高山风电场雷击分析与接地整改防护

范昭胜

(湖南省水利发展投资有限公司，湖南 长沙410007)

0 引言

湘南某高山风电场海拔900～1 300 m，一期安装有25台(24×2 MW+1×1.9 MW)风电机组及其箱式变电站(以下简称箱变)系统。2018年8月28日，风电场区域遭受强烈雷暴，17—21号风机同时发生雷击故障，雷击过电压造成5台风机箱变低压侧损毁。因箱变低压柜系统短路，还造成高压侧变压器严重损坏。

该风电场2013年投产以来，设备多次遭受雷击，而其原因不确定[1]，为了有针对性地防治雷击事故，最大限度地减少雷击造成的设备损失，在现场调研风电场地理、地质、土壤、环境、气候、气象以及雷电活动规律的基础上，现场测试风电场一期防雷接地现状，从雷电对风电机组的危害方式及成因出发，对该风电场开展雷击事故损坏机理分析，建立ATP/EMPT模型[2]，开展雷电暂态过电压仿真研究[3-5]。

利用风电场的防雷系统研究成果，根据现场施工条件，结合土壤电阻率、土质情况、气候环境等参数，完成对风电场接地网改造的设计、合理性配置和改造施工，开展风电场箱变防雷整治和防护抑制试验[6-10]。

该风电场一期防雷整改后效果较好，降低了风电机组及箱变遭雷击损坏的可能性，提高了风机运行可靠性，为二期接地网整改提供了实践经验，对类似风电场雷击研究和防雷整改具有借鉴意义。

1 风电场接地网概况

该风电场土壤地质主要为风化岩结构，风机基础所在位置的土壤比较均匀一致。受地形限制，风机接地网较小，土壤电阻率较高。为验证风机接地网电气连接的完整性，经抽样测试，直流电阻值在75.3～323.4 MΩ，表明风机接地网之间导通良好。

根据QX/T312—2015《风力发电机组防雷装置检测技术规范》5.6.2的规定，接地装置与其他接地网连接，应断开连接后再进行检测。现场采用电流-电压表三极测试方法，通过电流-电位线夹角/直角法布置的方式，检测25台风机的接地阻抗，每台风机接地阻抗四次测量误差在5%以内视为有效值，测量结果如图1所示。根据QX/T312—2015《风力发电机组防雷装置检测技术规范》及设计值要求，该风电场接地网阻抗值应不大于4Ω。测试结果共有17台风机接地阻抗不合格。

图1 一期风机接地网接地阻抗测量结果

2 风电设备的雷击损坏机理

2.1 雷电放电模型

选取Heidler函数模型，建立雷电源仿真模型如图2所示。模拟雷电放电过程，仿真雷电流波形如图3所示。雷电流在5～30 kA范围时，雷电通道阻抗Z0为600～900Ω。雷电流在30～200 kA时，Z0值为300～600Ω。一般Z0取400Ω。

图2 雷电源仿真模型

图3 仿真雷电流波形

2.2 雷电对风机放电电路

高山风电机组在雷暴云电场的影响下，风叶尖端会聚集大量电荷，与雷云电荷极性相反，风机易遭雷击。为了简化雷击过程，把雷云视作电流源，放电回路如图4所示。

图4 雷击风机等效电路

2.3 故障风机联合单元模型

风电场中将若干台“一机一箱变”接线单元通过电缆和水平接地极连接，组成一个联合单元，每个联合风机单元通过35 kV集电线汇接至110 kV升压站的35 kV配电装置。该风电场2018年8月同时发生雷击故障的17—21号风机组成一个联合单元，其等效拓扑结构如图5所示。对多台风机相连接的风电场网络建模，只需将单元接线模型按照安装排列方式进行连接，各机组接地装置埋设水平电极，互联组成大的接地网。

图5 17—21号故障风机等效拓扑接线

3 雷电暂态过电压仿真分析

3.1 单台风机仿真

为研究雷电过电压对箱变低压侧的损坏原因，开展18号风机遭受雷击ATP仿真模型试验，风机塔底和箱变两侧电压见表1[11]。当箱变低压侧电涌保护器(SPD)正常运行，能很好地限制低压侧过电压，发挥保护作用。

