风力发电机的防雷技术误区

周道刚， 杨红新， 周文钰， 余 兵

(1.贵州省气象灾害防御技术中心，贵阳 550002；2.铜仁市防雷中心，贵州 铜仁554300；3.贵州省气象台，贵阳 550002；4.遵义市气象局，贵州 遵义 563001)

0 引言

风力发电在我国发展非常迅速，仅贵州省行政区域范围内，到2017年止即有38个大型风电场。由于风电场风电力发电机组是高度超过150 m的高大构筑物[1]，且均设置在山顶(平原或海面)四周空旷位置，属于典型的易遭受雷击构筑物；尽管雷击是小概率事件，但雷电危害是影响风电力发电机组乃至整个风电场安全的因素之一，并对风电场安全运行造成了一定的威胁。

风力发电防雷技术与风力发电技术研究基本同步，随着风电场风力发电机雷击事例逐渐增多，相关刊物也发表了大量的防雷技术研究及风力发电机雷击案列分析文献，极大的促进了风力发电机组雷电防护能力的提高。为了规范并指导风电场建设，国家电网公司编发了《风电场电气系统典型设计》技术手册[1]；《风力发电机组 雷电保护》(GB/T 33629-2017)[2]、《风力发电机组 防雷装置检测技术规范》(GB/T 36490-2018)[3]等相关技术标准也陆续颁布实施。这些科研成果、技术标准对我国风电场的防雷安全运行起到了积极有效的指导作用。早期公开报道的雷击案例多是风机叶片遭受直击雷击，随后陆续出现风力发电机组地面“箱式变电站”(也称开关柜或高低压控制室，以下简称“箱变”)内690 V电源电涌保护器遭雷击爆炸、“箱变”内690 V/400 V二次回路设备(特别是控制柜内的光端机)被雷击损害甚至烧毁的事例，本研究就此进行技术机理研讨。

1 风力发电机设施布置及结构简介

1.1 风力发电机设施布置概况

图1为典型风电场风力发电机组现场平面布置示意图。

图1 风力发电机组平面布置图Fig.1 Layout plan of wind turbine

图2、图3为常见35 kV风力发电机组设施设备实际布置情况。现场设施主要有风塔(含顶部的风机叶片、塔顶设备、机舱设备)、“箱变”及视频监控摄像头(图2)；风力发电机塔筒一般高80 m，塔筒基础边沿距离“箱变”大约10 m～20 m。正常工作时，风力发电机塔筒顶部机舱内发电机定子线圈送出的690 V交流电，沿塔筒壁(图4(a))敷设的电缆至筒底，再由风力发电机塔底基础内电缆沟敷设至开关柜底部(图4(b))；690 V电源在箱式变电站内分为两路，一路经690/35 kV变压器升压至35 kV后，通过35 kV电缆由电缆沟送至总变电站(或升压站)，并入35 kV(或110 kV)高压电网；另一路经690 V/400 V转换至“箱变”低压控制柜(图5、图6)，供低压室内二次回路设备工作用电。

图2 风机外场照片(2017年11月拍摄)Fig.2 Outdoor photo of wind turbine (taken in Nov.2017)

图3 地面高低压控制室照片(2017年11月拍摄)Fig.3 Photo of ground high and low voltage control cabinet (taken in Nov.2017)

图4 塔筒内电缆分布(2017年11月拍摄)Fig.4 Cable distribution in tower (taken in Nov.2017))

图5 低压控制柜布置情况(2017年11月拍摄)Fig.5 Layout of low voltage control cabinet(taken in Nov，2017)

图6 低压控制柜光端机(2017年11月拍摄)Fig.6 Optical transceiver of low voltage control cabinet(taken in Nov，2017)

风力发电机电气线路连接示意图见图7。

图7 风力发电机电气线路连接示意图Fig.7 Electrical circuit connection diagram of wind turbine

1.2 风力发电机组主要设备及功能

风力发电机组“箱变”的电气设备，主要用于风力发电机发电、输电、配电和电能转换的高压开关以及和控制、测量、保护装置、电气联结(母线)、外壳、支持件等组成，是生产厂家根据电气一次主接线图的要求，将相关高低压电器(含控制电器、保护电器、测量电器)以及母线、载流导体、绝缘子等装配在封闭的金属柜体内，作为电力系统中接受和分配电能的装置；其符合“五防”防护要求：防止误分误合断路器、防止带电分合隔离开关、防止带电合接地开关、防止带接地分合断路器、防止误入带电间隔。

