風(fēng)電場(chǎng)箱變雷擊事故關(guān)鍵原因分析及防護(hù)優(yōu)化改進(jìn)

孫旺成

（景泰新能源（上海）有限公司 上海市 200051）

國(guó)內(nèi)風(fēng)電行業(yè)的日益發(fā)展，為電力資源提供了保障。風(fēng)電裝機(jī)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，風(fēng)機(jī)設(shè)備的持續(xù)增多，為風(fēng)機(jī)箱變呈現(xiàn)雷擊事故增加了可能性。基于風(fēng)電場(chǎng)在野外的運(yùn)行環(huán)境，自然氣候不穩(wěn)定，一定程度上影響著風(fēng)電場(chǎng)的防雷能力，為雷擊事故創(chuàng)造了有利條件。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)在生產(chǎn)期間，為其增加了防雷設(shè)計(jì)，但是防雷能力與實(shí)際環(huán)境存在出入，弱化了風(fēng)機(jī)設(shè)備自身的防雷能力。

1 事故原因分析

1.1 風(fēng)機(jī)箱變雷擊

風(fēng)能是地球表面的一種流動(dòng)性能源，基于空氣流動(dòng)產(chǎn)生。風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)設(shè)備，是用以采集風(fēng)能，利用風(fēng)的動(dòng)能力量，促進(jìn)發(fā)電機(jī)供電；即風(fēng)電場(chǎng)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備。某風(fēng)電場(chǎng)位于國(guó)內(nèi)西南地區(qū)，其自然條件擁有較高的電阻率，山頂氣候變化無(wú)規(guī)律，風(fēng)機(jī)設(shè)備為采集風(fēng)能，設(shè)備生產(chǎn)時(shí)以高度為特征；高聳入云的風(fēng)機(jī)，在多變的氣候條件下，為雷擊事故增加了發(fā)生概率。2015年間，風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)箱變?cè)庥隼纂姴ㄒu擊，其中低壓側(cè)二次回路受損嚴(yán)重，直接影響到箱變的工作能力。

最為嚴(yán)重的雷擊事故為：2016年，在風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)周邊，呈現(xiàn)出持續(xù)性雷雨氣象，雷雨中夾帶冰雹，此狀態(tài)持續(xù)了90分鐘后，溫度驟然下降，冷空氣與雷雨、冰雹之間的相互作用下，轉(zhuǎn)而降雪，此間箱變雷擊產(chǎn)生的影響包括高壓室與低壓室的設(shè)備損壞。高壓室的損壞情況：電力線路全面燒毀、室內(nèi)中二次線已燒至無(wú)法繼續(xù)工作，連接避雷器的線路燒壞，高度電纜的損壞程度不大，操作小室與高壓室由于線路損壞而呈現(xiàn)漆黑狀態(tài)，高壓熔斷器中有兩個(gè)熔芯已脫離設(shè)備。低壓室的損壞情況：低壓柜大面積遭遇雷擊，儀表室的表計(jì)功能損壞，斷路器在雷擊后呈現(xiàn)無(wú)法運(yùn)行問(wèn)題，斷路器上方位置的銅排有部分燒熔問(wèn)題，引發(fā)二次線燒熔事故。

由此發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)箱變雷擊，一定程度上摧毀了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行能力，造成了風(fēng)電行業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失；雷擊問(wèn)題，造成的燒損問(wèn)題較多，高壓室與低壓室對(duì)其襲擊的防御能力較差，難以抵抗其帶來(lái)的自然影響，成為風(fēng)電行業(yè)亟需解決的問(wèn)題。圍繞各設(shè)備的損壞程度，分析雷擊的適應(yīng)性條件，采取有效措施，回避雷擊造成的設(shè)備損壞問(wèn)題，提升風(fēng)機(jī)箱變的防雷能力，穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)作狀態(tài)。

