風電機組過電壓保護與防雷接地保護設計研究

王克 汪天呈 甘瑜前

摘要：雷擊是嚴重影響風電機組正常運行的主要因素之一，多數風電機組所處環境較為空曠，容易受到雷擊影響，雷擊會產生較大的過電流和過電壓，對風力發電造成安全隱患。基于此，結合具體的工程實例，針對風電機組的過電壓保護及防雷接地保護設計進行了分析，以有效保障風電機組的安全、穩定運行。

關鍵詞：風電機組;雷擊;過電壓保護;防雷接地

0 引言

我國具有豐富的風能資源，風電機組裝機容量較大，但是風能資源多集中在空曠地帶及高山等雷電多發地帶，一旦發生雷擊問題，機組線路中會產生過電流和過電壓，容易給風電機組的安全運行造成威脅。因此，風電機組需要充分考慮采取過電壓保護措施，應當在機組容易遭受雷擊破壞的位置設置防雷裝置，并做好風電機組的防雷接地工作，以此保證風電機組的安全、穩定運行。

1 工程實例

某風力發電廠共設置了15臺風電機組，每臺風電機組均采用兩級升壓方式運行，電壓為650 V，在風電場每臺風電機組周圍還設置了1個箱式變電站，以保證風電機組的順利運行。在該風力發電廠中，主要由1條10 kV 電纜線路將風電機組與升壓站串聯。

該風電場所處地區為喀斯特地貌特征，地勢特點為高低起伏，土壤中的電氣特性變化較大，容易導致該區域發生強對流天氣和尖端放電現象，很大程度上增加了風電機組遭受雷擊的風險。針對這種特殊地形特征，該風電場在進行防雷接地保護設計時，需要充分考慮2個因素：（1）風電機組周圍的土壤電阻率。土壤電阻率越低，接地電阻越小。根據現場調查可知，該風電場土壤中的電阻在900～4 400 Ω。（2）接地網的規模，包括接地網的縱向跨越深度及橫向占地面積。

該風電場的土壤電阻率較高，通常會采用降阻劑、局部換土或接地模塊等方式降低土壤的電阻率，同時，為了能夠滿足接地電阻要求，應增加接地網的縱向跨越深度及橫向占地面積。

2 風電機組過電壓保護及防雷接地保護設計

2.1 ? ?直擊雷保護設計

風電機組結構較為復雜，通常由支撐塔筒、葉片、液壓系統、變速裝置、偏航裝置、發電機等構成。受直擊雷危害最大的部位是風電機組的機艙，所以在安裝風電機組機艙時，應當選擇適合的位置進行安裝，確保風電機組機艙不受雷擊損害，以免機艙內部設備損壞。同時，應當在葉片頂部位置安裝雷電接收器，起到保護葉片的作用。另外，考慮到大型風電機組的重量，一般會選擇復合材料作為機艙外殼材料，以減輕機組重量，有利于機組接閃和屏蔽雷電。

對于機艙內部活動部分的導線連接，包括機艙間與風輪、塔柱間與水平軸、水平軸與尾艙等，應當結合具體情況進行科學設計和安裝，考慮到連接的導線需要長時間工作，且在振動等外力作用下容易出現疲勞或斷裂等情況，最好設置兩根連接導線，采用最短路線接入接地裝置，引導直擊雷電流流向大地。

2.2 ? ?感應雷保護設計

對于感應雷保護設計，主要是在風電機組內部容易遭受雷擊破壞的設備上進行過電壓保護，在設備上安裝感應雷保護裝置。在風電機組內部設備受到電壓損害時，電壓保護裝置能夠第一時間將能量釋放，避免設備受到雷擊破壞。目前對于風電機組的過電壓保護，主要包括信號防雷和電源防雷兩種類型。其中，電源防雷指的是電源系統避雷過壓保護，設置的保護等級是三級，且需要通過電涌保護器進行聯合保護，從而達到更好的保護效果。需要注意的是，在安裝電涌保護器時，應遵循就近保護及接地線接地保護原則，以保證電涌保護器安裝的合理性。另外，還需要在風電機組電源入口位置安裝電涌保護設備，保護等級是一級，并盡可能控制殘壓在4 kV以下，同時也要在電動機的整流器上安裝電涌保護裝置，保護等級是二級，具體的安裝位置根據塔架配電柜的實際需求選擇，以最大化地提高電涌保護裝置的保護效率。