“箱变”内有一个主回路(一次系统)和一个辅助回路(二次系统)，包括电能汇集、分配、计量和保护功能电气线路。主回路系统功能单元：1)主母线室；2)断路器室；3)电缆室；4)继电器和仪表室；5)柜顶小母线室；6)二次端子室。辅助回路(又称二次系统回路或辅助设备，是对一次设备进行监察、控制、测量、调整和保护的低压设备)常见设备为:1)继电器；2)电度表；3)电流表；4)电压表；5)功率表；6)功率因数表；7)频率表；8)熔断器；9)空气开关；10)转换开关；11)综合保护装置等。二次系统终端设备(如综合保护装置、光端机等)电源由风塔上部风机引入开关柜内的交流690 V电源，通过690 V/400 V供电转换采用TN-S制式供电供给[1]。

风机塔筒底部内风机启停控制电路启动电路由蓄电池供电，并由变电站(或升压站)远程无线遥控控制，风机启动后，其脱离风机主电源。塔筒底部、箱变内二次回路控制信号线路基本为光纤线缆。

2 风力发电机典型雷击事故案例

2.1 案例1

盘县老黑山风电场18号风机2015年2月1日22:55遭受雷击并停机，其他风机正常运行。风机光纤接线盒、塔基柜温控器及塔基指示灯电源线烧毁。管理单位技术人员检查后判定为：通讯光纤防雷屏蔽线未按要求接地，雷击时雷电冲击电流过大导致光纤接线盒(图8)起火，通讯中断，同时将塔基柜内指示灯电源线、光纤烧毁(图9)，导致电源短路，风机400 V开关跳闸，风机停机。

图8 雷击烧毁的二次回路光端机(2015年2月)Fig.8 Secondary circuit optical transceiver burned by lightning (taken in Feb. 2015)

图9 雷击烧毁的二次回路光纤(2015年2月)Fig.9 Secondary circuit optical fiber burned by lightning (taken in Feb. 2015)

2.2 案例2

六盘水市盘县长山箐风力发电场自投入运行以来，先后发生了4次雷电导致风电场线路跳闸停运事故。2015年11月18日发生出口开关速断保护动作，开关跳闸，8台风机停运；经风电场技术人员检查发现，箱式变电站内的690 V电缆终端头被击坏(图10、图11)、4至6号风机35 kV电缆中间接头击穿(图12)、光端机盒被击穿烧毁(图13)。

图10 被击穿的箱变电缆终端头(2015年11月)Fig.10 Broken down cable terminal of box transformer (taken in Nov.2015)

图11 电源电缆终端头被击穿(2015年11月)Fig.11 Breakdown of power cable terminal(taken in Nov.2015)

图12 被击穿的35 kV电缆中间接头(2015年11月)Fig.12 Intermediate joint of broken down 35 kV Cable(taken in Nov.2015)

图13 被击穿的箱变内光缆盒及光纤(2015年11月)Fig.13 Broken down optical cable box and optical fiber in box transformer(taken in Nov.2015)

2.3 案例3

2016年5月12日23:00左右，毕节市威宁海拉乡大海子风电场8号风机(49.5 MW，图14)的一叶片遭受直击雷击(图15)，直击雷电流进入风机内至地面箱变，将690 V电缆接头(图16)、控制信号线路光纤击毁，箱变内690 V电涌保护器炸毁(图17)，其爆炸时产生的气浪将室壁冲击开裂(图18、图19)。

图14 遭受雷击的8号风电机(2016年5月拍摄)Fig.14 No.8 wind turbine of lightning strike(taken in May 2016)

图15 遭受雷击的风机叶片(2016年5月拍摄)Fig.15 Fan blade subjected to lightning strike (taken in May 2016)

图16 击坏的高压电缆头(2016年5月拍摄)Fig.16 Damaged high voltage cable head (taken in May 2016)

