风电机组过电压保护与防雷接地保护设计研究

王克 汪天呈 甘瑜前

摘要：雷击是严重影响风电机组正常运行的主要因素之一，多数风电机组所处环境较为空旷，容易受到雷击影响，雷击会产生较大的过电流和过电压，对风力发电造成安全隐患。基于此，结合具体的工程实例，针对风电机组的过电压保护及防雷接地保护设计进行了分析，以有效保障风电机组的安全、稳定运行。

关键词：风电机组;雷击;过电压保护;防雷接地

0 引言

我国具有丰富的风能资源，风电机组装机容量较大，但是风能资源多集中在空旷地带及高山等雷电多发地带，一旦发生雷击问题，机组线路中会产生过电流和过电压，容易给风电机组的安全运行造成威胁。因此，风电机组需要充分考慮采取过电压保护措施，应当在机组容易遭受雷击破坏的位置设置防雷装置，并做好风电机组的防雷接地工作，以此保证风电机组的安全、稳定运行。

1 工程实例

某风力发电厂共设置了15台风电机组，每台风电机组均采用两级升压方式运行，电压为650 V，在风电场每台风电机组周围还设置了1个箱式变电站，以保证风电机组的顺利运行。在该风力发电厂中，主要由1条10 kV 电缆线路将风电机组与升压站串联。

该风电场所处地区为喀斯特地貌特征，地势特点为高低起伏，土壤中的电气特性变化较大，容易导致该区域发生强对流天气和尖端放电现象，很大程度上增加了风电机组遭受雷击的风险。针对这种特殊地形特征，该风电场在进行防雷接地保护设计时，需要充分考虑2个因素：（1）风电机组周围的土壤电阻率。土壤电阻率越低，接地电阻越小。根据现场调查可知，该风电场土壤中的电阻在900～4 400 Ω。（2）接地网的规模，包括接地网的纵向跨越深度及横向占地面积。

该风电场的土壤电阻率较高，通常会采用降阻剂、局部换土或接地模块等方式降低土壤的电阻率，同时，为了能够满足接地电阻要求，应增加接地网的纵向跨越深度及横向占地面积。

2 风电机组过电压保护及防雷接地保护设计

2.1    直击雷保护设计

风电机组结构较为复杂，通常由支撑塔筒、叶片、液压系统、变速装置、偏航装置、发电机等构成。受直击雷危害最大的部位是风电机组的机舱，所以在安装风电机组机舱时，应当选择适合的位置进行安装，确保风电机组机舱不受雷击损害，以免机舱内部设备损坏。同时，应当在叶片顶部位置安装雷电接收器，起到保护叶片的作用。另外，考虑到大型风电机组的重量，一般会选择复合材料作为机舱外壳材料，以减轻机组重量，有利于机组接闪和屏蔽雷电。

对于机舱内部活动部分的导线连接，包括机舱间与风轮、塔柱间与水平轴、水平轴与尾舱等，应当结合具体情况进行科学设计和安装，考虑到连接的导线需要长时间工作，且在振动等外力作用下容易出现疲劳或断裂等情况，最好设置两根连接导线，采用最短路线接入接地装置，引导直击雷电流流向大地。

2.2    感应雷保护设计

对于感应雷保护设计，主要是在风电机组内部容易遭受雷击破坏的设备上进行过电压保护，在设备上安装感应雷保护装置。在风电机组内部设备受到电压损害时，电压保护装置能够第一时间将能量释放，避免设备受到雷击破坏。目前对于风电机组的过电压保护，主要包括信号防雷和电源防雷两种类型。其中，电源防雷指的是电源系统避雷过压保护，设置的保护等级是三级，且需要通过电涌保护器进行联合保护，从而达到更好的保护效果。需要注意的是，在安装电涌保护器时，应遵循就近保护及接地线接地保护原则，以保证电涌保护器安装的合理性。另外，还需要在风电机组电源入口位置安装电涌保护设备，保护等级是一级，并尽可能控制残压在4 kV以下，同时也要在电动机的整流器上安装电涌保护装置，保护等级是二级，具体的安装位置根据塔架配电柜的实际需求选择，以最大化地提高电涌保护装置的保护效率。

