高山風(fēng)電場雷擊分析與接地整改防護(hù)

范昭勝

(湖南省水利發(fā)展投資有限公司，湖南 長沙410007)

0 引言

湘南某高山風(fēng)電場海拔900～1 300 m，一期安裝有25臺(24×2 MW+1×1.9 MW)風(fēng)電機(jī)組及其箱式變電站(以下簡稱箱變)系統(tǒng)。2018年8月28日，風(fēng)電場區(qū)域遭受強(qiáng)烈雷暴，17—21號風(fēng)機(jī)同時發(fā)生雷擊故障，雷擊過電壓造成5臺風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)損毀。因箱變低壓柜系統(tǒng)短路，還造成高壓側(cè)變壓器嚴(yán)重?fù)p壞。

該風(fēng)電場2013年投產(chǎn)以來，設(shè)備多次遭受雷擊，而其原因不確定[1]，為了有針對性地防治雷擊事故，最大限度地減少雷擊造成的設(shè)備損失，在現(xiàn)場調(diào)研風(fēng)電場地理、地質(zhì)、土壤、環(huán)境、氣候、氣象以及雷電活動規(guī)律的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場測試風(fēng)電場一期防雷接地現(xiàn)狀，從雷電對風(fēng)電機(jī)組的危害方式及成因出發(fā)，對該風(fēng)電場開展雷擊事故損壞機(jī)理分析，建立ATP/EMPT模型[2]，開展雷電暫態(tài)過電壓仿真研究[3-5]。

利用風(fēng)電場的防雷系統(tǒng)研究成果，根據(jù)現(xiàn)場施工條件，結(jié)合土壤電阻率、土質(zhì)情況、氣候環(huán)境等參數(shù)，完成對風(fēng)電場接地網(wǎng)改造的設(shè)計、合理性配置和改造施工，開展風(fēng)電場箱變防雷整治和防護(hù)抑制試驗(yàn)[6-10]。

該風(fēng)電場一期防雷整改后效果較好，降低了風(fēng)電機(jī)組及箱變遭雷擊損壞的可能性，提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性，為二期接地網(wǎng)整改提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對類似風(fēng)電場雷擊研究和防雷整改具有借鑒意義。

1 風(fēng)電場接地網(wǎng)概況

該風(fēng)電場土壤地質(zhì)主要為風(fēng)化巖結(jié)構(gòu)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所在位置的土壤比較均勻一致。受地形限制，風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)較小，土壤電阻率較高。為驗(yàn)證風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)電氣連接的完整性，經(jīng)抽樣測試，直流電阻值在75.3～323.4 MΩ，表明風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)之間導(dǎo)通良好。

根據(jù)QX/T312—2015《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范》5.6.2的規(guī)定，接地裝置與其他接地網(wǎng)連接，應(yīng)斷開連接后再進(jìn)行檢測?，F(xiàn)場采用電流-電壓表三極測試方法，通過電流-電位線夾角/直角法布置的方式，檢測25臺風(fēng)機(jī)的接地阻抗，每臺風(fēng)機(jī)接地阻抗四次測量誤差在5%以內(nèi)視為有效值，測量結(jié)果如圖1所示。根據(jù)QX/T312—2015《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計值要求，該風(fēng)電場接地網(wǎng)阻抗值應(yīng)不大于4Ω。測試結(jié)果共有17臺風(fēng)機(jī)接地阻抗不合格。

圖1 一期風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)接地阻抗測量結(jié)果

2 風(fēng)電設(shè)備的雷擊損壞機(jī)理

2.1 雷電放電模型

選取Heidler函數(shù)模型，建立雷電源仿真模型如圖2所示。模擬雷電放電過程，仿真雷電流波形如圖3所示。雷電流在5～30 kA范圍時，雷電通道阻抗Z0為600～900Ω。雷電流在30～200 kA時，Z0值為300～600Ω。一般Z0取400Ω。

圖2 雷電源仿真模型

圖3 仿真雷電流波形

2.2 雷電對風(fēng)機(jī)放電電路

高山風(fēng)電機(jī)組在雷暴云電場的影響下，風(fēng)葉尖端會聚集大量電荷，與雷云電荷極性相反，風(fēng)機(jī)易遭雷擊。為了簡化雷擊過程，把雷云視作電流源，放電回路如圖4所示。