1.2 雷擊成因

1.2.1 低壓側(cè)損壞成因

當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片遭遇雷擊時(shí)，雷電流穿過(guò)風(fēng)機(jī)設(shè)備，其運(yùn)行軌跡為：風(fēng)機(jī)塔筒作為雷電流的進(jìn)入位置，途徑接地網(wǎng)，最終流向大地；當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)遇見雷電流時(shí)，由于地接電阻元素，接地網(wǎng)的電位產(chǎn)生升高狀態(tài)，升高幅度為U；雷擊電流與沖擊接地電阻，兩者之間的關(guān)系為成比；大型接地網(wǎng)，在遭遇雷擊電流是會(huì)產(chǎn)生電感效應(yīng)，地電位為U的結(jié)構(gòu)特征依賴于雷擊點(diǎn)、地網(wǎng)分布。在雷擊時(shí)，接地網(wǎng)上方位置的線纜，其產(chǎn)生的感應(yīng)電位為U1。在箱變低壓側(cè)的端末處承受雷電壓力為U2，U2值作為箱變接地點(diǎn)產(chǎn)生的電壓值，是地電位與接地網(wǎng)上方電壓之間的差值（U1作為低壓側(cè)電纜位置的感應(yīng)電壓值），則有U2=U-U1。

如果U2電壓值增大到承載極限，伴隨著高山區(qū)域的濕潤(rùn)空氣狀態(tài)，極易引發(fā)SPD相關(guān)設(shè)備表層出現(xiàn)水蒸氣凝露，引發(fā)外部絕緣，導(dǎo)致沿面閃絡(luò)，造成雷擊擊穿時(shí)間，箱變內(nèi)部呈現(xiàn)出放電流程，導(dǎo)致不同程度的放電反應(yīng)，引發(fā)持續(xù)性工頻續(xù)流；放電的具體表現(xiàn)形式為：相間放電、相對(duì)放電。工頻電弧及其短路電流的共同作用下，產(chǎn)生設(shè)備損壞問(wèn)題，損壞設(shè)備包括二次設(shè)備、熔斷器等。

1.2.2 高壓側(cè)損壞成因

當(dāng)雷擊產(chǎn)生U1時(shí)，造成低壓側(cè)的短路問(wèn)題，繼電保護(hù)裝置的反應(yīng)機(jī)制不及時(shí)，極易造成風(fēng)機(jī)與高壓側(cè)兩部分的電源端口，產(chǎn)生短路點(diǎn)輸出問(wèn)題，其輸出的是短路電流。工頻短路電流在途經(jīng)線路側(cè)時(shí)，再次流入箱變位置，造成高壓側(cè)位置的熔斷器損壞，引發(fā)低壓側(cè)設(shè)備大面積損壞問(wèn)題[1]。

1.2.3 接地系統(tǒng)

（1）分析單臺(tái)風(fēng)機(jī)在水平狀態(tài)接地網(wǎng)期間，工頻接地產(chǎn)生的電阻值，其估算方式為：表示的是風(fēng)電機(jī)在工頻接地時(shí)產(chǎn)生的電阻，單位為Ω；ρ表示的是地網(wǎng)中土壤的電阻比率值，單位為Ω·m；S表示的地網(wǎng)的實(shí)際面積，單位為m2。雷擊沖擊接地網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生電阻的估算方式為：②R2=αR1；③α=公式中R2代表的是地網(wǎng)在遭遇雷擊時(shí)，產(chǎn)生的沖擊接地電阻值，單位為Ω；A表示的是受到雷擊沖擊地網(wǎng)實(shí)際面積，單位為m2，I值為雷電流的幅度值，單位為kA。

單臺(tái)風(fēng)機(jī)在承受雷擊時(shí)產(chǎn)生的沖擊接地電阻值R，應(yīng)小于10Ω，但是基于風(fēng)電場(chǎng)所在位置，具有較高電阻，并且其土壤產(chǎn)生的電阻率較高；ρ的取值區(qū)間為[1424,15183]，單位為Ω·m，采取仿真計(jì)算，分別取ρ值為1424、5000、10000、15183，仿真計(jì)算工頻接地電阻值分別為：17.7、62.1、124.2、188.6；代入公式①所得結(jié)果分別為：22.3、78.4、156.0、238.0；代入公式②、③所得結(jié)果為：12.6、25.3、36.2、44.8。通過(guò)仿真計(jì)算可知，雷電在經(jīng)過(guò)地網(wǎng)期間，產(chǎn)生的地電位高，屬于具有較高危險(xiǎn)系數(shù)的隱患。

