1、關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷與降低接地電阻的研究【摘要】 隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的可靠性、安全性的要求很高。以往，人們對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的防雷、接地已成為電站可靠、安全運(yùn)行的一個(gè)重要因素。文章針對(duì)頻繁發(fā)生雷電損壞風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的現(xiàn)狀進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性的研究。通常，風(fēng)電機(jī)組選點(diǎn)和設(shè)置在具備風(fēng)力資源豐富的地區(qū)，多在海岸、丘陵、山脊等地區(qū)。而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。安裝時(shí)一般將風(fēng)電機(jī)組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)，并且遠(yuǎn)離其它高大物體，因此高大的風(fēng)電機(jī)組吸引雷電的能力較強(qiáng)。同時(shí)，丘陵和山脊的土壤導(dǎo)電性能相對(duì)較差，因此，風(fēng)電機(jī)組的接地是需要認(rèn)真解決的問題。雷電的強(qiáng)大電流會(huì)毀壞風(fēng)機(jī)葉片，雷電產(chǎn)生的強(qiáng)烈

2、電磁場(chǎng)會(huì)在整個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)備線路中產(chǎn)生瞬時(shí)過電壓。強(qiáng)大的雷電浪涌電流通過風(fēng)力機(jī)的電路系統(tǒng)各種導(dǎo)線或電纜傳播，使發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器等電氣備和控制、通信、SCADA等電子系統(tǒng)等災(zāi)難性損壞。并網(wǎng)風(fēng)機(jī)當(dāng)一臺(tái)出現(xiàn)損壞后，能造成關(guān)聯(lián)性災(zāi)害的連續(xù)發(fā)生，整個(gè)局部電網(wǎng)系統(tǒng)崩潰。雷電對(duì)大風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行形成巨大的挑戰(zhàn)是顯而易見的，雷害后要更換損壞的關(guān)鍵部件如葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)、變壓器等其成本非常之高。在許多時(shí)候廠家無法保證雷電感應(yīng)不會(huì)引起風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的故障。更換部件的籌備時(shí)間和實(shí)施時(shí)間很長(zhǎng)，進(jìn)入風(fēng)電場(chǎng)時(shí)間，還受氣象條件的限制，有時(shí)要耽擱數(shù)周的時(shí)間。離岸和在邊遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)置的風(fēng)機(jī)，運(yùn)輸物資及其困難，維修人員的開銷會(huì)很大，雷

3、害的后果是運(yùn)行設(shè)備損失，能源生產(chǎn)停頓。但最大的損失是風(fēng)電場(chǎng)停止運(yùn)行時(shí)，運(yùn)營(yíng)商在故障期間的發(fā)電收入損失。因此，風(fēng)電機(jī)組需要大容量，高可靠性的雷電浪涌保護(hù)措施。一：風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的雷電防護(hù)及等電位接地分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷擊案例：2008年9月云南大理某風(fēng)電場(chǎng)41號(hào)風(fēng)機(jī)(圖1),因雷電擊中風(fēng)力圖1光端機(jī)690V電源開關(guān)氧化鋅避雷器63A熔斷器 信號(hào)控制器發(fā)電機(jī)葉片后，出現(xiàn)了如下設(shè)備損壞情況:控制柜內(nèi)690V電源SPD前端63A熔斷器燒壞,信號(hào)控制器、光端機(jī)、升壓變低壓側(cè)(690V)電源開關(guān)燒毀，金屬氧化鋅避雷器損壞，如圖2所示：光端機(jī)690V電源開關(guān)氧化鋅避雷器63A熔斷器 信號(hào)控制器圖二風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合

