風力發(fā)電機的防雷技術誤區(qū)

周道剛， 楊紅新， 周文鈺， 余 兵

(1.貴州省氣象災害防御技術中心，貴陽 550002；2.銅仁市防雷中心，貴州 銅仁554300；3.貴州省氣象臺，貴陽 550002；4.遵義市氣象局，貴州 遵義 563001)

0 引言

風力發(fā)電在我國發(fā)展非常迅速，僅貴州省行政區(qū)域范圍內，到2017年止即有38個大型風電場。由于風電場風電力發(fā)電機組是高度超過150 m的高大構筑物[1]，且均設置在山頂(平原或海面)四周空曠位置，屬于典型的易遭受雷擊構筑物；盡管雷擊是小概率事件，但雷電危害是影響風電力發(fā)電機組乃至整個風電場安全的因素之一，并對風電場安全運行造成了一定的威脅。

風力發(fā)電防雷技術與風力發(fā)電技術研究基本同步，隨著風電場風力發(fā)電機雷擊事例逐漸增多，相關刊物也發(fā)表了大量的防雷技術研究及風力發(fā)電機雷擊案列分析文獻，極大的促進了風力發(fā)電機組雷電防護能力的提高。為了規(guī)范并指導風電場建設，國家電網公司編發(fā)了《風電場電氣系統(tǒng)典型設計》技術手冊[1]；《風力發(fā)電機組 雷電保護》(GB/T 33629-2017)[2]、《風力發(fā)電機組 防雷裝置檢測技術規(guī)范》(GB/T 36490-2018)[3]等相關技術標準也陸續(xù)頒布實施。這些科研成果、技術標準對我國風電場的防雷安全運行起到了積極有效的指導作用。早期公開報道的雷擊案例多是風機葉片遭受直擊雷擊，隨后陸續(xù)出現風力發(fā)電機組地面“箱式變電站”(也稱開關柜或高低壓控制室，以下簡稱“箱變”)內690 V電源電涌保護器遭雷擊爆炸、“箱變”內690 V/400 V二次回路設備(特別是控制柜內的光端機)被雷擊損害甚至燒毀的事例，本研究就此進行技術機理研討。

1 風力發(fā)電機設施布置及結構簡介

1.1 風力發(fā)電機設施布置概況

圖1為典型風電場風力發(fā)電機組現場平面布置示意圖。

圖1 風力發(fā)電機組平面布置圖Fig.1 Layout plan of wind turbine

圖2、圖3為常見35 kV風力發(fā)電機組設施設備實際布置情況?，F場設施主要有風塔(含頂部的風機葉片、塔頂設備、機艙設備)、“箱變”及視頻監(jiān)控攝像頭(圖2)；風力發(fā)電機塔筒一般高80 m，塔筒基礎邊沿距離“箱變”大約10 m～20 m。正常工作時，風力發(fā)電機塔筒頂部機艙內發(fā)電機定子線圈送出的690 V交流電，沿塔筒壁(圖4(a))敷設的電纜至筒底，再由風力發(fā)電機塔底基礎內電纜溝敷設至開關柜底部(圖4(b))；690 V電源在箱式變電站內分為兩路，一路經690/35 kV變壓器升壓至35 kV后，通過35 kV電纜由電纜溝送至總變電站(或升壓站)，并入35 kV(或110 kV)高壓電網；另一路經690 V/400 V轉換至“箱變”低壓控制柜(圖5、圖6)，供低壓室內二次回路設備工作用電。

圖2 風機外場照片(2017年11月拍攝)Fig.2 Outdoor photo of wind turbine (taken in Nov.2017)

圖3 地面高低壓控制室照片(2017年11月拍攝)Fig.3 Photo of ground high and low voltage control cabinet (taken in Nov.2017)

圖4 塔筒內電纜分布(2017年11月拍攝)Fig.4 Cable distribution in tower (taken in Nov.2017))

圖5 低壓控制柜布置情況(2017年11月拍攝)Fig.5 Layout of low voltage control cabinet(taken in Nov，2017)

圖6 低壓控制柜光端機(2017年11月拍攝)Fig.6 Optical transceiver of low voltage control cabinet(taken in Nov，2017)

