风电机组用SPD承受的应力因素分析

叶平

摘要：为防御雷电电涌过电压，风电机组的电气系统和电子系统均需要安装SPD。本文通过全面剖析风电机组用SPD承受的应力因素，为风电机组电气系统和电子系统所使用的SPD的级数、安装位置和性能参数的选择提供技术依据，以指导具体的工程实践和理论研究。

Abstract： To defense the lightning surge of overvoltage， electrical and electronic systems of wind turbines are required to install SPD.Through a comprehensive analysis of stress factors of SPD for the wind turbine， this paper provides the technical basis for the selection of SPD series， the installation position and performance parameters， so as to guide the specific engineering practice and theory research.

关键词：风电机组；SPD；应力；因素；分析

Key words： wind turbine；SPD；stress；factor；analysis

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）13-0153-02

0 引言

风力发电是我国清洁能源开发和建设应用的重要组成部分，其对我国国民经济的可持续发展具有十分重要的战略意义。近几年来，风电场在我国的建设规模越来越大，风力发电机组的发电容量均在450kW以上，而且这些风电场多设置在诸如海岸、丘陵、山脊的地方，而这些地区正是雷电多发区。为了保证风电机组的安全运行，工程技术人员都会根据设计标准的要求，对风电机组的浆叶、机舱、电气系统和控制系统等重要组成部分采取综合防雷措施进行保护。其中，对于风电机组的电子系统和电气系统通常采用安装SPD来防御雷电电涌过电压。当采用SPD来保护风电机组的电气、电子系统时，必须根据电子、电气系统的具体情况以及SPD可能承受的应力因素来确定SPD的级数、安装位置和性能参数的选择。

当风电机组电气和电子系统性能参数确定的情况下，SPD的级数、安装位置和性能参数的选择就取决于SPD可能承受的应力因素了。

那么，风电机组电气和电子系统用SPD可能承受的应力F与哪些应力因素相关呢？根据SPD的工作状态，我们可以认为，在浪涌条件下，风电机组用SPD所承受的应力F是很多复杂且相关的应力因子，X1，X2，……，Xn-1，Xn的函數，数字表达式如下：F=f（X1，X2，……，Xn-1，Xn）（1）

根据式（1），我们来具体分析在浪涌条件下风电机组用SPD所承受的应力因子（即X1，X2，……，Xn-1，Xn）。

1 风电机组用SPD的设置位置

按照防雷区分区的原则，风电机组不同防雷区界面处所设置的SPD承受雷电电应力类型是不相同的。一般来说，在LPZ0区与LPZ1区交界处的SPD，其承受的雷电电应力因子是波形为10/350μs直接效应的雷电流，故此处应选用Ⅰ类测试的SPD，主要解决泄流问题；而在LPZ1和LPZ2以及后续防雷区界面处出现的雷电过电应力因子主要是8/20μs波形（感应效应）的雷电流，因此，在这些防雷区界面处应选用Ⅱ类或Ⅲ类测试的SPD，主要解决截波和平滑波形的问题。所以，在风电机组的不同防雷区界面处，SPD所面临的雷电过电应力因素是不相同的，因此，SPD所承受的过电应力F亦是不同的，这决定了风电机组在不同位置设置的SPD，其性能要求是各不相同的。

2 雷击风电机组设备的耦合方式

雷击风电机组的各种耦合机制可将雷电流瞬态感应至电路，当其感应电压足够高时，可以损坏风电机组的电源、PC板、传感器和其他电力电子装置。雷击风电机组设备的耦合方式主要有三种：①传导耦合。雷电流会通过进入风电机组的各种导体寻找入地的通路并根据其阻抗而分配电流，传导耦合可以为雷电流提供优先的、低阻抗通道，会在风电机组绝缘或小空气间隙产生闪络电弧，从而损坏风电机组的电子和电气设备。②电容耦合。进入风电机组的雷电流的频谱较宽，其中上升陡度高的高频过压可通过电容进行耦合，从而对设计安装的SPD产生电应力影响。雷电过压升高与电场相关，电场中的导体产生的电势与电场变化率成正比，与雷击源的距离成反比。③磁耦合。进入风电机组的雷击电流陡度的上升会引起较大的磁场变化率，将使处于磁场中的电气和电子回路成为损坏的电压源，是造成风电机组中电气和电子系统损坏的重要原因，也是SPD所要面临的电应力因素。

