風(fēng)電系統(tǒng)防雷及過(guò)電壓保護(hù)措施探討

陳超駿

（華能江西清潔能源有限責(zé)任公司，江西南昌 330029）

0 引言

隨著風(fēng)能利用技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，我國(guó)風(fēng)能的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目發(fā)展十分迅速。目前我國(guó)尚沒(méi)有風(fēng)電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)和防雷接地的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)這一情況，首先對(duì)風(fēng)電機(jī)組過(guò)電壓主要應(yīng)考慮外部過(guò)電壓、內(nèi)部過(guò)電壓兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。其次，給出了風(fēng)電系統(tǒng)的過(guò)電壓及保護(hù)體系和實(shí)現(xiàn)，主要包括直擊雷保護(hù)、感應(yīng)雷保護(hù)、機(jī)組配套升壓設(shè)備保護(hù)、接地設(shè)計(jì)等4大方面。最后，結(jié)合風(fēng)電工程實(shí)例，系統(tǒng)地闡述了風(fēng)電系統(tǒng)中的保護(hù)及防雷接地的方案設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

1 過(guò)電壓

1.1 外部過(guò)電壓

外部過(guò)電壓又稱(chēng)雷電過(guò)電壓，由大氣中的雷云對(duì)地放電而引起的，持續(xù)時(shí)間約為幾十微秒，具有脈沖的特性。直擊雷過(guò)電壓幅值可達(dá)上百萬(wàn)伏，會(huì)破壞電工設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。感應(yīng)雷電過(guò)電壓是雷閃擊中電工設(shè)備附件地面，在放電過(guò)程中由于空間電磁場(chǎng)的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過(guò)電壓。

1.2 內(nèi)部過(guò)電壓

內(nèi)部過(guò)電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行方式發(fā)生改變而引起的過(guò)電壓，分暫時(shí)過(guò)電壓（暫態(tài)過(guò)電壓和諧振過(guò)電壓）、操作過(guò)電壓。暫態(tài)過(guò)電壓是由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過(guò)渡過(guò)程以后重新達(dá)到某種暫時(shí)穩(wěn)定的情況下出現(xiàn)的過(guò)電壓，又稱(chēng)工頻電壓升高。諧振過(guò)電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲(chǔ)能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過(guò)電壓。操作過(guò)電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快持續(xù)時(shí)間較短的過(guò)電壓。

2 風(fēng)電系統(tǒng)過(guò)電壓保護(hù)配置

風(fēng)電系統(tǒng)的過(guò)電壓保護(hù)主要包括風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組、升壓站、場(chǎng)內(nèi)輸電線路過(guò)電壓保護(hù)及防雷接地等三大部分內(nèi)容。風(fēng)電機(jī)組過(guò)電壓保護(hù)及防雷接地主要應(yīng)考慮幾個(gè)方面。以下就直擊雷保護(hù)、感應(yīng)雷保護(hù)、機(jī)組配套升壓設(shè)備保護(hù)、接地設(shè)計(jì)等四個(gè)方面做出了分析和闡述。

2.1 直擊雷保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓一般為690 V，需要通過(guò)箱式變壓器將電壓升高至10 kV或35 kV后送入升壓站，而箱式變壓器一般布置在風(fēng)電機(jī)組附近，由于風(fēng)電機(jī)組離地距離很高，且已有較完善的接地防雷系統(tǒng)。

風(fēng)電場(chǎng)升壓站內(nèi)電氣設(shè)備通常采用戶內(nèi)型布置，安裝于生產(chǎn)樓內(nèi)，因此升壓站生產(chǎn)樓可采用屋頂避雷帶進(jìn)行直擊雷保護(hù)。部分升壓站采用的戶外敞開(kāi)式布置方式，當(dāng)電氣設(shè)備布置于戶外時(shí)，所有電氣設(shè)備應(yīng)考慮直擊雷影響，應(yīng)由避雷針進(jìn)行保護(hù)，或由避雷針及避雷線進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)；戶內(nèi)部分的電氣設(shè)備可通過(guò)屋頂避雷帶進(jìn)行保護(hù)。

