風力發電機雷電過電壓接地措施簡析

劉偉

摘 要 在利用風力發電過程中，雷擊是其主要影響因素。因此如何防雷就成為其主要任務，主要包括外表防雷和內部防雷兩部分。外部系統防雷主要措施為葉片防雷系統的改進，而內部防雷措施主要為過電壓接地處理。文章具體分析了風力發電機過電壓階段的工藝過程。

關鍵詞 風力發電機；基礎接地；浪涌保護

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0063-01

在雷擊導致的風力發電機破壞中，有相當大的部分與雷擊電壓過大導致的葉片或與引下線設備相連的設備破壞。處理這一問題的唯一措施就是實現過電壓接地，其中包括風機基礎接地、等電位連接以及浪涌保護三個階段，為了進一步明確其接地過程，文章分別進行了分析，從而實現對風力發電機的保護。

1 風力發電機基礎接地

在風力發電機基礎接地過程中，最重要的問題就是其與低電阻率網點之間的矛盾。作為容量在100 kVA以上的發電機組，要求其接地電阻rd≤4 Ω。按照GB50057-94建筑防雷設計標準，三級防雷建筑，3.4.2款規定：下導沖擊電阻不超過20 Ω。接地裝置包括接地體和接地線。防雷接地裝置與一般電氣設備接地裝置大體相同，采用平均直徑大于10 m的接地圓環，各臺風機的接地相互連接成一個接地網，以使雷電流能更快地導入大地。由于機組在風電場中的位置通常不十分確定。土壤電阻導電率對接地沖擊電阻有很大的影響。所以在設計時，認為土壤是兩層的：最上的素填土層和底下的沙礫層。認為土壤電阻率是8000～10000 Ω·cm。接地網是人工接地系統。風力發電機組本身的基礎端鋼筋網為自然接地體，考慮到電網系統的安全，要求在自然接地體外架設人工接地網，每一臺風力發電機的自然接地體與人工接地體應有可靠連接，以形成網絡。一般情況下人工接地體以采用管形接地體最為有利。人工接地體采用2英寸直徑，長度為250 cm的鋼管。同時，為減少外界溫度變化對流散電阻的影響，管頂一般離開地面50～70 cm。假設當地土壤條件為混合土，土壤電阻系數為10000 Ω·cm，在測量時土壤具有中等含水量，管鋼埋設深度為0.8～3.3 m。假如采用16根鋼管作為接地體，管間距采用2倍鋼管長度，即5 m，管鋼之間連接的扁鋼埋設在離地0.7 m處，其土壤電阻系數的換算系數取1.5，則此處ρ的計算值為：

ρ2=1.5×10000=15000 Ω·cm。

查相關資料，可得扁鋼的接地電阻約為rlb0=6 Ω。

查相關資料，當管鋼間距為兩倍管鋼長度，管鋼數為16時，利用系數ηn為0.34。

可得扁鋼的流散電阻為：rlb=6/0.34=17.65Ω。

接地體組的電阻為：

rdn=（17.65×4）/（17.65-4）=5.17Ω。

遭遇雷擊時，接地體沖擊電阻為：rds=α×rl

對于長2～3 m，直徑在6 cm以下的垂直接地體，在土壤電阻系數為10000 Ω·cm時，沖擊電流波頭3～6微秒的沖擊系數α值，如下。

以此所計算得的沖擊電阻值均能符合要求。

2 等電位連接

風機槳葉通過葉根法蘭連接到輪轂，再通過鎖緊盤與一個碳刷相連接，然后由另一個碳刷接至回轉支承外圈，連接塔筒，最后通過接地扁鋼接地網。利用碳刷良好的導電性能可以避免軸承受到雷電流的損害，同時還易于更換。另外，發電機的接地電纜從機艙上下來接入控制柜的銅牌，連接到戶外的變壓器中心點。控制柜外殼接地是通過接地線連接到接地扁鋼實現的。WD750kW型風力發電機內部的各個金屬部件之間均有直接接觸面或連接線，從風向風速儀支架引下的接地線與機艙底座連接，同時發電機的接地線也與機艙底座連接。塔筒間接地由兩側各一根70 mm2銅線實現。