（2）當(dāng)雷電流途徑風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)期間，接地導(dǎo)體上方位置的雷電流呈現(xiàn)擴(kuò)散趨勢(shì)，每個(gè)點(diǎn)位的電流數(shù)值與雷擊點(diǎn)產(chǎn)生總電流值之間的相互關(guān)系為正比，土壤電阻率的分布程度并不明顯。當(dāng)土壤電阻率值為最小時(shí)，即ρ=1424Ω·m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部的導(dǎo)體分流，產(chǎn)生的雷電幅度值為13，即I=13kA。由此發(fā)現(xiàn)，電阻率數(shù)值最小時(shí)，導(dǎo)體產(chǎn)生的漏電問(wèn)題嚴(yán)重[2]。

2 防護(hù)措施

2.1 電纜裝置金屬管道

在電纜外表面，為其裝置金屬質(zhì)地的管道，采用的裝置材料為鍍鋅鋼管，所選的規(guī)格為Ω200*10；裝置方式為分半套；安裝位置為：風(fēng)機(jī)與箱變塔筒設(shè)備外部的單芯電纜線（14根）、采取密封性安裝方式，保障外胎金屬管在風(fēng)機(jī)收尾兩側(cè)緊密裝配，并且與地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，加強(qiáng)金屬管道的防雷效果，保障風(fēng)機(jī)內(nèi)部容易受雷擊傷害的基礎(chǔ)性設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)[3]。

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)中的地理環(huán)境，混凝土成分較多；混凝土對(duì)金屬管道的裝置工程施工具有一定難度；在基礎(chǔ)坑內(nèi)的電纜線，與地網(wǎng)形成強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，不利于增加金屬管。如若金屬管強(qiáng)勢(shì)介入，極易破壞電纜與地網(wǎng)之間的耦合關(guān)系，影響電力資源的輸送效率。因此，地網(wǎng)中的電纜不采取金屬管的防雷措施。防雷措施是具有保護(hù)性的施工方案，有利于維護(hù)運(yùn)行主體基本狀態(tài)的性質(zhì)，其作用在于防護(hù)雷擊產(chǎn)生的不利現(xiàn)象，防止雷擊電流對(duì)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生損壞，在一定程度上增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的防雷能力；在實(shí)際防雷工程建設(shè)中，應(yīng)綜合考慮風(fēng)電場(chǎng)周邊環(huán)境，選擇具有適應(yīng)性的防雷措施，一方面保障風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行，另一方面有利于提升風(fēng)機(jī)防雷效果。

2.2 替換鎧裝電纜

鎧裝電纜是由多種材料導(dǎo)體，統(tǒng)一裝置在絕緣材料中，絕緣材料一般選取金屬套管，后經(jīng)加工制作成具有彎曲能力的電纜組合體；鎧裝電纜的組成部分包括：鎧裝熱電偶、鎧裝加熱器、鎧裝熱電阻、鎧裝引線等。鎧裝電纜具有較好的屏蔽效果，一般客觀條件難以對(duì)其造成損壞；鎧裝電纜具有功能性的材料在絕緣裝置中，具有較強(qiáng)的防雷能力，建議作為風(fēng)電場(chǎng)的電纜選擇首選，以減少雷擊對(duì)電纜造成的大面積燒壞問(wèn)題，提升風(fēng)電場(chǎng)的防雷能力，保障風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

風(fēng)電場(chǎng)原有的電纜配置：12根電纜，每個(gè)風(fēng)機(jī)箱中有4根電纜，電纜規(guī)格為YJLV-1*400/240,電纜型號(hào)為單芯無(wú)屏蔽功能，將此類電纜線全部更換為鎧裝電纜；鎧裝電纜的裝置設(shè)計(jì)為：鎧裝電纜規(guī)格選擇YJV22-3*400/240，配置為每個(gè)風(fēng)機(jī)箱中四根鎧裝電纜線，型號(hào)選擇三芯鋼帶鎧裝電纜，安裝方式為：將鎧裝層的首尾兩端分別與地網(wǎng)緊密連接。

電纜外部增加金屬管道、鎧裝電纜替換，此兩種防護(hù)措施，能夠從根源上降低雷擊產(chǎn)生的電位差，維護(hù)風(fēng)電場(chǎng)處于有序運(yùn)行狀態(tài)；但是此兩種措施具有較高的經(jīng)濟(jì)成本，施工難度系數(shù)大，防護(hù)面積有限，應(yīng)作為備用防護(hù)措施，積極探索具有經(jīng)濟(jì)適用性防護(hù)方式，全面增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的防雷技能。