2.2 感應(yīng)雷保護(hù)

風(fēng)電機(jī)組及配套箱變內(nèi)易受過(guò)電壓破壞的設(shè)備，需要配備避雷器、防雷器或電涌保護(hù)等設(shè)備。由于箱式變電站是通過(guò)電纜或架空線分別與機(jī)組和系統(tǒng)連接，因此需考慮感應(yīng)雷過(guò)電壓，在配套升壓變高壓側(cè)，為了防止雷電侵入波影響，在變壓器高壓側(cè)需安裝金屬氧化鋅避雷器保護(hù)，同時(shí)為保護(hù)機(jī)組內(nèi)部電力電子元件，在低壓側(cè)安裝第一級(jí)電涌保護(hù)器。

采用電纜輸電方案時(shí)，電纜一般采用直埋敷設(shè)方式。因此，不會(huì)有直擊雷過(guò)電壓情況，但是需考慮感應(yīng)雷過(guò)電壓的可能性。因此在電纜進(jìn)入箱變及升壓站中壓母線處需安裝避雷器，以降低感應(yīng)雷影響。另外，電纜鎧裝金屬屏蔽應(yīng)確?？煽拷拥亍?/p>

2.3 機(jī)組配套升壓設(shè)備保護(hù)

風(fēng)電系統(tǒng)配電裝置的侵入雷電波保護(hù)，為了防止雷電波影響，需在風(fēng)電場(chǎng)高壓及中壓配電裝置母線及架空線入口處裝設(shè)氧化鋅避雷器保護(hù)。在箱變高壓側(cè)安裝氧化鋅避雷器保護(hù)，同時(shí)可在低壓側(cè)安裝第一級(jí)電涌保護(hù)器。

關(guān)于避雷器設(shè)置需經(jīng)過(guò)計(jì)算，金屬氧化物避雷器與主變器間的最大電氣距離可參照表1確定，對(duì)于其他電器的最大距離可相應(yīng)增加35%。

表1 避雷器電氣距離參照表

2.4 接地設(shè)計(jì)

在進(jìn)行風(fēng)機(jī)機(jī)組和升壓站接地設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)符合規(guī)程規(guī)范要求，并校核接觸電位差和跨步電壓差。接地應(yīng)根據(jù)地形、地貌，充分利用自然接地體，結(jié)合降阻劑、深井、擴(kuò)網(wǎng)等方式。當(dāng)土壤電阻率很高，接地電阻難以滿足要求時(shí)，應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較調(diào)整接地電阻，并采用相關(guān)隔離措施。土壤電阻率較低腐蝕性較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)對(duì)接地網(wǎng)采取保護(hù)措施。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地》（DL/T621-1997）規(guī)定，設(shè)備的工頻接地電阻應(yīng)不大于4Ω。風(fēng)電機(jī)組升壓設(shè)備接地應(yīng)充分利用風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)接地網(wǎng)，風(fēng)電機(jī)組接地電阻已很低，不容易超過(guò)規(guī)定的要求。

3 風(fēng)機(jī)機(jī)組防雷配置

根據(jù)單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組接地裝置采用以風(fēng)電機(jī)組中心為圓心設(shè)置環(huán)形水平接地帶，根據(jù)沖擊有效范圍的計(jì)算，如表2所示。

表2 單臺(tái)風(fēng)電機(jī)工頻接地電阻和沖擊接地電阻

本風(fēng)電場(chǎng)4、6、9號(hào)共三臺(tái)風(fēng)電機(jī)的沖擊接地電阻不滿足要求，應(yīng)采取措施降阻，使用降阻劑后風(fēng)電機(jī)接地電阻見(jiàn)表3。