3 浪涌保護

目前，微電子的廣泛使用增加了雷擊風險，而浪涌保護模式的出現則實現了其雷擊風險的降低。這是由于直接雷擊很難造成微電子設備短路或破壞，但是卻容易導致電流浪涌。微電子設備多為集成機構，其信號來源廣泛，這樣其對過電流和電壓的抵抗和防御能力較低，易受到雷擊保護。浪涌保護主要由三大功能構成：一次放電，退藕和精確鉗壓。MOA的避雷器響應時間非常快，當過電壓一旦超過標稱導通電壓時在25納秒左右響應，迅速將電壓鉗制在安全范圍內。風力發電機使用最大持續工作電壓1000VAC最大放電能力8/20微秒40 kA的SPD，發電機定子、轉子用壓敏類SPD（防自身電涌），發電機組功率回路變壓器側用氣隙類SPD（防雷用）。在w750kw風機系統中DP 440用于將電源線接入防雷等電位系統中，安裝與LPZ 0A-1界面，用于防止低壓設備受到過壓干擾和直接雷擊的破壞；DG 275安裝于LPZ0B-1或更高的界面，與上一級電涌保護器DP 440配合使用。DP 440和DG 275型避雷器絕緣阻值≥103 mΩ；雷電沖擊電流達100 kA；響應時間≤100ns；殘壓≤3.5 kV；并帶有雙重的熱脫扣裝置。增強風電系統弱電電源防護，通信信號、控制信號及傳感器信號等防護。

4 結論

1）風力發電過電壓接地主要體現在其內部防雷上，要實現電壓接地，金屬地網并非越大越好，盡可能使用扁材而非圓棒。每只風機采用獨立地網而非風場所有機組互聯；不主張用金屬塔筒作泄流通道，一方面感性可能太大另一方面是泄流時電磁輻射。

2）其次要阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波。最好做聯合地網確保一定的等電位避免地電位反擊，但接地端子功能上有所區分。強弱電接地分開主要是因為強電系統會干擾弱電系統運行影響控制的穩定性和可靠性。

3）實現風力發電設備的浪涌保護，其原理在于控制鉗位被保護設備的浪涌過壓及過流大小，確保其在合理范圍之內。地網接地端子一定要區分，強弱電及不同保護區的接地功能要區分開來。建議所使用SPD的標稱導通電壓為AC620V或AC680V，最大持續運行電壓AC385V或AC420V。

參考文獻

[1]何金良，曾嶸.電力系統接地技術[M].北京：科學出版社，2007：28-54.

[2]楊文斌，周浩.風電機組過電壓保護與防雷接地設計[J].高電壓技術，2008，34（10）：2081-2085.

[3]王麗廣.風電機組的防雷保護[J].變流技術與電力牽引，2008（2）：37-39.endprint

摘 要 在利用風力發電過程中，雷擊是其主要影響因素。因此如何防雷就成為其主要任務，主要包括外表防雷和內部防雷兩部分。外部系統防雷主要措施為葉片防雷系統的改進，而內部防雷措施主要為過電壓接地處理。文章具體分析了風力發電機過電壓階段的工藝過程。

關鍵詞 風力發電機；基礎接地；浪涌保護

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0063-01

在雷擊導致的風力發電機破壞中，有相當大的部分與雷擊電壓過大導致的葉片或與引下線設備相連的設備破壞。處理這一問題的唯一措施就是實現過電壓接地，其中包括風機基礎接地、等電位連接以及浪涌保護三個階段，為了進一步明確其接地過程，文章分別進行了分析，從而實現對風力發電機的保護。

