國網電力寧海茶山風電場風力發電機組雷電防護設計

徐元亮

摘 要：在常規能源告急和全球生態環境惡化的雙重壓力下，風能作為一種無污染、可再生、高效清潔的替代能源，近年來發展尤為迅猛，目前風力發電是成為很多國家應用的能源項目。作者結合本工程實例，系統地闡述風力發電場發電機組雷電防護設計及其實現。

關鍵詞：風力發電;雷電防護;設計

1 國網電力寧海茶山風電場工程概況

本工程位于浙江省寧海縣東部，茶山抽蓄規劃上庫周邊，總裝機規模為58.5MW，安裝33臺單機容量1500KW風電機組，風力發電機出口電壓為690V。

本工程在風電場址中部建造110KV升壓站，風電場電能經1臺10KV主變壓器升壓后，最終以一回110KV線路接入220KV霞客變。風電場采用二級升壓方式，風機電壓690V經箱變升壓至35KV后經主變二次升壓至110KV，場內集電線路采用35KV電纜。

升壓站內布置有生產綜合樓、水泵房、SVG室等建筑物。其中主變壓器采用戶外布置，布置在生產綜合樓北側;110KV配電裝置采用GIS方式，布置在生產綜合樓二層;35KV配電裝置采用戶內金屬成套開關柜，布置在生產綜合樓一層;蓄電池室和低壓配電室布置在生產綜合樓一層;繼保室、通信機房、中控室布置在生產綜合樓二層。生產綜合樓高15.3m，長52.8m，寬20.1m。

2 設計目的

設計目的：為防止或減少國網電力寧海茶山風力發電場風力發電機組遭受雷擊所造成人員及財產損失。

3 設計依據

（1）《IEC61400-24-2010 風力發電系統防雷保護》

（2）《IEC62305 雷電防護》

（3）《GL指導文件1V-1 風力發電系統》

（4）《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997

（5）《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620-1997

（6）《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010版

（7）《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2012版

（8）《電子信息系統機房設計規范》GB50174-2008

4 防雷設計方案

4.1 防雷分類

寧海縣年平均雷暴日數為39.9天，根據《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010版中要求，根據建筑物重要性、使用性質、發生雷電事故的可能性和后果，本工程風力發電機組及箱變屬于第二類防雷建筑物。

4.2 風力發電機組防雷設計

風機遭受直擊雷雷擊路線是：當直擊雷擊中葉片上的接閃器后通過葉片內腔中的導引線傳導到葉片根部再經機艙主機架然后通過塔架中的專設引下線接入接地網引入大地。據風力發電普及率最高的丹麥和德國統計遭受雷擊損壞部位中，葉片損壞率占15%-20%，而80%以上是與塔架中專設引下線相連的其他設備。這些設備都是受雷電引入大地過程中產生過電壓而損壞的。也就是說，雷電對風力發電機組設備的損壞包括直擊雷和雷電感應;并且，雷電感應造成的設備損壞損失比較大，造成的影響也更嚴重。

因此本項目風電機組主要考慮外部直擊雷雷電防護、內部雷電感應防護、接地系統設計、箱變雷電防護等四個方面。發電機組防雷分區如右圖：

圖1

4.2.1 風力發電機組的直擊雷防護

風力發電機組的直擊雷防護分為5個不同位置的保護，它們分別是3個葉片，機艙蓋頂部和風速儀。

（1）機組直擊雷防護：在風電機組的每個葉片尖端上內嵌截面積為50mm2鋁板作為雷擊點，并用截面80mm2多股銅芯線連接到輪轂，再從輪轂連接到機艙主機架，通過塔架將雷電流泄放到大地。

（2）機艙和風速儀直擊雷防護：由于葉片高度遠高于機艙且葉片中已裝設接閃器，通過滾球法計算機艙和風速儀都處于保護范圍內，因此機艙不再加裝直擊雷防護裝置，但是考慮到機組工作時葉片是轉動的，所以在距風速儀0.3m處增設一根高度為0.8m接閃桿進行防護。

（3）引下線：由于本次風力發電機組塔架為厚度7.0mm鋼塔架，所以利用塔架本身作為引下線。

4.2.2 內部雷電防護設計

內部雷電防護主要是針對風力發電機組內易受雷電感應的形成暫態過電壓造成設備損壞的設備。我們此次內部雷電防護主要分為發電機組電氣系統的過電壓防護和發電機組弱電系統的雷電防護。