表1 18号风机ATP仿真电压值

3.2 多台风机联合仿真

假设雷电流沿着17号风机叶片侵入到联合共用地网的风电机组，如图6所示。

图6 雷电沿17号风机叶片侵入示意图

各风机箱变处的地电位波形如图7所示，各风机地电位最大峰值见表2[12-13]。虽然雷电流在地网中的衰减较快，但是当雷电流传递到21号风机时，在风机的箱变处依然有高达47 kV的地电位。地网结构采用联合风机共用地网的方式可以降低地电位，但是存在一个安全隐患，即当雷电流沿着其中某台风机叶片侵入时，会连续同时引起至少5台风机低压侧的SPD发生反向击穿。

图7 各风机箱变处的地电位波形

表2 17—21号故障风机地电位峰值表 kV

3.3 箱变低压侧雷击过电压损坏分析

通过仿真分析，该风电场风电机组多台箱变低压侧同时损坏的主要原因是:雷电流经共用地网在各风机箱变处产生过高的地电位，加上风机接地阻抗偏高，箱变低压侧所用SPD结构老化，保护效果降低，经地网的反击过电压使低压侧SPD失效，致使箱变低压侧先发生接地短路。由于箱变母排间距离较近，没有采用绝缘保护，雨天母排接线端水雾聚集，接地短路发展成相间短路。短路产生长时间的工频续流烧坏低压侧设备，同时由于低压侧的短路故障，风机及高压侧两电源端均对短路点输出短路电流，使箱变高压侧电流增大，熔断器弹出或烧坏，进一步损坏箱变设备。

风电场的风机、箱变、集电线路组成一个系统，因而雷击箱变损坏的原因比较复杂，雷击的侵入点、幅值、接地阻抗、避雷器的结构老化都会有影响。单从理论建模分析，造成箱变损坏的原因主要是低压侧浪涌保护器未起到应有的保护作用、风机系统接地阻抗偏高和采用共用地网。

4 风电场防雷整改

4.1 风机接地网整改[14]

风机接地网敷设如图8所示[15-16]。

图8 风机接地网敷设图

采用φ60×6 mm热镀锌扁钢，在基础距离不小于1.5 m处布置一圈环形接地体，并与风机位预留接地扁钢(3处)进行可靠连接。在环形接地体上安装6根垂直接地体50 mm×5 mm×2 500 mm热镀锌角钢。箱变周围设置一圈水平接地线，新增4根长2.5 m的垂直接地极，并在箱变底部不同部位上引2个接地线作为箱变中性点及设备基础接地。环形接地体向外选取土层较厚、土壤电阻率较小的方向敷设外引接地体，再根据每个风机位的实际情况调整接地体敷设方向，在外引接地体处设置多口20 m深井接地，保证接地电阻≤4Ω。

4.2 接地电阻验证计算

4.2.1 外引水平接地体接地电阻计算

式中，土壤电阻率ρ=1 000Ω·m；水平接地极总长L=300 m；水平接地极埋设深h=0.8 m；水平接地极直径d=0.03 m；降阻系数K=20；水平接地体形状系数A=0。

4.2.2 深井接地极的接地电阻计算

式中，土壤电阻率ρ=100Ω·m；深井接地极长L=20 m；接地极等效直径D=0.2 m；电解地极降阻系数K1=20%。

4.2.3 多根深井接地极接地电阻

式中，单根深井接地极的接地电阻R=9.05Ω；n为深井接地极的数量；接地极利用系数η=0.8。

4.2.4 复合接地网接地电阻

式中，水平接地体的接地电阻R1=6.6Ω；Rn2为多根垂直接地极的接地电阻。

结合式(1)—(4)计算结果，深井接地极数量n≤0.89。

接地电阻实际值与理论值有一定偏差，所以一般按照较难条件进行计算。由于风电场环境因素复杂，土壤电阻率较高，接地施工一般采用外引接地和深井接地进行有效降阻。外引接地主要是扩大接地网面积，同时增大深井接地极的间距，避免接地极间的电磁干扰。深井接地极主要是考虑岩石缝隙的地下水，通过地下水作为良导体达到有效的降阻效果，同时可以把冲击电流快速地泄放至大地深处。根据该风电场25台风机接地电阻测试结果，考虑接地网腐蚀情况，每台风机敷设300 m2接地网，设置一口20 m深井。