風力發(fā)電機電氣線路連接示意圖見圖7。

圖7 風力發(fā)電機電氣線路連接示意圖Fig.7 Electrical circuit connection diagram of wind turbine

1.2 風力發(fā)電機組主要設備及功能

風力發(fā)電機組“箱變”的電氣設備，主要用于風力發(fā)電機發(fā)電、輸電、配電和電能轉換的高壓開關以及和控制、測量、保護裝置、電氣聯(lián)結(母線)、外殼、支持件等組成，是生產廠家根據電氣一次主接線圖的要求，將相關高低壓電器(含控制電器、保護電器、測量電器)以及母線、載流導體、絕緣子等裝配在封閉的金屬柜體內，作為電力系統(tǒng)中接受和分配電能的裝置；其符合“五防”防護要求：防止誤分誤合斷路器、防止帶電分合隔離開關、防止帶電合接地開關、防止帶接地分合斷路器、防止誤入帶電間隔。

“箱變”內有一個主回路(一次系統(tǒng))和一個輔助回路(二次系統(tǒng))，包括電能匯集、分配、計量和保護功能電氣線路。主回路系統(tǒng)功能單元：1)主母線室；2)斷路器室；3)電纜室；4)繼電器和儀表室；5)柜頂小母線室；6)二次端子室。輔助回路(又稱二次系統(tǒng)回路或輔助設備，是對一次設備進行監(jiān)察、控制、測量、調整和保護的低壓設備)常見設備為:1)繼電器；2)電度表；3)電流表；4)電壓表；5)功率表；6)功率因數表；7)頻率表；8)熔斷器；9)空氣開關；10)轉換開關；11)綜合保護裝置等。二次系統(tǒng)終端設備(如綜合保護裝置、光端機等)電源由風塔上部風機引入開關柜內的交流690 V電源，通過690 V/400 V供電轉換采用TN-S制式供電供給[1]。

風機塔筒底部內風機啟停控制電路啟動電路由蓄電池供電，并由變電站(或升壓站)遠程無線遙控控制，風機啟動后，其脫離風機主電源。塔筒底部、箱變內二次回路控制信號線路基本為光纖線纜。

2 風力發(fā)電機典型雷擊事故案例

2.1 案例1

盤縣老黑山風電場18號風機2015年2月1日22:55遭受雷擊并停機，其他風機正常運行。風機光纖接線盒、塔基柜溫控器及塔基指示燈電源線燒毀。管理單位技術人員檢查后判定為：通訊光纖防雷屏蔽線未按要求接地，雷擊時雷電沖擊電流過大導致光纖接線盒(圖8)起火，通訊中斷，同時將塔基柜內指示燈電源線、光纖燒毀(圖9)，導致電源短路，風機400 V開關跳閘，風機停機。

圖8 雷擊燒毀的二次回路光端機(2015年2月)Fig.8 Secondary circuit optical transceiver burned by lightning (taken in Feb. 2015)

圖9 雷擊燒毀的二次回路光纖(2015年2月)Fig.9 Secondary circuit optical fiber burned by lightning (taken in Feb. 2015)

2.2 案例2

六盤水市盤縣長山箐風力發(fā)電場自投入運行以來，先后發(fā)生了4次雷電導致風電場線路跳閘停運事故。2015年11月18日發(fā)生出口開關速斷保護動作，開關跳閘，8臺風機停運；經風電場技術人員檢查發(fā)現，箱式變電站內的690 V電纜終端頭被擊壞(圖10、圖11)、4至6號風機35 kV電纜中間接頭擊穿(圖12)、光端機盒被擊穿燒毀(圖13)。

圖10 被擊穿的箱變電纜終端頭(2015年11月)Fig.10 Broken down cable terminal of box transformer (taken in Nov.2015)

圖11 電源電纜終端頭被擊穿(2015年11月)Fig.11 Breakdown of power cable terminal(taken in Nov.2015)

圖12 被擊穿的35 kV電纜中間接頭(2015年11月)Fig.12 Intermediate joint of broken down 35 kV Cable(taken in Nov.2015)

圖13 被擊穿的箱變內光纜盒及光纖(2015年11月)Fig.13 Broken down optical cable box and optical fiber in box transformer(taken in Nov.2015)

2.3 案例3

2016年5月12日23:00左右，畢節(jié)市威寧海拉鄉(xiāng)大海子風電場8號風機(49.5 MW，圖14)的一葉片遭受直擊雷擊(圖15)，直擊雷電流進入風機內至地面箱變，將690 V電纜接頭(圖16)、控制信號線路光纖擊毀，箱變內690 V電涌保護器炸毀(圖17)，其爆炸時產生的氣浪將室壁沖擊開裂(圖18、圖19)。

圖14 遭受雷擊的8號風電機(2016年5月拍攝)Fig.14 No.8 wind turbine of lightning strike(taken in May 2016)

圖15 遭受雷擊的風機葉片(2016年5月拍攝)Fig.15 Fan blade subjected to lightning strike (taken in May 2016)

