因，采取有效的防范措施。目前針對風機機組主流的防范措施為以下幾種形式：

3.1 外部防雷措施

現在采用廣泛的外部防雷措施是在最容易受到直擊雷的槳葉上安裝接閃器，借助葉片表面或內部的金屬導體將雷電流從接閃器引至輪轂上，再通過塔筒與風機接地網相連[2]。

3.2 內部防雷措施

內部防雷保護設施其目的是減消雷電電磁效應，主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護。

3.2.1 等電位連接

等電位連接使被保護的設備連接于同一接地網，雷擊時盡可能減小系統內各部件之間的電位差，防止電位抬升造成反擊。重點指出，等電位連接用的導線其截面積必須滿足要求。

3.2.2 屏蔽措施

封閉的機艙殼體、開關柜、控制柜柜體均是良好的屏蔽體。屏蔽后可以減少電磁干擾，降低耦合過電壓。另外，機艙應選用帶屏蔽功能的電纜，以保證故障時電纜芯線的感應過電壓不足以損毀設備。

3.2.3 電涌保護措施

電涌過電壓是造成二次系統損壞的直接原因，可裝設浪涌保護器SPD來抑制過電壓的幅值，使其在設備所能承受的范圍內。動力回路采用TN-S供電方式，并采用三級保護原理[3]。

4 高原型風電機組防雷接地研究方向

4.1 接地網接地電阻設計

目前，尚無國標或者電力行標對風電機組接地電阻值作出明確規定，不同的生產廠家規定值存在一定的差異，見表1。

表1 國內主流風機接地電阻限值

進口機組對接地電阻的要求值范圍在10Ω至2Ω之間，而國內主流風機廠家規定均為4Ω，亦有少許國內制造廠規定為2Ω。以下對造成規定值差異化的原因進行探究：風力發電機組與獨立避雷針在結構、高度方面具相似性，因無標準規范對風力發電機組接地電阻作明確要求，故參考避雷針接地電阻規定的相關要求。文獻[4]第19.1條及文獻[5]第26.0.3條規定：“獨立避雷針接地電阻不宜大于10Ω”，文獻[6]第5.1.2條規定：“獨立避雷針（含懸掛獨立避雷線的架構）的接地電阻，在土壤電阻率不大于500Ω·m的地區不應大于10Ω”。國內對風機接地電阻規定的4Ω或2Ω，設計單位往往是根據廠家給出的值來直接引用。高原地區風電機組大多安裝于高山山頂、山脊上，土壤電阻率除分散性較大外，其值遠高于平原、海上風電機組土壤電阻率。鑒于上述情況，對高土壤電阻率背景下高原型風電機組接地電阻的專項設計研究十分必要[7]。

4.2 接地網接地電阻降阻技術

理論上，風機的接地電阻越小越好，但由于地質地形、技術、經濟性的限制，特別是云貴高原地區風機安裝于山脊、山頂，所在地土壤電阻率較高，可達數千歐姆每米，接地電阻往往處于高位運行，帶來較大安全隱患。當接地電阻不合格且常規降阻技術手段不適用、施工難度大、效果差時不能降低接地電阻，有必要采用使用了新技術的降阻方法進行降阻，其中，深孔爆破接地技術在風電機組降阻方面卓有成效。

5 結束語

高原型風電機組安裝地區具有雷電活動頻繁、土壤電阻率高和接地電阻大的特點，這些特點使其對雷電防護有不同要求。高原型風電機組應開展接地網專項設計，測量風機安裝點土壤電阻率并演算需敷設的接地網面積，對于設計值不滿足要求的情況應科學合理采取降阻措施，積極開展高土壤電阻率降阻新技術的研究，從而達到風電機組外部、內部可靠防雷，有效保護風電機組正常運行。

參考文獻

[1]江澤民.對中國能源問題的思考[J].上海交通大學學報，2008，42（3）：345-359.

[2]梅忠恕.雷電沖擊電壓下接地裝置的電壓升高和反擊[J].云南電力技術，2007，35（1）：3-6.

[3]邢作霞，陳雷，姚興佳.大型并網風力發電機的防雷保護[J].可再生能源，2004（3）：55-56.

[4]DL/T 596-1996.電力設備預防性試驗規程[S].

[5]GB 50150-2006.電氣裝置安裝工程 電氣設備交接試驗標準[S].

[6]DL/T 621-1997.交流電氣裝置的接地[S].

[7]徐惠，許立軍.高土壤電阻率地區風力發電機接地系統的優化設計[J].電工技術，2009（9）：8-12.

[8]楊文斌.風電系統過電壓保護與防雷接地及其設計[D].杭州：浙江大學，2008.