4.2.2.1 發電機組電氣系統的過電壓防護

發電機組電氣系統的過電壓防護采用三級防護，安裝電涌保護器。第一級防護：風力發電機箱變到機組主開關的690V電力電纜作為電源入口處，即LPZ0A或LPZOB區與LPZ1區交界處，從電源處引來的線路上，裝設第一級電涌保護器，能防止電網側發生雷擊情況下保護機組內部主回路。安裝位置應選擇在箱變變壓器低壓測。根據IEC61400-24-2010風力渦輪發電系統防雷防護的要求，網側設備的雷電流釋放指標需要達到150KA，即每相690V、50HZ的進線雷電釋放指標為50KA。因此采用3只沖擊雷電流為50KA的電涌保護器，將殘壓控制在4KV以下。第二級防護：在LPZ1區與LPZ2區交界處即在靠近需要保護的設備處裝設第二級電涌保護器，電氣系統宜選用Ⅱ級實驗電涌保護器，Ⅱ級實驗的電涌保護器標稱放電電流不小于5KA。因此采用3只最大標稱放電電流為40KA，額定放電電流為10KA的電涌保護器作為第二級防護。第三級防護：第三級防護在上一級電涌保護器泄放雷電流后殘壓的基礎上對線纜上的雷電流進一步的泄放。因此選用將殘壓控制在1.25KV以下，且具有濾波功能，能消除很大部分的電磁干擾、射頻干擾的電涌保護器。

4.2.2.2 發電機組弱電系統的雷電防護

（1）機艙內所有電子信息設備都必須采用截面為6mm2銅帶進行等電位連接并接地。

（2）在傳感控制與通信系統等重要的電子信息設備電源端口安裝Ⅱ類或Ⅲ實驗浪涌保護器。并在設備信號射頻出、入端口上加裝信號浪涌保護器。

4.2.3 接地電阻設計

根據相關技術規范以及本項目設備廠家的要求，此次單臺風力發電機組的接地電阻設計為不大于4Ω。

接地極設置：由于本項目風力發電機組都處于山區，土壤電阻率都極高，所以風電機組接地裝置是以機組基礎中心為圓心，約每隔9m和6m設置兩圈水平環形接地網，埋設深度為15m，接地網敷設垂直于垂直接地極（均采用電解地極）頂部與垂直接地極進行焊接，同時從風電機中心向北面、西面、東面各敷設1根-60×8mm熱鍍鋅扁鋼的水平接地極與接地網進行焊接，水平接地極的敷設深度為1.5m。如圖2

因為環形水平接地網及向北面、西面、東面水平接地極主要作為連接和等電位作用，而垂直接地極是用于泄放雷電流。故而將垂直接地極周圍埋設物理型降阻劑降阻。這種方式是利用了球形的散流模型，結合降阻劑導電性好特點，從而達到降阻的目的。

4.3 風電機組箱變的雷電防護設計

由于機組的塔架高度遠遠大于箱變高度且箱變位置離機組比較近，所以箱變處于保護范圍內，根據《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997規定，電氣裝置的工作保護接地電阻不宜大于4Ω，而風電機組接地電阻也為4Ω，因此只需將箱變用-60×8mm熱鍍鋅扁鋼與機組接地系統相連形成等電位連接即可。由于箱變是用過電纜線和系統連接，因此需在變壓器高壓側安裝金屬氧化鋅電涌保護器，同時為了保護機組內部店里電子元件，在低壓側安裝第一級電涌保護器。

參考文獻：

[1]IEC61400-24-2010 風力發電系統防雷保護.

[2]IEC62305 雷電防護.

[3]GL指導文件1V-1 風力發電系統.

[4]中華人民共和國電力行業標準，《交流電氣裝置的接地》DL/T621-1997，中華人民共和國電力工業部，1997.

[5]中華人民共和國電力行業標準，《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》DL/T620-1997，中華人民共和國電力工業部，1997.

[6]中華人民共和國國家標準，《建筑物防雷設計規范》GB50057-2010，中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局聯合發布，2010.