圖16 擊壞的高壓電纜頭(2016年5月拍攝)Fig.16 Damaged high voltage cable head (taken in May 2016)

圖17 爆炸的電涌保護器(2016年5月拍攝)Fig.17 Surge protector for explosion (taken in May 2016)

圖18 開裂的風機箱變正面(2016年5月拍攝)Fig.18 Front of cracked fan case(taken in May 2016)

圖19 開裂的風機箱變側面(2016年5月拍攝)Fig.19 Side of cracked fan case(taken in May 2016)

2.4 案例4

2018年3月25日01:34分，盤縣四格風力發(fā)電場一期6號風機遭受雷擊，風機箱變內變壓器高壓側B相套管損壞開裂、高壓側繞組絕緣損壞擊穿(圖21、22、23)，經與廠家確認同意變壓器吊拆下并返廠修復。

圖20 遭受雷擊的6號風機(2018年3月拍攝)Fig.20 No.6 wind turbine by lightning stroke (taken in Mar.2018)

圖21 損壞的箱變安裝位置(2018年3月拍攝)Fig.21 Installation position of damaged box transformer(taken in Mar.2018)

圖22 雷擊損毀的箱式變壓器(2018年3月拍攝)Fig.22 Box transformer damaged by lightning stroke(taken in Mar.2018)

圖23 損壞開裂的變壓器高壓側B相套管(2018年3月拍攝)Fig.23 Damaged and cracked B-phase bushing on high voltage side of transformer (taken in Mar. 2018)

2.5 案例說明

本研究風力發(fā)電機雷擊案例來源于內部資料[5]，案例發(fā)生時間較早，近幾年也陸續(xù)收集到一些風力發(fā)電機遭受雷擊事例，事故損失情況基本形同本研究四個案例之一。相關風力發(fā)電機防雷技術研究的科研文獻，主要集中在風機葉片直擊雷擊、風機內部線路雷電過電流防護，以及接地地網改造方面[6～10]；關于風力發(fā)電機、風力發(fā)電機地面“箱變”內設備雷擊損壞的機理分析文獻較少，特別是“箱變”內690 V電涌保護器雷擊爆炸、控制柜內通信用光端機遭雷擊燒毀原因解析文獻，幾乎沒有。風電場管理單位對事故原因解釋也僅是認為接地不良或風機地網接地電阻過大(防雷裝置檢測報告顯示的接地電阻值在4 Ω～10 Ω之間，文獻[2]第9.1.3條規(guī)定為：設計接地系統(tǒng)的沖擊阻抗應盡量低；文獻[3]第6.3.1.1條規(guī)定為：單機工頻接地電阻值不應大于10 Ω；文獻[4]第5.6.4條規(guī)定為：接地裝置的工頻接地電阻應小于4 Ω)，甚至無法解釋雷擊事故的技術原因。

3 風力發(fā)電機雷擊事故類型

綜合風力發(fā)電機雷擊案例，主要有5種情況：

1)風機葉片遭受直擊雷擊，葉片受損(面積小于0.5 m2)，但不影響風機正常工作，也無其它設施設備損壞；2)風機葉片遭受直擊雷擊，僅機艙內發(fā)電機損壞；3)風機葉片遭受直擊雷擊，葉片輕微受損(需要仔細觀察)，地面“箱變”內二次回路部分線路焦化、儀表損壞(圖5)；4)風機葉片遭受直擊雷擊，地面“箱變”內690 V電涌保護器爆炸，“箱變”內二次回路部分線路燒焦、光端機燒毀；5)風機葉片遭受直擊雷擊，葉片輕微受損，風機自保停機，人工重新啟動，風機工作正常。

2)～5)事故類型損壞的設備情況表明：擊在風機葉片上的直擊雷電流進入了風機機艙內部并下行到地面箱變內，只是侵入的雷電流強度大小不同而已。但在風電場雷擊事故中，某個風機遭受雷擊時，其附近的風力發(fā)電機仍工作正常，不受任何影響；間接驗證了風力發(fā)電機組是一個良好的金屬屏蔽體，外部雷擊電磁脈沖基本無法危害臨近風力發(fā)電機機艙、塔筒及地面箱變內線路和設備。

4 風力發(fā)電機防雷技術誤區(qū)