3 风电机组内部雷电流的分配状况

风电机组内部电气和电子系统用SPD承受雷电过电应力的水平还受进入风电机组内部雷电流的分配状况的影响。对于每一个SPD可能承受的电应力，从理论上来说可以通过测试方式来确定，但在现实操作中是相当困难的，因此，当没有计算进入风电机组雷电流分配的特殊方法时，一般假定雷电流的50%传导进入风电机组的接地系统，其余50%通过SPD回流。

式中：I—雷电流幅值，kA；n—地下和架空引入的外来金属导体和线路的总数；m—每一线路内导体芯线的总根数；RS—屏蔽层每公里的电阻，Ω/km；RV—芯线每公里的电阻，Ω/km。

根据式（2）、式（3）所确定进入每一SPD的雷电流值误差是较大的，但从概率论和平均值的角度来讲，这一计算方法具有一定的参考价值。当然，对于复杂的风电机组系统，还可采用计算机仿真工具来较准确地确定SPD所承受的雷电应力，为正确选择SPD奠定坚实的技术基础。

4 进入风电机组的电气和电子设施的阻抗和电感

连接风电机组电气和电子设备的线（缆）及其它金属传导体，因其自身存在的阻抗和电感，会直接影响雷电流的峰值I和电荷Q的分配比率。一方面，线缆中的阻抗会耗散雷电流中的低频部分能量，以降低SPD所承受的雷电流能量；另一方面，线缆中的感抗会暂时存储雷电流高频部分能量，以改变SPD所承受雷电流能量的时空分布，从而减轻SPD某一时点所承受的雷电过电应力。

5 雷电流波形的类型

进入风电机组的雷电骚扰的脉冲宽度通常存在较大的差异，例如进入风电机组LPZ0/LPZ1界面处的雷电流波形一般为10/350μs，而存在于LPZ1/LPZ2界面处的雷电流波形可能是8/20μs。因此，设置在风电机组内部不同位置的SPD，其承受的雷电流的波形的类型存在较大差异，这也决定了风电机组内部不同位置的SPD，其承受的雷电流应力的各不相同的，故相应位置SPD的性能参数的选择和功能界定亦是不同的。通常情况下，在风电机组的LPZ0/LPZ1界面处，SPD宜选用Ⅰ级分类试验产品，主要完成泄流任务；在LPZ1/LPZ2界面处，SPD宜选用Ⅱ级分类试验产品，主要完成限压、截波任务；在LPZ2/LPZ3等后续防雷区界面处，SPD宜选用Ⅲ级分类试验产品，主要完成钳位、平滑波形的功能任务。

6 与风电机组设备相连接的附加导电服务设施

当与风电机组设备相连接的附加导电服务设施数量增加时，这些服务设施会携带部分直击雷电流，并因此而减少通过具有雷电防护作用SPD和流经电气和电子系统的部分雷电流，从而降低流经SPD的雷电流的大小，例如风电机组各设备之间所建立的等电位连接措施，以及风电机组的屏蔽措施均会降低流经SPD的雷电流。

7 风电场中各风电机组之间的电气连接设施的分布结构

近年来，我国建设的风力发电机电组的功率均在450kW以上，且每一风电场所拥有的风电机组数量较为庞大。为发挥风电机组的整体效率，风电场中的各风电机组之间的关系连接更为密切，其中各風电机组之间的电气连接的分布结构将直接影响风电机组之间的雷电流的分布，进而决定风电机组内部流过SPD的雷电流的大小。因此，在风电场建设过程中，应认真分析和考虑各风电机组之间的关系布局，以降低雷电对风电机组的影响和危害。

综上所述，为了保证SPD在实际运行中既起到保护风电机组的作用，同时又不影响风电机组的正常运作，我们在工程实践中采取的主要措施包括：一是加强风电场雷击风险的评估和分析，重点确定危害风电机组的雷电通道及各雷电通道中雷电过电应力的强度；二是正确划分风电场及风电机组防雷区；三是根据风电机组中被保护设备的特点和系统的要求，确定SPD的级数和安装位置；四是要正确选择SPD的性能参数，并留有容量；五是密切关注SPD安装工艺要求；六是完善风电机组的屏蔽、接地和等电位连接措施；七是加强SPD日常巡检和管理。

通过以上的分析，我们可以看到，风电机组用SPD所承受的雷电过电应力的因素构成是相当复杂的，雷电过电应力因素可以使暂态过压（如地电位）急剧升高，造成对电气和电子设备的反击；亦可沿进入风电机组的电力线路和信号线路分别侵入电气和电子设备而造成损害，因此在风电机组用SPD设计、施工和检测等工程实践中，我们必须在充分分析SPD所承受的雷电过电应力因子的基础上，采取切实可行的防护措施，减少和降低雷电应力对SPD及其保护设备的损害风险。

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