当前位置: 主页 > 论文下载 > 工学论文 >

风电场防雷系统的相关探讨

作者：张修志日期：2013-12-16 09:49 来源：《电子制作》

中广核风电公司华南分公司广东深圳 518000

【文章摘要】
沿海山区和高海拔地区通常都是雷雨季节的雷电高发区，未来对风电场的防雷系统要求会更加严格，做好防雷系统对风电场的安全运行更加重要。本文结合实际，从风电场防雷接地系统设计、施工，以及风电机组、电气系统、集电线路、通讯系统防雷的措施等几个方面，阐述如何可以更加有效降低雷电侵扰带来的伤害，减少因雷击造成的损失，保证风电场安全经济的运行，力求为今后风电场防雷系统的优化提供参考。
【关键词】
风电场；雷电；防雷系统
1 风电场防雷接地系统设计与施工
对于整个风电场要想减少雷击事件的发生，降低雷击造成的损失，达到良好的防雷效果，做好防雷接地系统的设计和施工是前提条件也是最基本的要求。风电场如果没有良好的防雷接地系统，雷击电流无法迅速传导于大地，采取所有的防雷措施都无济于事。因此做好风电场防雷接地系统的设计和施工是非常重要的。
1.1 风电场防雷接地系统的设计
1.1.1 风机基础和箱变配电设备防雷接地系统设计
风机基础和箱变配电设备接地系统设计要根据风电场所处的地理位置、土壤特征、雷击自然灾害发生的频率等条件，参照IEC61400- 24-2010《风力涡轮机. 第24 部分：防雷保护》等行业规范的要求进行设计。风电机组的接地既是防雷接地，也是设备保护接地、工作接地、防静电接地。风机基础是风电机组重要的自然接地体，风电机组的接地铜引线穿过基础时应与风机基础内的钢筋有效连接，同时与箱变接地连为一体。当风电机组的接地电阻不能达到标准要求时，应敷设人工接地网，人工接地网由厚度不小于4mm、埋地深度不小于0.8m 的扁铁组成，人工接地网通常为以风机基础中心为圆心的同心圆方式布局。风电场内所有的风机机位的接地电阻应符合阻值≤ 4Ω 的要求。
风电机组、集电线路、箱变配电设备的下列金属部件，均需有效接地：
1）风电机组的机舱（包括叶片、发电机组、控制柜等）、塔筒、箱变和高压电器的底座外壳；
2）配电、控制、保护柜、操作台等金属框架；
3）动力及控制电缆、通讯光缆的金属铠装；
4）配电装置的金属架构和钢筋混凝土架构，靠近带电部分的金属围栏；
5）电力电缆接线盒、终端盒外壳、通讯光纤接线盒、电缆外皮、穿线钢管和电缆或母线桥架；
6）装在集电线路杆塔上的开关设备、避雷器、跌落式开关等电器设备；
7）集电线路杆塔、避雷线、通讯光缆铠装保护层。
1.1.2 风电场升压站防雷接地系统设计
风电场升压站内集中安装了最重要的电器设备和电气装置，因此升压站的防雷接地系统必须严格按照GB50065- 2011《交流电气装置的接地设计规范》，结合升压站所处位置环境及土壤条件进行设计。一般是统一敷设主接地网，而在避雷针或避雷器附近的地下另外敷设防雷接地体，加强释放雷击电流的能力。一般情况下，风电场升压站接地装置接地电阻值应符合公式：R ≤ 2000/I
公式中：R—最大接地电阻值单位为Ω
I—流经接地装置的入地电流（雷击电流或短路电流）单位为 A
在理论设计中防雷接地设计要满足R ≤ 2000/I，一般情况通常认为110kV 及以上的升压站防雷接地电阻值R ≤ 0.5Ω，但并不是接地电阻值R ≤ 0.5Ω 就一定合格，如果流经接地装置的入地电流（雷击电流或短路电流）特别大时，还要采取其他措施，保证满足R ≤ 2000/I 的设计要求。