表3 降阻后風(fēng)機(jī)電阻表

采用本方案降阻后，接地竣工驗(yàn)收經(jīng)測(cè)試時(shí)，所有風(fēng)電機(jī)組接地電阻均滿足了風(fēng)電機(jī)組廠家的要求。

3.2 建筑物的防雷保護(hù)配置

升壓站利用2根35 m高的獨(dú)立避雷針、建筑物屋頂避雷帶等防直擊雷的保護(hù)措施來(lái)進(jìn)行保護(hù)。升壓站在避雷針保護(hù)范圍外的建筑物屋頂采用Φ12鍍鋅圓鋼作避雷帶，避雷帶連接線網(wǎng)格不大于10m×10m或12m×8m；屋面的所有金屬構(gòu)件(如鐵爬梯、水箱(管)、透氣管等)均與避雷帶可靠焊接，避雷帶可利用建筑物立柱主鋼筋作為引下線，每隔10~20 m設(shè)引下線接地。

3.3 升壓站接地配置

按(DL/T621-1997)《交流電氣裝置的接地》要求，對(duì)所有電氣設(shè)備外殼、開(kāi)關(guān)柜接地母線、設(shè)備架構(gòu)、電纜支架、管道、以及其它可能事故帶電的金屬構(gòu)件均要求可靠接地。升壓站接地系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)總的接地網(wǎng)，將保護(hù)接地、工作接地、過(guò)電壓保護(hù)接地形成聯(lián)合接地體，接地系統(tǒng)應(yīng)按《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》GB50169-2006的要求進(jìn)行施工。

按《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)要求，接地電阻R≤2000/I，且考慮升壓站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求，升壓站滿足接地電阻阻值0.5Ω。當(dāng)不滿足阻值要求時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施，一般措施有：擴(kuò)網(wǎng)、外引接地體、換土、加降阻劑、接地深井、爆裂深井、離子棒、離子模塊等，相應(yīng)增加一定接地處理費(fèi)用。本期主接地網(wǎng)按終期規(guī)模一次建成。

升壓變電站主接地網(wǎng)以水平接地體為主，垂直接地體為輔，網(wǎng)孔閉合的復(fù)合式地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)接地體采用-60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L=2.5 m的Φ50熱鍍鋅鋼管。水平接地體埋深0.8 m以下，接地網(wǎng)四周拐角及引上線連接上下部分處均宜做成圓弧狀，半徑不小于5 m，水平均壓網(wǎng)網(wǎng)間距離為8～10 m。水平接地體之間，鍍鋅扁鋼與垂直接地極之間的連接采用焊接連接。在人員經(jīng)?；顒?dòng)的如配電室、塔基四周、人員出入口、攀登塔梯等地方，接地體的布置應(yīng)考慮到人身安全，可采取接地網(wǎng)局部增設(shè)水平均壓帶和鋪設(shè)礫石地面等措施，經(jīng)計(jì)算后滿足(DL/T621-1997)《交流電氣裝置的接地》中對(duì)接觸電壓和跨步電壓要求。

配電室和生產(chǎn)樓柱內(nèi)鋼筋做為引下線與接地網(wǎng)連接，并裝設(shè)接地?cái)嚅_(kāi)點(diǎn)；基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作為接地網(wǎng)的一部分。主控室內(nèi)的電子設(shè)備設(shè)置防止高電位引入的電涌保護(hù)器。

4 結(jié)論

本文對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的保護(hù)和防雷接地進(jìn)行了論述，從風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)電機(jī)組、升壓站、場(chǎng)內(nèi)輸電線路等三個(gè)具體情況，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)常見(jiàn)的過(guò)電壓情況進(jìn)行了分析。由于風(fēng)電系統(tǒng)中各部分的具體情況不同，防雷接地設(shè)計(jì)也有所不同。因此有針對(duì)性的進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠提高防雷的可靠性，以保證風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

[1]DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地[S].

[2]Wind turbine generator systems.IEC 61400-SER.2008.

[3]李景祿等編著.實(shí)用電力接地技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2002.

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