圖4 雷擊風(fēng)機(jī)等效電路

2.3 故障風(fēng)機(jī)聯(lián)合單元模型

風(fēng)電場中將若干臺“一機(jī)一箱變”接線單元通過電纜和水平接地極連接，組成一個聯(lián)合單元，每個聯(lián)合風(fēng)機(jī)單元通過35 kV集電線匯接至110 kV升壓站的35 kV配電裝置。該風(fēng)電場2018年8月同時發(fā)生雷擊故障的17—21號風(fēng)機(jī)組成一個聯(lián)合單元，其等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。對多臺風(fēng)機(jī)相連接的風(fēng)電場網(wǎng)絡(luò)建模，只需將單元接線模型按照安裝排列方式進(jìn)行連接，各機(jī)組接地裝置埋設(shè)水平電極，互聯(lián)組成大的接地網(wǎng)。

圖5 17—21號故障風(fēng)機(jī)等效拓?fù)浣泳€

3 雷電暫態(tài)過電壓仿真分析

3.1 單臺風(fēng)機(jī)仿真

為研究雷電過電壓對箱變低壓側(cè)的損壞原因，開展18號風(fēng)機(jī)遭受雷擊ATP仿真模型試驗(yàn)，風(fēng)機(jī)塔底和箱變兩側(cè)電壓見表1[11]。當(dāng)箱變低壓側(cè)電涌保護(hù)器(SPD)正常運(yùn)行，能很好地限制低壓側(cè)過電壓，發(fā)揮保護(hù)作用。

表1 18號風(fēng)機(jī)ATP仿真電壓值

3.2 多臺風(fēng)機(jī)聯(lián)合仿真

假設(shè)雷電流沿著17號風(fēng)機(jī)葉片侵入到聯(lián)合共用地網(wǎng)的風(fēng)電機(jī)組，如圖6所示。

圖6 雷電沿17號風(fēng)機(jī)葉片侵入示意圖

各風(fēng)機(jī)箱變處的地電位波形如圖7所示，各風(fēng)機(jī)地電位最大峰值見表2[12-13]。雖然雷電流在地網(wǎng)中的衰減較快，但是當(dāng)雷電流傳遞到21號風(fēng)機(jī)時，在風(fēng)機(jī)的箱變處依然有高達(dá)47 kV的地電位。地網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用聯(lián)合風(fēng)機(jī)共用地網(wǎng)的方式可以降低地電位，但是存在一個安全隱患，即當(dāng)雷電流沿著其中某臺風(fēng)機(jī)葉片侵入時，會連續(xù)同時引起至少5臺風(fēng)機(jī)低壓側(cè)的SPD發(fā)生反向擊穿。

圖7 各風(fēng)機(jī)箱變處的地電位波形

表2 17—21號故障風(fēng)機(jī)地電位峰值表 kV

3.3 箱變低壓側(cè)雷擊過電壓損壞分析

通過仿真分析，該風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組多臺箱變低壓側(cè)同時損壞的主要原因是:雷電流經(jīng)共用地網(wǎng)在各風(fēng)機(jī)箱變處產(chǎn)生過高的地電位，加上風(fēng)機(jī)接地阻抗偏高，箱變低壓側(cè)所用SPD結(jié)構(gòu)老化，保護(hù)效果降低，經(jīng)地網(wǎng)的反擊過電壓使低壓側(cè)SPD失效，致使箱變低壓側(cè)先發(fā)生接地短路。由于箱變母排間距離較近，沒有采用絕緣保護(hù)，雨天母排接線端水霧聚集，接地短路發(fā)展成相間短路。短路產(chǎn)生長時間的工頻續(xù)流燒壞低壓側(cè)設(shè)備，同時由于低壓側(cè)的短路故障，風(fēng)機(jī)及高壓側(cè)兩電源端均對短路點(diǎn)輸出短路電流，使箱變高壓側(cè)電流增大，熔斷器彈出或燒壞，進(jìn)一步損壞箱變設(shè)備。

風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)、箱變、集電線路組成一個系統(tǒng)，因而雷擊箱變損壞的原因比較復(fù)雜，雷擊的侵入點(diǎn)、幅值、接地阻抗、避雷器的結(jié)構(gòu)老化都會有影響。單從理論建模分析，造成箱變損壞的原因主要是低壓側(cè)浪涌保護(hù)器未起到應(yīng)有的保護(hù)作用、風(fēng)機(jī)系統(tǒng)接地阻抗偏高和采用共用地網(wǎng)。