1 風力發電機基礎接地

在風力發電機基礎接地過程中，最重要的問題就是其與低電阻率網點之間的矛盾。作為容量在100 kVA以上的發電機組，要求其接地電阻rd≤4 Ω。按照GB50057-94建筑防雷設計標準，三級防雷建筑，3.4.2款規定：下導沖擊電阻不超過20 Ω。接地裝置包括接地體和接地線。防雷接地裝置與一般電氣設備接地裝置大體相同，采用平均直徑大于10 m的接地圓環，各臺風機的接地相互連接成一個接地網，以使雷電流能更快地導入大地。由于機組在風電場中的位置通常不十分確定。土壤電阻導電率對接地沖擊電阻有很大的影響。所以在設計時，認為土壤是兩層的：最上的素填土層和底下的沙礫層。認為土壤電阻率是8000～10000 Ω·cm。接地網是人工接地系統。風力發電機組本身的基礎端鋼筋網為自然接地體，考慮到電網系統的安全，要求在自然接地體外架設人工接地網，每一臺風力發電機的自然接地體與人工接地體應有可靠連接，以形成網絡。一般情況下人工接地體以采用管形接地體最為有利。人工接地體采用2英寸直徑，長度為250 cm的鋼管。同時，為減少外界溫度變化對流散電阻的影響，管頂一般離開地面50～70 cm。假設當地土壤條件為混合土，土壤電阻系數為10000 Ω·cm，在測量時土壤具有中等含水量，管鋼埋設深度為0.8～3.3 m。假如采用16根鋼管作為接地體，管間距采用2倍鋼管長度，即5 m，管鋼之間連接的扁鋼埋設在離地0.7 m處，其土壤電阻系數的換算系數取1.5，則此處ρ的計算值為：

ρ2=1.5×10000=15000 Ω·cm。

查相關資料，可得扁鋼的接地電阻約為rlb0=6 Ω。

查相關資料，當管鋼間距為兩倍管鋼長度，管鋼數為16時，利用系數ηn為0.34。

可得扁鋼的流散電阻為：rlb=6/0.34=17.65Ω。

接地體組的電阻為：

rdn=（17.65×4）/（17.65-4）=5.17Ω。

遭遇雷擊時，接地體沖擊電阻為：rds=α×rl

對于長2～3 m，直徑在6 cm以下的垂直接地體，在土壤電阻系數為10000 Ω·cm時，沖擊電流波頭3～6微秒的沖擊系數α值，如下。

以此所計算得的沖擊電阻值均能符合要求。

2 等電位連接

風機槳葉通過葉根法蘭連接到輪轂，再通過鎖緊盤與一個碳刷相連接，然后由另一個碳刷接至回轉支承外圈，連接塔筒，最后通過接地扁鋼接地網。利用碳刷良好的導電性能可以避免軸承受到雷電流的損害，同時還易于更換。另外，發電機的接地電纜從機艙上下來接入控制柜的銅牌，連接到戶外的變壓器中心點。控制柜外殼接地是通過接地線連接到接地扁鋼實現的。WD750kW型風力發電機內部的各個金屬部件之間均有直接接觸面或連接線，從風向風速儀支架引下的接地線與機艙底座連接，同時發電機的接地線也與機艙底座連接。塔筒間接地由兩側各一根70 mm2銅線實現。

3 浪涌保護

目前，微電子的廣泛使用增加了雷擊風險，而浪涌保護模式的出現則實現了其雷擊風險的降低。這是由于直接雷擊很難造成微電子設備短路或破壞，但是卻容易導致電流浪涌。微電子設備多為集成機構，其信號來源廣泛，這樣其對過電流和電壓的抵抗和防御能力較低，易受到雷擊保護。浪涌保護主要由三大功能構成：一次放電，退藕和精確鉗壓。MOA的避雷器響應時間非常快，當過電壓一旦超過標稱導通電壓時在25納秒左右響應，迅速將電壓鉗制在安全范圍內。風力發電機使用最大持續工作電壓1000VAC最大放電能力8/20微秒40 kA的SPD，發電機定子、轉子用壓敏類SPD（防自身電涌），發電機組功率回路變壓器側用氣隙類SPD（防雷用）。在w750kw風機系統中DP 440用于將電源線接入防雷等電位系統中，安裝與LPZ 0A-1界面，用于防止低壓設備受到過壓干擾和直接雷擊的破壞；DG 275安裝于LPZ0B-1或更高的界面，與上一級電涌保護器DP 440配合使用。DP 440和DG 275型避雷器絕緣阻值≥103 mΩ；雷電沖擊電流達100 kA；響應時間≤100ns；殘壓≤3.5 kV；并帶有雙重的熱脫扣裝置。增強風電系統弱電電源防護，通信信號、控制信號及傳感器信號等防護。