图17 爆炸的电涌保护器(2016年5月拍摄)Fig.17 Surge protector for explosion (taken in May 2016)

图18 开裂的风机箱变正面(2016年5月拍摄)Fig.18 Front of cracked fan case(taken in May 2016)

图19 开裂的风机箱变侧面(2016年5月拍摄)Fig.19 Side of cracked fan case(taken in May 2016)

2.4 案例4

2018年3月25日01:34分，盘县四格风力发电场一期6号风机遭受雷击，风机箱变内变压器高压侧B相套管损坏开裂、高压侧绕组绝缘损坏击穿(图21、22、23)，经与厂家确认同意变压器吊拆下并返厂修复。

图20 遭受雷击的6号风机(2018年3月拍摄)Fig.20 No.6 wind turbine by lightning stroke (taken in Mar.2018)

图21 损坏的箱变安装位置(2018年3月拍摄)Fig.21 Installation position of damaged box transformer(taken in Mar.2018)

图22 雷击损毁的箱式变压器(2018年3月拍摄)Fig.22 Box transformer damaged by lightning stroke(taken in Mar.2018)

图23 损坏开裂的变压器高压侧B相套管(2018年3月拍摄)Fig.23 Damaged and cracked B-phase bushing on high voltage side of transformer (taken in Mar. 2018)

2.5 案例说明

本研究风力发电机雷击案例来源于内部资料[5]，案例发生时间较早，近几年也陆续收集到一些风力发电机遭受雷击事例，事故损失情况基本形同本研究四个案例之一。相关风力发电机防雷技术研究的科研文献，主要集中在风机叶片直击雷击、风机内部线路雷电过电流防护，以及接地地网改造方面[6～10]；关于风力发电机、风力发电机地面“箱变”内设备雷击损坏的机理分析文献较少，特别是“箱变”内690 V电涌保护器雷击爆炸、控制柜内通信用光端机遭雷击烧毁原因解析文献，几乎没有。风电场管理单位对事故原因解释也仅是认为接地不良或风机地网接地电阻过大(防雷装置检测报告显示的接地电阻值在4 Ω～10 Ω之间，文献[2]第9.1.3条规定为：设计接地系统的冲击阻抗应尽量低；文献[3]第6.3.1.1条规定为：单机工频接地电阻值不应大于10 Ω；文献[4]第5.6.4条规定为：接地装置的工频接地电阻应小于4 Ω)，甚至无法解释雷击事故的技术原因。

3 风力发电机雷击事故类型

综合风力发电机雷击案例，主要有5种情况：

1)风机叶片遭受直击雷击，叶片受损(面积小于0.5 m2)，但不影响风机正常工作，也无其它设施设备损坏；2)风机叶片遭受直击雷击，仅机舱内发电机损坏；3)风机叶片遭受直击雷击，叶片轻微受损(需要仔细观察)，地面“箱变”内二次回路部分线路焦化、仪表损坏(图5)；4)风机叶片遭受直击雷击，地面“箱变”内690 V电涌保护器爆炸，“箱变”内二次回路部分线路烧焦、光端机烧毁；5)风机叶片遭受直击雷击，叶片轻微受损，风机自保停机，人工重新启动，风机工作正常。

2)～5)事故类型损坏的设备情况表明：击在风机叶片上的直击雷电流进入了风机机舱内部并下行到地面箱变内，只是侵入的雷电流强度大小不同而已。但在风电场雷击事故中，某个风机遭受雷击时，其附近的风力发电机仍工作正常，不受任何影响；间接验证了风力发电机组是一个良好的金属屏蔽体，外部雷击电磁脉冲基本无法危害临近风力发电机机舱、塔筒及地面箱变内线路和设备。

4 风力发电机防雷技术误区

4.1 直击雷电流泄流路径

公认的结论之一是：雷电击在物体上时雷电流活动具有趋肤效应。由于风力发电机主体构架是金属屏蔽体，大多数技术人员及技术文献认为击在风机叶片上的雷电流按趋肤效仅沿风力发电机组主体表层(金属塔筒)泄流入地，即下行入地的路线是：风机叶片(或叶片上的接闪器)、叶片引下线、轮毂主轴、轮毂主轴轴承、机舱轴承、机舱底座、金属塔筒、接地装置；相关技术标准文献[1-4]也未考虑防护叶片主轴进入发电机雷电流。然而，雷电流是冲击电流，其活动规律还遵守欧姆定律，这是目前风力发电机组雷电防护研究欠缺的。