2.3 安裝避雷器

建議定制具有較大通流容量的避雷設(shè)備，制作避雷設(shè)備的規(guī)格為YH10W-0.8/3.0，供應(yīng)企業(yè)為西安廣大電器。通流容量最大值應(yīng)保持在10kA數(shù)值，此時(shí)的通流容量能夠?qū)崿F(xiàn)承載較大沖擊力的雷電流，將其電流殘壓處理至3kA；與此同時(shí)，避雷器能夠徹底處理工頻續(xù)流，保障風(fēng)電場(chǎng)不存在潛藏危險(xiǎn)。避雷器的安裝位置在：箱變低壓側(cè)，替換掉原有的SPD[4]。

避雷器的電氣規(guī)格與參數(shù)：標(biāo)稱電壓數(shù)值為0.69kV；額定電壓應(yīng)滿足0.8kV；持續(xù)運(yùn)行期間產(chǎn)生的電壓值為0.64kV；直流電壓U為1.3kV；放電處理期間產(chǎn)生的電流值為10kA；雷電沖擊通流處理的殘壓值小于3.0kV；在方波規(guī)格為2ms時(shí)，其容量設(shè)置為400A；安裝期間，保障避雷器前后兩端位置有完整引線，引線長(zhǎng)度不大于0.5米，引線采用的導(dǎo)線應(yīng)在25平方米以上長(zhǎng)度，并且是絕緣銅導(dǎo)線，連接方式為平直連接。

2.4 增加絕緣防護(hù)

絕緣防護(hù)采用方式有多種，具體包括噴絕緣涂料、熱縮套管、包裹絕緣帶等方式；在實(shí)施絕緣防護(hù)期間，應(yīng)注意防護(hù)的完整性，保障絕緣材料的完整覆蓋，實(shí)現(xiàn)全面積的絕緣防護(hù)；絕緣防護(hù)措施完成后，不應(yīng)該存在金屬裸露現(xiàn)象，通過(guò)防雷檢查，嚴(yán)格排查防護(hù)不到位問(wèn)題，將雷擊沖擊力扼殺于無(wú)形中。與此同時(shí)，在絕緣防護(hù)施工期間，不需要增加絕緣防護(hù)的設(shè)備、器件等，應(yīng)采取塑料薄膜塑封，避免其粘上絕緣防護(hù)涂料，降低設(shè)備運(yùn)行性能，減少風(fēng)電場(chǎng)絕緣防護(hù)施工帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失。氧化鋅避雷器與絕緣涂料，兩種防護(hù)措施綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電場(chǎng)全面積防雷整改，極大程度地減少了雷擊事故發(fā)生，全面保障風(fēng)電場(chǎng)有序運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）風(fēng)機(jī)設(shè)備中的電纜，是從塔筒底部延伸至箱變，應(yīng)配置防護(hù)措施；防護(hù)措施具體為屏蔽裝置與鎧裝層；增強(qiáng)風(fēng)機(jī)兩端與接地網(wǎng)的連接能力，降低雷擊風(fēng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的地電位差，增強(qiáng)防雷效果。工程建設(shè)期間，應(yīng)綜合選取具有防護(hù)效果的裝備，嚴(yán)禁以次充好，一味追究低價(jià)的經(jīng)濟(jì)成本的建設(shè)理念；建議以防雷效果為基礎(chǔ)，開展工程建設(shè)，提升風(fēng)機(jī)防雷能力。

（2）風(fēng)機(jī)箱變配置的低壓側(cè)防雷保護(hù)器，其功能為增強(qiáng)電氣一次設(shè)備的防護(hù)能力，考慮風(fēng)機(jī)處于環(huán)境相差的地位位置，應(yīng)以氧化鋅避雷器進(jìn)行裝置，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)避雷效果。

（3）在風(fēng)電場(chǎng)周邊環(huán)境中，極易產(chǎn)生環(huán)境潮濕引起的氣候箱變問(wèn)題，建議風(fēng)機(jī)設(shè)備增加絕緣裝置，保障絕緣距離，發(fā)揮絕緣措施帶來(lái)的防雷效果。