4 結論

1）風力發電過電壓接地主要體現在其內部防雷上，要實現電壓接地，金屬地網并非越大越好，盡可能使用扁材而非圓棒。每只風機采用獨立地網而非風場所有機組互聯；不主張用金屬塔筒作泄流通道，一方面感性可能太大另一方面是泄流時電磁輻射。

2）其次要阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波。最好做聯合地網確保一定的等電位避免地電位反擊，但接地端子功能上有所區分。強弱電接地分開主要是因為強電系統會干擾弱電系統運行影響控制的穩定性和可靠性。

3）實現風力發電設備的浪涌保護，其原理在于控制鉗位被保護設備的浪涌過壓及過流大小，確保其在合理范圍之內。地網接地端子一定要區分，強弱電及不同保護區的接地功能要區分開來。建議所使用SPD的標稱導通電壓為AC620V或AC680V，最大持續運行電壓AC385V或AC420V。

參考文獻

[1]何金良，曾嶸.電力系統接地技術[M].北京：科學出版社，2007：28-54.

[2]楊文斌，周浩.風電機組過電壓保護與防雷接地設計[J].高電壓技術，2008，34（10）：2081-2085.

[3]王麗廣.風電機組的防雷保護[J].變流技術與電力牽引，2008（2）：37-39.endprint

摘 要 在利用風力發電過程中，雷擊是其主要影響因素。因此如何防雷就成為其主要任務，主要包括外表防雷和內部防雷兩部分。外部系統防雷主要措施為葉片防雷系統的改進，而內部防雷措施主要為過電壓接地處理。文章具體分析了風力發電機過電壓階段的工藝過程。

關鍵詞 風力發電機；基礎接地；浪涌保護

中圖分類號：TM31 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0063-01

在雷擊導致的風力發電機破壞中，有相當大的部分與雷擊電壓過大導致的葉片或與引下線設備相連的設備破壞。處理這一問題的唯一措施就是實現過電壓接地，其中包括風機基礎接地、等電位連接以及浪涌保護三個階段，為了進一步明確其接地過程，文章分別進行了分析，從而實現對風力發電機的保護。

1 風力發電機基礎接地

在風力發電機基礎接地過程中，最重要的問題就是其與低電阻率網點之間的矛盾。作為容量在100 kVA以上的發電機組，要求其接地電阻rd≤4 Ω。按照GB50057-94建筑防雷設計標準，三級防雷建筑，3.4.2款規定：下導沖擊電阻不超過20 Ω。接地裝置包括接地體和接地線。防雷接地裝置與一般電氣設備接地裝置大體相同，采用平均直徑大于10 m的接地圓環，各臺風機的接地相互連接成一個接地網，以使雷電流能更快地導入大地。由于機組在風電場中的位置通常不十分確定。土壤電阻導電率對接地沖擊電阻有很大的影響。所以在設計時，認為土壤是兩層的：最上的素填土層和底下的沙礫層。認為土壤電阻率是8000～10000 Ω·cm。接地網是人工接地系統。風力發電機組本身的基礎端鋼筋網為自然接地體，考慮到電網系統的安全，要求在自然接地體外架設人工接地網，每一臺風力發電機的自然接地體與人工接地體應有可靠連接，以形成網絡。一般情況下人工接地體以采用管形接地體最為有利。人工接地體采用2英寸直徑，長度為250 cm的鋼管。同時，為減少外界溫度變化對流散電阻的影響，管頂一般離開地面50～70 cm。假設當地土壤條件為混合土，土壤電阻系數為10000 Ω·cm，在測量時土壤具有中等含水量，管鋼埋設深度為0.8～3.3 m。假如采用16根鋼管作為接地體，管間距采用2倍鋼管長度，即5 m，管鋼之間連接的扁鋼埋設在離地0.7 m處，其土壤電阻系數的換算系數取1.5，則此處ρ的計算值為：