从电气电路角度，发电机转子线圈与定子线圈之间的间隙就是一个空气放电间隙，即在轮毂主轴至接地装置之间还有一个并联电气线路：轮毂主轴、空气放电间隙(发电机转子与定子空气间隔)、690 V电缆、箱变内690 V电涌保护器、箱变内等电位连接排、接地装置；正常工作时空气放电间隙为开路状态，阻抗为无穷大，690 V电涌保护器未启动保护时，也近似开路的高阻状态。即正常工作状态时，该路径电气特性是开路。

忽略主轴与机舱轴承间的接触电阻、金属塔筒体电阻、690 V电源线感抗及线电阻，则轮毂主轴对大地的电路原理图见图24，是一个典型的电源线路浪涌保护器原理图。

图24 风力发电机主轴对地的电路原理图

图中，Z3为塔筒筒体感抗，Z4是风机共用接地装置接地阻抗，Z5发电机转子与定子空气间隔阻抗，Z6为690 V电涌保护器阻抗。塔筒筒体支路阻抗Z1、690 V电缆支路Z2阻抗分别为

Z1=Z3+Z4

(1)

Z2=Z4+Z5+Z6

(2)

风力发电机主轴位置对“地”总阻抗Z：

(3)

正常状态下，Z5≈Z6≈∞，所以，Z2≈∞，总阻抗Z=Z1=Z3+Z4

放电间隙与690 V电涌保护器同时动作(电气短路)：Z5≈Z6≈0，带入(1)、(2)、(3)得总阻抗：

Z≈0.5Z1。

(4)

此时，从叶片到达风机主轴的雷电流由金属塔筒和690 V电源线路两个路径均分泄流入地。

参见图24，空气放电间隙是电压开关型器件，其开关电压即是两极之间的击穿电压；空气击穿场强为30 kV/cm，取发电机转子与定子线圈间距为2 mm(一般为1～2 mm)，则击穿电压为0.2×30=6(kV)。690 V电涌保护器是标准器件，其U1mA(启动电压)一般为2～2.8 kV，取U1 mA=2.8(kV)。即当叶片主轴至箱变内等电位连接带之间的电压达到8.8 kV时，风力发电机将出现第二路雷电流入地路径。

设雷击风机叶片时，主轴位置对地冲击电压为U(kV)，则：

(5)

式中:L为风机塔筒单位长度电感，取1.5 μH/m；H为风机塔筒高度，单位m；di/dt为首次雷击电流陡度，单位kA/μs，I为击在叶片上雷电流幅值，单位kA；R为塔筒工频接地电阻值，单位Ω。

风机塔筒高度80 m[1]，取塔筒接地电阻R=1 Ω、首次雷击电流陡度di/dt=10 kA/μs，雷电流幅值I=1 kA，带入(5)式，叶片主轴对地冲击电压：

=1×1+1.5×80×10

=1 201(kV)>>8.8 kV

综上所述，风力发电机叶片主轴至大地之间，为两个实际的电气路径：

1) 叶片(或叶片上的接闪器)、叶片引下线、轮毂主轴、轮毂主轴轴承、机舱轴承、机舱底座、金属塔筒、共用接地装置。

2) 叶片(或叶片上的接闪器)、叶片引下线、轮毂主轴、主轴发电机转子、(转子上的雷电击穿空气间隙向定子线圈放电)主轴发电机定子线圈、690 V电缆、箱变内690 V电涌保护器、箱变内等电位连接排、共用接地装置。

第一个电气路径目所能及，广为接受并研究其防雷技术，第二电气路径需要一定的机械、电气、电路知识，目前鲜为认知并进一步研究，甚至不认为存在该路径，导致出现雷击事故后无解的情况。阻断雷电流到达叶片轮毂主轴是避免雷击事故的关键，有一些介绍减小雷电流进入机舱的方法[13]，但不能完全阻断直击雷电流进入机舱，彻底消除隐患。

