风电场防雷接地系统相关技术

东方电气风电有限公司 岳 伟 白友清 李 磊

1 风电场防雷接地系统设计与施工

风电场是电力系统的一部分，电力系统在正常运行期间，其可作为发电和输出电力的重要组成部分，故此是严禁造成大型雷电不良事故的。为避免风电场遭受雷电，建立有效的防雷接地系统非常重要，并将其用于风电场的防雷基础系统，换句话说，在选址和建筑规划之初应设计科学有效的风电场防雷接地系统，并应严格按照图纸和计划进行后续施工。在质量和使用方面确保风电场防雷系统可靠性的结构，对于防雷和接地系统不佳的风电场，受雷电影响的概率系数显著提高。当被雷电击中时产生的强大电流不能及时正确的传递到大地中，就会给整个风电场系统带来毁灭性的打击，而高强度的电压之下人的生命安全也将受到威胁，这将导致无法预料的生命和财产损失。因此，风电场的防雷接地系统设计和构建过程中的每个步骤都需进行多层技术检查，以此给生命和财产都带来最大保障。

1.1 风电场防雷接地系统的设计

风力发电机基础、箱式变电站和配电设备的防雷接地系统的设计，是当今我国大中型风力发电场最基本、最关键的设施结构，一个负责产生电能而另一个则负责电压在输出期间的应用，主要为输出期间对电压的实时管理措施，因此，风电场防雷系统的确立中对于风机基础和箱式配电的设计尤为重要，尤其是设备的防雷接地系统在设计期间不容忽视，设计人员需在最合适的位置对风电场防雷措施进行设计和施工[1]。在进行前期，还要对地方的雷击灾害发生率和地理特征进行收集和了解，并以此为设计参数，继而在工程规定标准的范围内截取最合适的数据值进行参考，在获得批复之后，严格按照计划进行按比例放大施工。

风电机组接地系统的作用是非常巨大的，不光在防雷方面，设备的保护接地也有一定的意义，必须连接风力涡轮机地面系统，使用风扇底座的基础系统与箱式变电站和配电设备相互连接导电，风扇和风力发电机的底座系统使用铜线和其他防雷底座系统。风力发电机的基础属于连接载体，其中风力发电机和防雷接地系统合为一体，以实现最终的防雷目标，任何接地线的存在都具有一定的电阻值，且风力发电机对接地电阻的要求非常高，因此它们必须满足指定设计范围内的标准，当有强大电流穿梭其中时，电阻值的存在会直接将其化解一部分，以此可做到不超过一定范围的估计电流。但对于如果可以超过规定的标准，则必须相应地铺设大量的人工接地网以防止发生任何意外情况，以免措手不及，造成不可估量的损失。

人工铺设接地网也具有一定要求，在材质方面要选择热镀锌扁钢、其横截面积须大于60×6mm2，埋入深度也须超过1m。人工接地网的铺设方法一般以风力发电机的地基为中心，完成所有铺设后，应以同心圆布置接地网，每台风机的接地电阻均经过逐一验证和测试，接地电阻也应符合设计或规范标准[2]。接地体存在的主要作用是将雷电流及时引向地下，因此其设计的是否专业合理，将会直接影响到防雷措施是否能达到预计的估设。所以建筑电气设计人员在对接地体进行设计时需做到百分百的重视，将其做到符合规范要求的情况。

1.2 风电场升压站防雷接地系统设计

升压站是风电场向电网传输电能的关键单元，也是重要的组成部分，在这其中升压站的接地网络组成应得到重视，其网络主要由主变压器、GIS室和继电保护室组成，在设计升压站的防雷接地系统时须牢记：首先要最大程度使用自然物接地体，这样不但能节省人工的资金，对接地防雷的效果也会相对较高，当自然物接地无法达到标准时才可使用人工接地网检查泄漏，同时进行人工接地网络还应尝试使用封闭的网络结构[3]。接地网应以统一的方式铺设和连接，接地电阻没有达到标准数值时，不可为节约而瞒天过海，应直接选用合适的接地物，按照国家规范数值为5Ω。

1.3 风电场集电线路防雷接地系统设计

集热管的主要功能是实时调节风电场的风能，接地系统设计的成功将直接影响风力发电机组整体结构的有效性能之上。在对风电场内部集电线路进行防雷接地系统设计之初，首要做到符合相关文件下发的内容风电场的要求，电线防雷接地系统的电阻值小于25Ω。

1.4 风电场防雷接地系统的施工

在施工过程中，我国热浸镀锌扁钢通常用作接地系统的主要接地热镀锌扁钢，首先确定圆心，通常情况下的取舍标准为以风扇基础的中心开始放置在设计的同心圆中[4]。安装风扇单元的防雷皮带和铜线进行切实连接，通常情况下的连接点主要可设置为四处，其规定流程顺序为施工前期的准备工作、挖取接地沟槽、铺设扁钢、安装接地装置等后续一系列的过程操作，但是值得注意的是在焊接过程中，扁钢的重叠焊接长度和重叠部分应大于扁钢实际宽度的两倍且至少3棱柱焊接，操作技术必须达到一流水平，必须牢固稳定并防止出现错误的焊接、裂纹等问题。对于焊接过程中产生的大量粉末也要合理处置，不要留下任何安全隐患，安全面前无小事。另外要考虑到自然环境下物质的老化和腐蚀，因此要对接地系统中所有焊接接头部分做好防腐的处理，以延长其使用年限和使用寿命。

2 电气控制系统的防雷保护

对于整个风电机组系统而言，其本身中控系统就是核心所在，因此对控制系统中的结构元件应进行及时相应的保护。再加之对于整个系统中最大的威胁就是雷电危害，因此就其保护机制方法做如下分析。

电器柜的屏蔽。电气柜通常情况下处于封闭状态，主要是为防止电磁冲脉带来的干扰，在选择电气柜时要选择薄钢板材质的，这种材质下的电气柜内部空间相对较大[5]。对于电源系统，如有电阻器和电容器，则将处于暂停状态风力涡轮机的控制系统也是如此，但该控制系统无法承受强电压的侵入。针对上述情况需对其实施严密保护，可以将电路有效保护，其中包括对暂态二极管或压敏电阻的使用，在使用中对整个电路系统进行防护，使其和屏蔽后的系统结合起来，可防止信号或电源的侵入并避免出现瞬态情况，因此中央控制系统不会受到任何相关物质的干扰。此外暴露在空气中的组件应妥善包裹处理，以防出现漏电等情况的发生。

供电电源系统的防雷保护。电源系统的防雷保护可分为三个级别：第一级雷电保护是由雷电电泳保护器产生的保护机制，第二个级别的雷电保护受到电涌保护器的保护[6]。第三级保护是利用现代技术下终端设备保护器所产生的巨大保护措施。

传感器采样信号的防雷保护。整个电气中央控制系统使用传感器来收集和接收信号。传感器的安装位置一般会裸露在出现雷区的危险地带，所以对于传感器实施防雷隔离保护是非常必要的，以此使其在雷区范围内也可安然正常例行信号的收集[7]。在传感器正常工作条件下，可使用RS485或RS232通信技术完成数据传输任务。