4.1 直擊雷電流泄流路徑

公認的結論之一是：雷電擊在物體上時雷電流活動具有趨膚效應。由于風力發(fā)電機主體構架是金屬屏蔽體，大多數技術人員及技術文獻認為擊在風機葉片上的雷電流按趨膚效僅沿風力發(fā)電機組主體表層(金屬塔筒)泄流入地，即下行入地的路線是：風機葉片(或葉片上的接閃器)、葉片引下線、輪轂主軸、輪轂主軸軸承、機艙軸承、機艙底座、金屬塔筒、接地裝置；相關技術標準文獻[1-4]也未考慮防護葉片主軸進入發(fā)電機雷電流。然而，雷電流是沖擊電流，其活動規(guī)律還遵守歐姆定律，這是目前風力發(fā)電機組雷電防護研究欠缺的。

從電氣電路角度，發(fā)電機轉子線圈與定子線圈之間的間隙就是一個空氣放電間隙，即在輪轂主軸至接地裝置之間還有一個并聯(lián)電氣線路：輪轂主軸、空氣放電間隙(發(fā)電機轉子與定子空氣間隔)、690 V電纜、箱變內690 V電涌保護器、箱變內等電位連接排、接地裝置；正常工作時空氣放電間隙為開路狀態(tài)，阻抗為無窮大，690 V電涌保護器未啟動保護時，也近似開路的高阻狀態(tài)。即正常工作狀態(tài)時，該路徑電氣特性是開路。

忽略主軸與機艙軸承間的接觸電阻、金屬塔筒體電阻、690 V電源線感抗及線電阻，則輪轂主軸對大地的電路原理圖見圖24，是一個典型的電源線路浪涌保護器原理圖。

圖24 風力發(fā)電機主軸對地的電路原理圖

圖中，Z3為塔筒筒體感抗，Z4是風機共用接地裝置接地阻抗，Z5發(fā)電機轉子與定子空氣間隔阻抗，Z6為690 V電涌保護器阻抗。塔筒筒體支路阻抗Z1、690 V電纜支路Z2阻抗分別為

Z1=Z3+Z4

(1)

Z2=Z4+Z5+Z6

(2)

風力發(fā)電機主軸位置對“地”總阻抗Z：

(3)

正常狀態(tài)下，Z5≈Z6≈∞，所以，Z2≈∞，總阻抗Z=Z1=Z3+Z4

放電間隙與690 V電涌保護器同時動作(電氣短路)：Z5≈Z6≈0，帶入(1)、(2)、(3)得總阻抗：

Z≈0.5Z1。

(4)

此時，從葉片到達風機主軸的雷電流由金屬塔筒和690 V電源線路兩個路徑均分泄流入地。

參見圖24，空氣放電間隙是電壓開關型器件，其開關電壓即是兩極之間的擊穿電壓；空氣擊穿場強為30 kV/cm，取發(fā)電機轉子與定子線圈間距為2 mm(一般為1～2 mm)，則擊穿電壓為0.2×30=6(kV)。690 V電涌保護器是標準器件，其U1mA(啟動電壓)一般為2～2.8 kV，取U1 mA=2.8(kV)。即當葉片主軸至箱變內等電位連接帶之間的電壓達到8.8 kV時，風力發(fā)電機將出現第二路雷電流入地路徑。

設雷擊風機葉片時，主軸位置對地沖擊電壓為U(kV)，則：

(5)

式中:L為風機塔筒單位長度電感，取1.5 μH/m；H為風機塔筒高度，單位m；di/dt為首次雷擊電流陡度，單位kA/μs，I為擊在葉片上雷電流幅值，單位kA；R為塔筒工頻接地電阻值，單位Ω。

風機塔筒高度80 m[1]，取塔筒接地電阻R=1 Ω、首次雷擊電流陡度di/dt=10 kA/μs，雷電流幅值I=1 kA，帶入(5)式，葉片主軸對地沖擊電壓：

=1×1+1.5×80×10

=1 201(kV)>>8.8 kV

綜上所述，風力發(fā)電機葉片主軸至大地之間，為兩個實際的電氣路徑：

1) 葉片(或葉片上的接閃器)、葉片引下線、輪轂主軸、輪轂主軸軸承、機艙軸承、機艙底座、金屬塔筒、共用接地裝置。

2) 葉片(或葉片上的接閃器)、葉片引下線、輪轂主軸、主軸發(fā)電機轉子、(轉子上的雷電擊穿空氣間隙向定子線圈放電)主軸發(fā)電機定子線圈、690 V電纜、箱變內690 V電涌保護器、箱變內等電位連接排、共用接地裝置。

第一個電氣路徑目所能及，廣為接受并研究其防雷技術，第二電氣路徑需要一定的機械、電氣、電路知識，目前鮮為認知并進一步研究，甚至不認為存在該路徑，導致出現雷擊事故后無解的情況。阻斷雷電流到達葉片輪轂主軸是避免雷擊事故的關鍵，有一些介紹減小雷電流進入機艙的方法[13]，但不能完全阻斷直擊雷電流進入機艙，徹底消除隱患。