2.3    防雷接地系统设计

针对上述提到的风力发电场及风电机组的设置要求，有必要对每台风电机组进行单独的防雷设计，因为多数风电机组在实际运行过程中，所处区域的土壤电阻率较高，但是考虑到对每台风电机组进行接地电阻冲击测试时，无法借助测量手段获取，所以需要预先测算出单台风电机组接地网的工频接地电阻，然后根据其与冲击接地电阻间的关系获取冲击电阻值，从而选择合适的风电机组安装位置。另外，针对风电机组所处的地理位置差异，在防雷保护上也会有不同的要求，在设计风电机组防雷接地系统时，应当充分考虑机组的防雷要求，且需要考虑到施工难度及经济问题，在雷电流幅值较大的情况下，会对风电机组产生较大的破坏，线路内过电压非常高，所以除了必要的接地系统设计之外，还需要采取合适的避雷措施。

2.4    配套升压设备保护设计

该风力发电场的风电机组出口电压为650 V，所以需要采用箱式变压器将电压升高至10 kV和35 kV后才可输送至升压站，在不考虑直击雷的情况下，通常需要在风电机组周围设置箱式变压器，并且需要控制风电机组升压设备工频接地电阻在4 Ω左右，风电机组升压设备接地也要充分利用风电机组基础接地网。另外，一旦配套的升压设备变高压后，还需要在变压器高压侧安装专门的避雷器，避免雷电侵入波对其造成不良影响，且需要在低压侧安装电涌保护装置，对风电机组内部设备进行防雷保护。

3 风电机组防雷接地设计中的注意事项

3.1    接地系统的合理性

对于风电机组的过电压保护，应当充分保证防雷接地系统的合理性，对过电压进行有效控制，避免对相关人员和设备造成伤害，将风机机组中经过的雷电流导入地层中。

3.2    考虑个例现状

不同地理位置的风力发电场的土壤电阻率也不同，所以在进行风电机组过压保护及防雷接地保护设计时，需要推算出土壤电阻率、冲击接地电阻、接地有效值等，并对这些数据进行分析，从而推算出具体的岩层分布数据，最后在此基础上进行风电机组的防雷接地系统设计，并在需要的地方安放相应的警示牌，防止跨步电压对周围机械设备及人员带来安全隐患。

3.3    危险电压的科学估算

在雷雨天气，风电机组遭受雷击的概率较大，遇到雷击时雷电流会进入到建筑物内部，并在塔身中分散流至电缆线路和地面中。但是受到接地系统设置的大小和形状的限制，往往电流会通过电压梯度的方式集中在塔架周围，虽然能防止塔架周围人员遭受雷电直击，但是地面的电压梯度也会对周围的机械设备及相关人员造成伤害，如果人处于这个区域内，会存在电流流经身体的风险。因此，在对风电机组进行过电压保护及防雷接地系统设计时，应当充分考虑对风电机组塔筒周围危险电压的科学估算。

4 结语

对于风力发电场的过电压保护，主要分为风电机组、升压站和场内输电线路的过电压保护及防雷接地保护3个部分，后2个部分的防雷接地保护设计可参考国家相关标准及行业要求，在对风电机组进行过电压保护设计时，应当充分利用自然接地的优势，选择合适的接地方式，如采用降阻剂、局部换土或接地模块等方式，降低接地电阻，另外在风电机组高压侧安装必要的避雷装置以及在低压侧安装电涌保护装置。

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[3] 栗志斌.关于一级公路机电系统过电压保护与防雷接地的设计分析[J].机电信息，2019（6）：13-14.

收稿日期：2020-07-29

作者简介：王克（1986—），男，江西人，硕士研究生，研究方向：新能源电力系统设计。