2.3 ? ?防雷接地系統設計

針對上述提到的風力發電場及風電機組的設置要求，有必要對每臺風電機組進行單獨的防雷設計，因為多數風電機組在實際運行過程中，所處區域的土壤電阻率較高，但是考慮到對每臺風電機組進行接地電阻沖擊測試時，無法借助測量手段獲取，所以需要預先測算出單臺風電機組接地網的工頻接地電阻，然后根據其與沖擊接地電阻間的關系獲取沖擊電阻值，從而選擇合適的風電機組安裝位置。另外，針對風電機組所處的地理位置差異，在防雷保護上也會有不同的要求，在設計風電機組防雷接地系統時，應當充分考慮機組的防雷要求，且需要考慮到施工難度及經濟問題，在雷電流幅值較大的情況下，會對風電機組產生較大的破壞，線路內過電壓非常高，所以除了必要的接地系統設計之外，還需要采取合適的避雷措施。

2.4 ? ?配套升壓設備保護設計

該風力發電場的風電機組出口電壓為650 V，所以需要采用箱式變壓器將電壓升高至10 kV和35 kV后才可輸送至升壓站，在不考慮直擊雷的情況下，通常需要在風電機組周圍設置箱式變壓器，并且需要控制風電機組升壓設備工頻接地電阻在4 Ω左右，風電機組升壓設備接地也要充分利用風電機組基礎接地網。另外，一旦配套的升壓設備變高壓后，還需要在變壓器高壓側安裝專門的避雷器，避免雷電侵入波對其造成不良影響，且需要在低壓側安裝電涌保護裝置，對風電機組內部設備進行防雷保護。

3 風電機組防雷接地設計中的注意事項

3.1 ? ?接地系統的合理性

對于風電機組的過電壓保護，應當充分保證防雷接地系統的合理性，對過電壓進行有效控制，避免對相關人員和設備造成傷害，將風機機組中經過的雷電流導入地層中。

3.2 ? ?考慮個例現狀

不同地理位置的風力發電場的土壤電阻率也不同，所以在進行風電機組過壓保護及防雷接地保護設計時，需要推算出土壤電阻率、沖擊接地電阻、接地有效值等，并對這些數據進行分析，從而推算出具體的巖層分布數據，最后在此基礎上進行風電機組的防雷接地系統設計，并在需要的地方安放相應的警示牌，防止跨步電壓對周圍機械設備及人員帶來安全隱患。

3.3 ? ?危險電壓的科學估算

在雷雨天氣，風電機組遭受雷擊的概率較大，遇到雷擊時雷電流會進入到建筑物內部，并在塔身中分散流至電纜線路和地面中。但是受到接地系統設置的大小和形狀的限制，往往電流會通過電壓梯度的方式集中在塔架周圍，雖然能防止塔架周圍人員遭受雷電直擊，但是地面的電壓梯度也會對周圍的機械設備及相關人員造成傷害，如果人處于這個區域內，會存在電流流經身體的風險。因此，在對風電機組進行過電壓保護及防雷接地系統設計時，應當充分考慮對風電機組塔筒周圍危險電壓的科學估算。

4 結語

對于風力發電場的過電壓保護，主要分為風電機組、升壓站和場內輸電線路的過電壓保護及防雷接地保護3個部分，后2個部分的防雷接地保護設計可參考國家相關標準及行業要求，在對風電機組進行過電壓保護設計時，應當充分利用自然接地的優勢，選擇合適的接地方式，如采用降阻劑、局部換土或接地模塊等方式，降低接地電阻，另外在風電機組高壓側安裝必要的避雷裝置以及在低壓側安裝電涌保護裝置。

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收稿日期：2020-07-29

作者簡介：王克（1986—），男，江西人，碩士研究生，研究方向：新能源電力系統設計。