4.2 等電位連接

參見圖7、圖25。所有的箱變內均有等電位連接排，供箱變內690 V電源電涌保護器、690 V/400 V電源N線、35 kV金屬鎧裝層等電氣設備等電位連接，并由箱變外接地扁鋼(圖26)至接地裝置。

圖25 箱變等電位連接示意圖Fig.25 Schematic diagram of equipotential connection of box transformer

圖26 箱變接地扁鋼(2016年5月拍攝)Fig.26 Grounding flat steel of box transformer(taken in May 2016)

設風機共用接地裝置接地電阻1 Ω，等電位連接排至接地裝置接地線長度為L=2 m；100 kA首次雷擊電流擊在風機葉片上時，侵入到箱變等電位連接端子板電流為50 kA，帶入(5)式，等電位連接端子板對地沖擊電位為

=50×1+1.5×2×10

=80(kV)

該雷電沖擊電位轉移至二次回路，足以造成二次回路及附屬先關設備損壞。另一方面，按照電流均分原則，通過每相690 V電源電涌保護器沖擊電流為：50 kA/3≈17 kA；假設電涌保護器上下螺栓壓接連接點過渡電阻為0.1 Ω(標準要求小于0.2 Ω[4])，17 kA沖擊電流在螺栓壓接連接上下點之間電位差即可達1.7 kV瞬間高壓，該高電位差可能造成連接點瞬間“跳火”熔接或高溫或熔斷，甚至導致本研究案例1～案例3的電涌保護器爆炸。有文獻對這一危害過程機理進行較為詳細的分析[14-16]，不再贅述。

箱變內這種出廠設置的等電位連接方式，違背了“共網不共線”接地原則。簡單的一、二級回路電氣隔斷措施即可消除這個事故隱患，將690 V電涌保護器接地端并接于(增設的)40 mm×4 mm扁鋼接地端子板，用陶瓷絕緣子將接地端子板固定在箱變內等電位連接板(或機架)，再將接地端子板用截面積不小于35 mm2多芯銅線接至箱變外接地扁鋼(電氣原理圖見圖27)；后續(xù)生產的箱變按此方法在箱內設置獨立的接地端子板并專設接地線端即可。

圖27 一二次回路電氣隔斷原理圖Fig.27 Schematic diagram of primary and secondary circuit electrical isolation

4.3 35 kV金屬鎧裝層接地

如圖28，35 kV金屬鎧裝層都是通過接線端子螺栓壓接于等電位連接端子板。35 kV電纜鎧裝層接地端子位置“跳火”、甚至鎧裝層熔斷(見圖10、圖11、圖16)、電纜溝內35 kV電纜中間接頭金屬鎧裝層跳火熔斷(圖12)電路電氣原理同前。

圖28 35 kV金屬鎧裝層接地(2016年5月拍攝)Fig.28 35 kV metal armor grounding (taken in May 2016)

“一端接地”防雷技術可徹底解決這種“跳火”事故隱患[17-24]：“箱變”內35 kV金屬鎧裝層箱變內“懸空”不接地，電纜溝內35 kV電纜另一端中間連接點接地，同時35 kV電纜溝內增敷細沙或碎土覆蓋35 kV電纜，形成自然的鎧裝層對地放電間隙，既防止雷電流或共網接地可能出現的雷電地電位電流進入鎧裝層，又能避免電纜中間連接點“跳火”[25-30]。

5 結論

1)實際電氣裝置和電路模型證明：正常工作狀態(tài)下，風力發(fā)電機輪轂主軸至塔筒接地裝置之間，應是兩個并聯(lián)的入地電氣路徑，一個是低阻抗的風機塔筒至接地裝置金屬組件，另一個是風機塔筒內輪轂主軸、空氣放電間隙、690 V電纜、電涌保護器至接地裝置入地的高阻抗電氣組件路徑。仿真計算表明：雷擊風力發(fā)電機葉片時，高阻抗的電氣組件路徑將轉化為低阻抗電氣泄流路徑，進入風機機艙葉片輪轂主軸的雷電流經兩個低阻抗路徑均分入地散流。

2)“箱變”內錯誤的等電位連接破壞了690 V/400 V電源系統(tǒng)一、二次回路的電氣隔斷。第二路徑雷電流可能導致箱變內690 V電源電涌保護器過熱爆炸、在等電位連接排位置產生瞬態(tài)雷電高電位并轉移至二次回路，導致“箱變”內二次回路設備及相關線路雷擊損壞。