4.2 等电位连接

参见图7、图25。所有的箱变内均有等电位连接排，供箱变内690 V电源电涌保护器、690 V/400 V电源N线、35 kV金属铠装层等电气设备等电位连接，并由箱变外接地扁钢(图26)至接地装置。

图25 箱变等电位连接示意图Fig.25 Schematic diagram of equipotential connection of box transformer

图26 箱变接地扁钢(2016年5月拍摄)Fig.26 Grounding flat steel of box transformer(taken in May 2016)

设风机共用接地装置接地电阻1 Ω，等电位连接排至接地装置接地线长度为L=2 m；100 kA首次雷击电流击在风机叶片上时，侵入到箱变等电位连接端子板电流为50 kA，带入(5)式，等电位连接端子板对地冲击电位为

=50×1+1.5×2×10

=80(kV)

该雷电冲击电位转移至二次回路，足以造成二次回路及附属先关设备损坏。另一方面，按照电流均分原则，通过每相690 V电源电涌保护器冲击电流为：50 kA/3≈17 kA；假设电涌保护器上下螺栓压接连接点过渡电阻为0.1 Ω(标准要求小于0.2 Ω[4])，17 kA冲击电流在螺栓压接连接上下点之间电位差即可达1.7 kV瞬间高压，该高电位差可能造成连接点瞬间“跳火”熔接或高温或熔断，甚至导致本研究案例1～案例3的电涌保护器爆炸。有文献对这一危害过程机理进行较为详细的分析[14-16]，不再赘述。

箱变内这种出厂设置的等电位连接方式，违背了“共网不共线”接地原则。简单的一、二级回路电气隔断措施即可消除这个事故隐患，将690 V电涌保护器接地端并接于(增设的)40 mm×4 mm扁钢接地端子板，用陶瓷绝缘子将接地端子板固定在箱变内等电位连接板(或机架)，再将接地端子板用截面积不小于35 mm2多芯铜线接至箱变外接地扁钢(电气原理图见图27)；后续生产的箱变按此方法在箱内设置独立的接地端子板并专设接地线端即可。

图27 一二次回路电气隔断原理图Fig.27 Schematic diagram of primary and secondary circuit electrical isolation

4.3 35 kV金属铠装层接地

如图28，35 kV金属铠装层都是通过接线端子螺栓压接于等电位连接端子板。35 kV电缆铠装层接地端子位置“跳火”、甚至铠装层熔断(见图10、图11、图16)、电缆沟内35 kV电缆中间接头金属铠装层跳火熔断(图12)电路电气原理同前。

图28 35 kV金属铠装层接地(2016年5月拍摄)Fig.28 35 kV metal armor grounding (taken in May 2016)

“一端接地”防雷技术可彻底解决这种“跳火”事故隐患[17-24]：“箱变”内35 kV金属铠装层箱变内“悬空”不接地，电缆沟内35 kV电缆另一端中间连接点接地，同时35 kV电缆沟内增敷细沙或碎土覆盖35 kV电缆，形成自然的铠装层对地放电间隙，既防止雷电流或共网接地可能出现的雷电地电位电流进入铠装层，又能避免电缆中间连接点“跳火”[25-30]。

5 结论

1)实际电气装置和电路模型证明：正常工作状态下，风力发电机轮毂主轴至塔筒接地装置之间，应是两个并联的入地电气路径，一个是低阻抗的风机塔筒至接地装置金属组件，另一个是风机塔筒内轮毂主轴、空气放电间隙、690 V电缆、电涌保护器至接地装置入地的高阻抗电气组件路径。仿真计算表明：雷击风力发电机叶片时，高阻抗的电气组件路径将转化为低阻抗电气泄流路径，进入风机机舱叶片轮毂主轴的雷电流经两个低阻抗路径均分入地散流。

2)“箱变”内错误的等电位连接破坏了690 V/400 V电源系统一、二次回路的电气隔断。第二路径雷电流可能导致箱变内690 V电源电涌保护器过热爆炸、在等电位连接排位置产生瞬态雷电高电位并转移至二次回路，导致“箱变”内二次回路设备及相关线路雷击损坏。