风电场升压站防雷接地网设计要遵循如下原则：
1）尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接来作为接地网；
2）尽量以自然接地物为基础，人工接地体为补充，外形尽可能采用闭合环形；
3）采用统一接地网，用一点接地的方式接地。
当接地装置的接地电阻值不符合公式要求时，可通过技术经济比较，适当放宽接地电阻值，但阻值不得大于4Ω，并且要符合我国的相关标准要求。
1.1.3 风电场集电线路防雷接地系统设计
风电场内集电线路防雷接地系统设计要符合 DL/T620 -《交流电气装置的过压保护和绝缘配合》的要求。线路杆塔防雷接地系统的电阻值, 通常情况下要满足R ≤ 30Ω。
1.2 风电场防雷接地系统的施工
1.2.1 防雷接地系统施工要求
风机基础的防雷接地系统地埋接地避雷带应为50×4mm 的热镀锌扁铁，扁铁要按照以风机基础中心为圆心的同心圆进行敷设。风机接地铜引线与避雷带要焊接相连，连接点应不少于3 处。施工流程一般为：施工准备→开挖接地沟槽→敷设接地扁铁→安装接地装置→焊接避雷线→焊接接地网→对焊点进行防腐处理→铺撒降阻剂→回填压实接地沟槽→测试接地电阻值。
防雷接地网所有焊接处的焊缝应饱满，并能够承受足够的机械强度，不得有夹渣、咬肉、裂纹、虚焊、气孔等缺陷，焊接处的焊渣应清除干净，并刷沥青进行防腐处理。每处施工完毕后，要及时请质检人员进行隐蔽工程检查验收，合格后方能隐蔽，同时做好隐蔽工程的验收记录。避雷带应平直、牢固安装，不得有明显的高低起伏和弯曲现象，间距距离应均匀一致。
2 风力发电机组防雷措施
目前，风力发电机组的单机容量越来越大，为了更好的吸收风能，轮毂高度和叶轮直径也在不断增加。与此同时风力发电机组也增加了被雷击的风险，雷击成了影响风力发电机组安全运行的一大危害。雷电释放的巨大能量会造成风机叶片损坏、通讯光纤熔断、发电机绝缘击穿、控制元件烧毁和液压缸损毁等。风力发电机组主要部件被雷击损毁率由高到低依次为电控系统、叶片、通讯光纤、发电机、变桨液压缸。按雷击损毁维修成本由高到低分别为叶片、发电机、变桨液压缸、电控系统、通讯光纤。
2.1 风力发电机组防雷系统
雷电对风力发电机组的损害分直击雷损害和感应雷损害，直击雷主要损坏风力发电机组的叶片、变桨液压缸、通讯光纤等，感应雷主要损坏电气控制系统、发电机等。针对直击雷和感应雷，我们要根据其特性，采取不同的方式对风力发电机组进行保护。
2.1.1 风力发电机组外部防雷保护系统
风力发电机组的外部防雷保护系统由接闪器、防雷引下线和接地系统组成，主要作用是防止直击雷对风力发电机组造成的破坏。
1）接闪器
雷击风力发电机组的落雷点一般在叶轮的叶片上，因此接闪器应预先安装在叶片的预计雷击处以承接雷击电流。为了以可控的方式将雷击电流引导入大地，现在市面上叶片通常采取每个叶片安装4 ～ 6 个接闪器，这些接闪器通过叶片内腔的避雷线连为一体。接闪器的材质多为铝质，避雷线的规格通常是直径Φ ≥ 35mm²的多股软铜导线。