4、防雷分析:風(fēng)機(jī)發(fā)配電電氣原理圖如圖3所示：當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片接閃雷電時(shí)，雷電流I通過風(fēng)機(jī)葉片分別經(jīng)I1 、I2、I3、I4分流入地，其中大部分雷電流I1經(jīng)風(fēng)機(jī)塔筒入地；雷電流I2經(jīng)發(fā)風(fēng)機(jī)外殼接地線入地；I3經(jīng)風(fēng)機(jī)電源輸出端d侵入電源電纜，從升壓變中性點(diǎn)E點(diǎn)入地；I4從風(fēng)機(jī)的信號(hào)控制端x端侵入信號(hào)電纜，流過塔筒內(nèi)控制柜經(jīng)接地匯集排從F點(diǎn)入地。雷電流侵入電源電纜及信號(hào)電纜經(jīng)設(shè)備入地的過程中，將會(huì)損壞線路末端的設(shè)備，如升壓變低壓側(cè)、電源開關(guān)、控制器等設(shè)備。同時(shí)，由于雷電流入地后產(chǎn)生的地電位抬升與光端機(jī)光纖遠(yuǎn)端的接地存在高達(dá)100kV以上的電位差，雷電流將擊穿并燒毀控制柜內(nèi)的光端機(jī)。風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避

5、雷針）I=100kA升壓變風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避雷針）I=100kA升壓變控制柜UPSPLC690V35kV信號(hào)地接地匯集排I4II2I4I3d端x端I1電纜信號(hào)電纜發(fā)電機(jī)外殼接地線地面變壓器中性點(diǎn) 接地I3發(fā)電機(jī)690V電源電纜EF接地網(wǎng)35kV架空線要做到塔筒內(nèi)電源設(shè)備及信號(hào)控制等設(shè)備免受雷擊損壞，應(yīng)在如圖4所示的塔筒內(nèi)電源線及信號(hào)線分別安裝電源電涌保護(hù)器(簡(jiǎn)稱SPD如,SPD1和SPD2)和信號(hào)電涌保護(hù)器(如SPD3)，光端機(jī)光纖的金屬加強(qiáng)芯及屏蔽層接地直接接地匯集排(建議采用無金屬加強(qiáng)芯及屏蔽層的光纖)接地,使雷電流得以泄放入地,并實(shí)現(xiàn)等電位。同理，在變壓器的高低壓側(cè)分別安裝相應(yīng)級(jí)

6、別（35kV/690V）氧化鋅避雷器(如P2和P1)。為防止雷電流從35kV架空線侵入變壓器，在35kV架空線路的起始桿上安裝一組氧化鋅避雷器(如P3)。塔筒接地、控制柜信號(hào)接地、SPD接地及變壓器中心點(diǎn)接地共用接地裝置，當(dāng)雷擊風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，地網(wǎng)及塔筒底座瞬間抬升的地電位將通過SPD加到電源線路、信號(hào)電纜及設(shè)備(如PLC)端口，實(shí)現(xiàn)PLC電源線A端、信號(hào)線B端與接地端等電位。EE風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避雷針）I=100kA升壓變控制柜UPSPLC690V35kV信號(hào)地接地匯集排I4II2I4d端x端I1電纜信號(hào)電纜發(fā)電機(jī)外殼接地線變壓器中性點(diǎn) 接地發(fā)電機(jī)690V電源電纜F35kV架空線ABP1

7、P2P3I3地面I3圖4風(fēng)機(jī)防雷現(xiàn)狀:電源電涌保護(hù)器經(jīng)對(duì)多個(gè)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機(jī)塔筒底部控制柜內(nèi)安裝安裝兩級(jí)電源防雷保護(hù)：有690V電源SPD1（如圖5），UPS輸出220V電源SPD2（如圖6）；升壓變壓器的低壓側(cè)(690V)安裝有金屬氧化鋅避雷器P1(如圖7)。但控制線沒有安裝信號(hào)SPD。如圖8所示：圖5 圖6圖7控制線E風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避雷針）控制線E風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避雷針）I=100kA升壓變控制柜UPSPLC690V35kV信號(hào)地接地匯集排I4II2I4I3d端x端I1電纜信號(hào)電纜發(fā)電機(jī)外殼接地線變壓器中性點(diǎn) 接地發(fā)電機(jī)690V電源電纜F35kV架空線AB