ρ2=1.5×10000=15000 Ω·cm。

查相關資料，可得扁鋼的接地電阻約為rlb0=6 Ω。

查相關資料，當管鋼間距為兩倍管鋼長度，管鋼數為16時，利用系數ηn為0.34。

可得扁鋼的流散電阻為：rlb=6/0.34=17.65Ω。

接地體組的電阻為：

rdn=（17.65×4）/（17.65-4）=5.17Ω。

遭遇雷擊時，接地體沖擊電阻為：rds=α×rl

對于長2～3 m，直徑在6 cm以下的垂直接地體，在土壤電阻系數為10000 Ω·cm時，沖擊電流波頭3～6微秒的沖擊系數α值，如下。

以此所計算得的沖擊電阻值均能符合要求。

2 等電位連接

風機槳葉通過葉根法蘭連接到輪轂，再通過鎖緊盤與一個碳刷相連接，然后由另一個碳刷接至回轉支承外圈，連接塔筒，最后通過接地扁鋼接地網。利用碳刷良好的導電性能可以避免軸承受到雷電流的損害，同時還易于更換。另外，發電機的接地電纜從機艙上下來接入控制柜的銅牌，連接到戶外的變壓器中心點。控制柜外殼接地是通過接地線連接到接地扁鋼實現的。WD750kW型風力發電機內部的各個金屬部件之間均有直接接觸面或連接線，從風向風速儀支架引下的接地線與機艙底座連接，同時發電機的接地線也與機艙底座連接。塔筒間接地由兩側各一根70 mm2銅線實現。

3 浪涌保護

目前，微電子的廣泛使用增加了雷擊風險，而浪涌保護模式的出現則實現了其雷擊風險的降低。這是由于直接雷擊很難造成微電子設備短路或破壞，但是卻容易導致電流浪涌。微電子設備多為集成機構，其信號來源廣泛，這樣其對過電流和電壓的抵抗和防御能力較低，易受到雷擊保護。浪涌保護主要由三大功能構成：一次放電，退藕和精確鉗壓。MOA的避雷器響應時間非常快，當過電壓一旦超過標稱導通電壓時在25納秒左右響應，迅速將電壓鉗制在安全范圍內。風力發電機使用最大持續工作電壓1000VAC最大放電能力8/20微秒40 kA的SPD，發電機定子、轉子用壓敏類SPD（防自身電涌），發電機組功率回路變壓器側用氣隙類SPD（防雷用）。在w750kw風機系統中DP 440用于將電源線接入防雷等電位系統中，安裝與LPZ 0A-1界面，用于防止低壓設備受到過壓干擾和直接雷擊的破壞；DG 275安裝于LPZ0B-1或更高的界面，與上一級電涌保護器DP 440配合使用。DP 440和DG 275型避雷器絕緣阻值≥103 mΩ；雷電沖擊電流達100 kA；響應時間≤100ns；殘壓≤3.5 kV；并帶有雙重的熱脫扣裝置。增強風電系統弱電電源防護，通信信號、控制信號及傳感器信號等防護。

4 結論

1）風力發電過電壓接地主要體現在其內部防雷上，要實現電壓接地，金屬地網并非越大越好，盡可能使用扁材而非圓棒。每只風機采用獨立地網而非風場所有機組互聯；不主張用金屬塔筒作泄流通道，一方面感性可能太大另一方面是泄流時電磁輻射。

2）其次要阻塞沿電源線或數據、信號線引入的過電壓波。最好做聯合地網確保一定的等電位避免地電位反擊，但接地端子功能上有所區分。強弱電接地分開主要是因為強電系統會干擾弱電系統運行影響控制的穩定性和可靠性。

3）實現風力發電設備的浪涌保護，其原理在于控制鉗位被保護設備的浪涌過壓及過流大小，確保其在合理范圍之內。地網接地端子一定要區分，強弱電及不同保護區的接地功能要區分開來。建議所使用SPD的標稱導通電壓為AC620V或AC680V，最大持續運行電壓AC385V或AC420V。

參考文獻

[1]何金良，曾嶸.電力系統接地技術[M].北京：科學出版社，2007：28-54.

[2]楊文斌，周浩.風電機組過電壓保護與防雷接地設計[J].高電壓技術，2008，34（10）：2081-2085.

[3]王麗廣.風電機組的防雷保護[J].變流技術與電力牽引，2008（2）：37-39.endprint