4.3 箱变室等电位连接整改

箱变室等电位连接如图9所示，应符合GB50689—2011《通信局站防雷与接地工程设计规范》相关要求。

箱变室内设备接地与箱变中性点及外壳接地不能从同一根引入线引接，之间也不能用导线相互连接，否则雷电流会干扰设备的运行，导致设备出现吊死，严重的甚至会造成设备内部绝缘击穿后工频续流发生短路，从而损害、烧毁设备。所以两个接地点必须分开从地网上引接，并且引接点的距高应≥5 m。

图9 箱变室等电位连接图

4.4 更换低压侧电涌保护器

该风电场浪涌保护器腐蚀严重，无法看清产品型号及参数。取样剖析，产品为电压开关型电涌保护器，内部由耐高温材料(钨铜)制作成电极，铜制分隔片组成分割电弧的间隙放电部件。该结构泻放雷电能量能力大，作为一级电涌保护器可以防护100 kA雷电波，间隙结构放电响应时间100 ms。测试设备为8/20μs兼容10/350μs冲击电流发生器，在10/350μs、25 kA测试条件下，正负极性各冲击1次，冲击性能测试结果见表3，根据相关标准，判定结论为不合格。

表3 冲击电流测试结果 V

电压开关型电涌保护器适用于直接雷击的过电压保护，在后级电路还应配合使用AM系列的限压型电涌保护器。当两级电涌保护器之间的线路长度小于10 m，限压型电涌保护器之间的线路长度小于5 m时，在两级电涌保护器之间应加装退耦装置。当电涌保护器具有能量自动配合功能时，电涌保护器之间的线路长度不受限制。电涌保护器还应有过电流保护装置和劣化显示功能。

该风电场地处强雷暴区。改造使用国内一流品牌的高能量电涌保护器，由特殊非金属材料制成，应用叠层放电技术全密封设计，具有冲击放电电流大、限制电压低、无电弧外泄、无漏电电流、遮断续流能力强等特点，将风机位遭受到雷电闪击后的高强度传导与感应雷电浪涌尽快泄放入地，有效防止箱变内产生雷击闪络而导致弧光短路烧毁设备。

5 其他抑制防护措施

1)增强绝缘。主要方法有导体电极间安装绝缘隔板(如环氧树脂隔板)、包裹绝缘带或热缩套管、涂刷绝缘涂料。690 V开关背面引出的金属母排采用10 kV或35 kV高压绝缘带或热缩套管进行包覆。施工注意包覆完成后不应出现金属裸露部分。

2)铠装接地。如采取镀锌钢管分半套装在风机至箱变塔筒基础外的电缆线外，须保证外套金属管首尾两端与地网紧密可靠连接。埋地电缆应带有屏蔽层或铠装层，且两端与接地网牢固连接。光缆采取直埋光缆或普通光缆穿钢管地埋方式进入机房，铠装层或钢管两端接地，利用雷电流的趋肤效应减小进入室内的雷电流。

3)光缆加强筋接地。由于加强筋上易出现高电位，属于危险源，施工时要尽量减少加强筋的裸露长度，不超过其接地螺母两侧各5 mm。为保证雷电流对地迅速充分泄放，加强筋的接地线必须使用截面积不小于16 m2的多股铜导线。

6 结语

1)高山风电场一般土壤电阻率较高，风机基础受地形限制，接地网施工难度大，风机接地网较小。防雷整改首先要现场测试风机接地网接地阻抗，通过科学分析计算，采取合适的接地网布置技术和施工方案。

2)箱变是遭受雷击的重灾设备，应高度重视对箱变室等电位连接进行整改。施工应特别注意将箱变室内设备接地、工作接地与箱变中性点接地分开，单独从地网引入接地线。箱变外壳接地、箱变中性点接地、设备接地分别从地网引入接地线，并且接地点在地网上的引出点距离不小于5 m。