8、P1P2P3I3地面如上所述，當(dāng)雷擊風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，雷電流從信號(hào)電纜侵入并損壞控制柜的控制設(shè)備。在PLC控制線上應(yīng)安裝適配的信號(hào)SPD。另外，圖5中SPD通流量太小，不符合規(guī)范要求；圖5與圖6中兩級(jí)電源SPD的安裝不符合規(guī)范要求：SPD的安裝距離太短且沒有退藕措施?？刂乒竦慕拥胤绞接行╋L(fēng)機(jī)的控制柜接地匯集排（如圖9中F）接地引線沒有與塔筒連接,而是通過絕緣膠皮電纜埋地引到升壓變壓器的中心點(diǎn)接地（如圖8中F-E）。當(dāng)雷擊風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，雷電流入地后地網(wǎng)及塔筒基礎(chǔ)地電位瞬間抬升為U=RI，設(shè)直擊雷雷電流強(qiáng)度I=100kA并全部入地，塔筒接地網(wǎng)電阻值R=4，則地電位抬升U= IR =1004kV=400kV

9、，此時(shí)塔筒的電位抬升為高電位；UPS外殼、控制柜外殼、可編程控制器（PLC）外殼及信號(hào)接地等接至接地匯集排,通過變壓器中性點(diǎn)E點(diǎn)接地。塔筒與E點(diǎn)雖然共用接地裝置，但兩點(diǎn)由干經(jīng)過較長(zhǎng)的接地引線（如大于10m）相連,其電位是不相等的，E點(diǎn)的電位相對(duì)較低，此時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：塔筒抬升的高電位會(huì)對(duì)與低電位連接的設(shè)備及線路放電；大電流I4從塔頂經(jīng)發(fā)電機(jī)的信號(hào)控制端x端侵入信號(hào)電纜，流過塔筒內(nèi)控制柜經(jīng)接地匯集排從E點(diǎn)入地，如圖9所示，控制柜內(nèi)的設(shè)備損壞。E風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避雷針）E風(fēng)機(jī)塔筒風(fēng)機(jī)葉片（相當(dāng)于避雷針）I=100kA升壓變控制柜UPSPLC690V35kV信號(hào)地接地匯集排I4II2I

10、4I3d端x端I1電纜信號(hào)電纜發(fā)電機(jī)外殼接地線變壓器中性點(diǎn) 接地發(fā)電機(jī)690V電源電纜F35kV架空線ABP1P2P3地面二：風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的雷電防護(hù)及等電位接地整改方案2.1電源部分整改方案：根據(jù)GB50343-2004 HYPERLINK :/wenku.baidu /view/2d2e700e6c85ec3a87c2c526.html t _blank 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范3.2雷電防護(hù)區(qū)劃分規(guī)定（如圖9）塔筒底部控制柜及升壓變?yōu)榈诙雷o(hù)區(qū)LPZ2，并與第一防護(hù)區(qū)LPZ1交界處，根據(jù)規(guī)范規(guī)定塔筒底控制柜內(nèi)690V浪涌保護(hù)器應(yīng)加裝標(biāo)稱放電電流為（8/20s）40KA（如圖10），但風(fēng)機(jī)現(xiàn)有690V電源浪涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流為（8/20s）15KA（如圖11）所以不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，塔筒底部控制柜690V電源控制開關(guān)應(yīng)更換為DK-690AC80/HA（見附件一及附件二） 圖10圖9 圖11 2.1.2根據(jù)GB50343-2004 HYPERLINK :/wenku.baidu /view/2d2e700e6c85ec3a87c2c526.html t _blank 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范5.4.1-5規(guī)定限壓型浪涌保護(hù)器之間的線度距離小于5米時(shí)，在