4 風(fēng)電場防雷整改

4.1 風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)整改[14]

風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)敷設(shè)如圖8所示[15-16]。

圖8 風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)敷設(shè)圖

采用φ60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，在基礎(chǔ)距離不小于1.5 m處布置一圈環(huán)形接地體，并與風(fēng)機(jī)位預(yù)留接地扁鋼(3處)進(jìn)行可靠連接。在環(huán)形接地體上安裝6根垂直接地體50 mm×5 mm×2 500 mm熱鍍鋅角鋼。箱變周圍設(shè)置一圈水平接地線，新增4根長2.5 m的垂直接地極，并在箱變底部不同部位上引2個接地線作為箱變中性點(diǎn)及設(shè)備基礎(chǔ)接地。環(huán)形接地體向外選取土層較厚、土壤電阻率較小的方向敷設(shè)外引接地體，再根據(jù)每個風(fēng)機(jī)位的實(shí)際情況調(diào)整接地體敷設(shè)方向，在外引接地體處設(shè)置多口20 m深井接地，保證接地電阻≤4Ω。

4.2 接地電阻驗(yàn)證計算

4.2.1 外引水平接地體接地電阻計算

式中，土壤電阻率ρ=1 000Ω·m；水平接地極總長L=300 m；水平接地極埋設(shè)深h=0.8 m；水平接地極直徑d=0.03 m；降阻系數(shù)K=20；水平接地體形狀系數(shù)A=0。

4.2.2 深井接地極的接地電阻計算

式中，土壤電阻率ρ=100Ω·m；深井接地極長L=20 m；接地極等效直徑D=0.2 m；電解地極降阻系數(shù)K1=20%。

4.2.3 多根深井接地極接地電阻

式中，單根深井接地極的接地電阻R=9.05Ω；n為深井接地極的數(shù)量；接地極利用系數(shù)η=0.8。

4.2.4 復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻

式中，水平接地體的接地電阻R1=6.6Ω；Rn2為多根垂直接地極的接地電阻。

結(jié)合式(1)—(4)計算結(jié)果，深井接地極數(shù)量n≤0.89。

接地電阻實(shí)際值與理論值有一定偏差，所以一般按照較難條件進(jìn)行計算。由于風(fēng)電場環(huán)境因素復(fù)雜，土壤電阻率較高，接地施工一般采用外引接地和深井接地進(jìn)行有效降阻。外引接地主要是擴(kuò)大接地網(wǎng)面積，同時增大深井接地極的間距，避免接地極間的電磁干擾。深井接地極主要是考慮巖石縫隙的地下水，通過地下水作為良導(dǎo)體達(dá)到有效的降阻效果，同時可以把沖擊電流快速地泄放至大地深處。根據(jù)該風(fēng)電場25臺風(fēng)機(jī)接地電阻測試結(jié)果，考慮接地網(wǎng)腐蝕情況，每臺風(fēng)機(jī)敷設(shè)300 m2接地網(wǎng)，設(shè)置一口20 m深井。

4.3 箱變室等電位連接整改

箱變室等電位連接如圖9所示，應(yīng)符合GB50689—2011《通信局站防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求。

箱變室內(nèi)設(shè)備接地與箱變中性點(diǎn)及外殼接地不能從同一根引入線引接，之間也不能用導(dǎo)線相互連接，否則雷電流會干擾設(shè)備的運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)吊死，嚴(yán)重的甚至?xí)斐稍O(shè)備內(nèi)部絕緣擊穿后工頻續(xù)流發(fā)生短路，從而損害、燒毀設(shè)備。所以兩個接地點(diǎn)必須分開從地網(wǎng)上引接，并且引接點(diǎn)的距高應(yīng)≥5 m。