为了更好的防止叶片遭受雷击，现在已经有叶片厂家开发出了新型的防雷叶片。近两年市场上逐步出现了带有铜质防雷帽的叶片，其用套在叶尖上的铜质防雷帽代替叶尖接闪器，增大了承载面积更加有利于将雷击电流及时引入大地。由此原理推测，今后市场上不排除出现带有防雷带的叶片，其原理就是用两条敷设在叶片表面的铜质导电带代替叶片两侧的接闪器，使叶片本身更加均匀的增大接受雷击电流的能力，及时将雷击强电流引入大地，避免雷击对叶片造成损坏。
另外，叶片本身的质量对能否抵抗雷击也有很大的关系。因为雷击叶片时强大的雷击电流通过叶片的接闪器、避雷线进入大地，同时也会产生巨大的热量，致使叶片自身膨胀。如果叶片本身质量存在瑕疵，玻纤体内部有气泡或其他填充物质，这时叶片体的膨胀系数就不一致，当雷击电流发热致使叶片膨胀，由于叶片体材质的膨胀系数不同，就会造成叶片变形，当叶片体变形到一定程度，就会将叶片撕裂或胀开，从而是叶片损毁。
2）引下线
专设的引下线连接着叶轮、机舱、塔架和风机基础接地网，同时机舱和偏航刹车盘也通过引下线连接为一体。雷击电流可以通过引下线顺利的导入大地，避免对机组造成损害。值得注意的是，有些风电机组取消了塔筒内部敷设的避雷引下线，其利用塔筒自身的导电性能将雷击电流导入大地。其实这么做是不够科学的，首先每台风力发电机组的塔架至少两段塔筒对接通过螺栓连接在一起，并且两段塔筒连接的法兰面还涂有防水胶，无形中增大了塔筒的导电能力；其次，雷击电流不是纯直流电流，这时对于雷击电流塔筒相当于一个大的电感，当雷击电压作用于塔筒上时，塔筒本身会产生反电动势，阻止雷击电流及时的导入大地。因此将塔筒本身作为风力发电机组的避雷引下线是不够科学的。
2.1.2 风力发电机组内部防雷（过电压）保护系统
风力发电机组内部防雷保护系统既要能够防止直击雷对机组的损害，又要能够防止感应雷对机组的损害。内部防雷保护系统主要由电涌保护器、屏蔽装置、等电位连接网等装置组成。
1）电涌保护器
电涌保护器是风力发电机组暂态过电压保护装置。对风力发电机组控制系统造成破坏的暂态过电压，可能是直击雷也可能是感应雷引起的。当雷电发生在电力线路、通讯线或风电机组附近时，将在这些线路或设备上产生暂态过电压，其电压幅值可达几十千伏。沿着电力线路或通讯线路注入的暂态过电压会对线路造成极大的破坏，要想减少或避免这种破坏，需要在线路上加装电涌保护器。
2）屏蔽装置
屏蔽装置对风力发电机组抗击雷电侵扰，保护电控系统也是不错的选择。机舱做成一个密闭的壳体，相关的电气和电子器件都安装在密封的电控柜内，密封的电控柜具有良好的屏蔽效果。另外风机底部平台和机舱内不同设备之间的线缆采用带有外部金属屏蔽层的线缆，当线缆屏蔽层的两端都连接到等电位连接带上时，屏蔽层对雷电产生的电磁干扰也会起到很好的屏蔽作用。
3）等电位连接网
等电位连接网可以抑制雷电引起的电位差，是风力发电机组内部防雷系统的主要组成部分。在等电位连接网系统内，所有导电的部件都被互相连接，用以减小雷击时引起的电位差。在设计等电位连接网时，应按照标准考虑其最小横截面积。一个完整的等电位连接网可以包括金属管线和电源线路、通讯线路的等电位连接，这些线路应通过雷击电流保护器和主接地网接线母排相连。
3 结论
风电场防雷系统是一个涉及升压站、场内集电线路、风机基础场坪、风力发电机组本身等多方面的复杂系统，任何一个环节出现问题都会造成防雷失效的现象。另外风力发电机组本身质量，特别是叶片质量是否过关，也是影响是否能够成功防雷的决定因素。