圖9 箱變室等電位連接圖

4.4 更換低壓側(cè)電涌保護(hù)器

該風(fēng)電場浪涌保護(hù)器腐蝕嚴(yán)重，無法看清產(chǎn)品型號及參數(shù)。取樣剖析，產(chǎn)品為電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器，內(nèi)部由耐高溫材料(鎢銅)制作成電極，銅制分隔片組成分割電弧的間隙放電部件。該結(jié)構(gòu)瀉放雷電能量能力大，作為一級電涌保護(hù)器可以防護(hù)100 kA雷電波，間隙結(jié)構(gòu)放電響應(yīng)時間100 ms。測試設(shè)備為8/20μs兼容10/350μs沖擊電流發(fā)生器，在10/350μs、25 kA測試條件下，正負(fù)極性各沖擊1次，沖擊性能測試結(jié)果見表3，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，判定結(jié)論為不合格。

表3 沖擊電流測試結(jié)果 V

電壓開關(guān)型電涌保護(hù)器適用于直接雷擊的過電壓保護(hù)，在后級電路還應(yīng)配合使用AM系列的限壓型電涌保護(hù)器。當(dāng)兩級電涌保護(hù)器之間的線路長度小于10 m，限壓型電涌保護(hù)器之間的線路長度小于5 m時，在兩級電涌保護(hù)器之間應(yīng)加裝退耦裝置。當(dāng)電涌保護(hù)器具有能量自動配合功能時，電涌保護(hù)器之間的線路長度不受限制。電涌保護(hù)器還應(yīng)有過電流保護(hù)裝置和劣化顯示功能。

該風(fēng)電場地處強(qiáng)雷暴區(qū)。改造使用國內(nèi)一流品牌的高能量電涌保護(hù)器，由特殊非金屬材料制成，應(yīng)用疊層放電技術(shù)全密封設(shè)計，具有沖擊放電電流大、限制電壓低、無電弧外泄、無漏電電流、遮斷續(xù)流能力強(qiáng)等特點(diǎn)，將風(fēng)機(jī)位遭受到雷電閃擊后的高強(qiáng)度傳導(dǎo)與感應(yīng)雷電浪涌盡快泄放入地，有效防止箱變內(nèi)產(chǎn)生雷擊閃絡(luò)而導(dǎo)致弧光短路燒毀設(shè)備。

5 其他抑制防護(hù)措施

1)增強(qiáng)絕緣。主要方法有導(dǎo)體電極間安裝絕緣隔板(如環(huán)氧樹脂隔板)、包裹絕緣帶或熱縮套管、涂刷絕緣涂料。690 V開關(guān)背面引出的金屬母排采用10 kV或35 kV高壓絕緣帶或熱縮套管進(jìn)行包覆。施工注意包覆完成后不應(yīng)出現(xiàn)金屬裸露部分。

2)鎧裝接地。如采取鍍鋅鋼管分半套裝在風(fēng)機(jī)至箱變塔筒基礎(chǔ)外的電纜線外，須保證外套金屬管首尾兩端與地網(wǎng)緊密可靠連接。埋地電纜應(yīng)帶有屏蔽層或鎧裝層，且兩端與接地網(wǎng)牢固連接。光纜采取直埋光纜或普通光纜穿鋼管地埋方式進(jìn)入機(jī)房，鎧裝層或鋼管兩端接地，利用雷電流的趨膚效應(yīng)減小進(jìn)入室內(nèi)的雷電流。

3)光纜加強(qiáng)筋接地。由于加強(qiáng)筋上易出現(xiàn)高電位，屬于危險源，施工時要盡量減少加強(qiáng)筋的裸露長度，不超過其接地螺母兩側(cè)各5 mm。為保證雷電流對地迅速充分泄放，加強(qiáng)筋的接地線必須使用截面積不小于16 m2的多股銅導(dǎo)線。

6 結(jié)語

1)高山風(fēng)電場一般土壤電阻率較高，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)受地形限制，接地網(wǎng)施工難度大，風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)較小。防雷整改首先要現(xiàn)場測試風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)接地阻抗，通過科學(xué)分析計算，采取合適的接地網(wǎng)布置技術(shù)和施工方案。

2)箱變是遭受雷擊的重災(zāi)設(shè)備，應(yīng)高度重視對箱變室等電位連接進(jìn)行整改。施工應(yīng)特別注意將箱變室內(nèi)設(shè)備接地、工作接地與箱變中性點(diǎn)接地分開，單獨(dú)從地網(wǎng)引入接地線。箱變外殼接地、箱變中性點(diǎn)接地、設(shè)備接地分別從地網(wǎng)引入接地線，并且接地點(diǎn)在地網(wǎng)上的引出點(diǎn)距離不小于5 m。