风力发电用箱变雷击损坏原因分析及设计改进

广西龙源风力发电有限公司 王梓旭

1 引言

在电力行业中，大部分可以用于发电的能源都是传统能源，容易对生态环境产生污染，并且资源储量有限，无法满足社会经济发展的无限需求[1]。为保障生态环境稳定，实现发电行业可持续发展，我国加大了可再生能源在发电中的应用，不断增加风电、光伏风电等比例，有效实现发电行业的能源结构调整[2]。在众多可再生能源中，风力资源在我国分布范围广，可利用程度高，但是风力发电用箱变容易受到雷雨天气影响，导致在雷击过程中损坏，直接影响到风电系统的稳定运行。因此，在风力发电中，应当重视风力发电用箱变雷击的有效预防，保障发电系统稳定运行。

2 风力发电用箱变雷击损坏案例概述

西北某处风电场某日19时21分，管护人员在听到雷响后，发现风电场L—6号风机电压异常降低，风机网侧三相电压都是150V，升压站35kV 系统零序电压很快从0.52kV 上升到0.81kV。为确保35kV 集电线路及风电场内各设备稳定运行，管护人员立即将集电线路D 线121开关由原本运行状态，调整到检修状态。基于当时处于雷雨天气中，为保障管护人员生命安全，没有对风机组进行现场巡检。第二天早8时30分对场L—6号风机全面检查，发现整个风机箱低压侧设备全部损坏。通过对D、E、F集电线路风机的进入线路121、122、123开关进行负载使用，集电线路D 线带15台风机组运行；集电线路D 线带1台风机组运行；集电线路D 线带8台风机组运行。

从风力发电用箱变损坏状况分析，高压部分全部熏黑，所有内部线路损坏，避雷针与引线衔接处损坏，电缆损坏程度不大，并且操作小室全部熏黑，熔断器内部物体裸露；低压部分全部损坏，断路器输出线路及外壳有着显著的烧蚀现象；风机塔筒内其他电气设备未出现损坏。但是，从风机电场监控视频而言，从19时开始整个风电场开始产生异常雷雨天气，并且有短暂冰雹出现，雷雨时间到23时，这说明风机组故障出现时，L—6号风机在雷雨天气中，有着良好的雷击产生条件。

3 风力发电用箱变雷击损坏原因分析

3.1 风电场雷区情况

从雷雨天气的气象数据可知，整个风电场都可能受到雷击影响，导致整个区域电磁场强度是不同的。处于防护设备保护的电气设备，不会受到直接雷击，但是会有流入各个导体中的雷电流，造成电磁场强度很大程度出现衰减现象。一般情况下，风电场中电气设备接触的雷电流越小，电磁场强度衰减更快。

3.2 风机塔筒内中性点暂态地电位升高

在风机组受到雷击作用后，风机塔筒内中性点暂态地电位上升，计算式为：

式中：U0代表暂态地电位上升；Imax代表雷电流大小；ke代表分类系数；Ri代表冲击接地电阻[3]。

在雷电天气中，雷击主要出现在风机叶片和塔筒两个部位上，应当结合三类建筑物体防雷设计进行计算，第一次雷击产生的电流大小是100KA。根据GB5007的内容，需要按照分流系数、冲击接地电阻等不同，对风机叶片或者塔筒内中性点暂态地电位上升多少进行计算，风机塔筒内中性点暂态地电位上升详见表1。

表1 风机塔筒内中性点暂态地电位上升 （单位：kV）

由表1可知，暂态地电位上升最小数值超过20kV，最大数值达到600kV，然而低压部分设备在运行过程中，依旧处于正常的绝缘数值为5kV，大部分设备无法对电位上升承受的，导致出现损坏。

从损坏过程来说，在雷雨天气中，雷电波从风电场的塔筒接地位置开始释放到大地中，受到接地电阻的作用下，塔筒中心部位的点位会超过5kV，并且点位在分布过程，也是距离塔筒中心部位越近点位越高，距离中心区域越远电位就越低[4]。在整个雷电场中，人所处位置不同，所形成的电位差也是具有差异的，这就会产生跨步电压，电位差如图1所示。

图1 电位差

基于在风机中，中性点和箱变低压中性点有着密切联系，二者借助零线衔接过程呈现出一体化关系，如图2所示，形成等电位。通过对接地系统的一起使用，导致箱变低压中的中性线及高电压等，都超过20kV；箱变外壳和接地区域都远离塔筒，基本上没有电位。这些不同设备位置中形成的电位差，超过20kV，但是低压部分正常运行的电压不能超过5kV，造成电压强度远远大于低压所能承受的极限值。因此，风力发电用箱变中不同电气设备在雷击影响下，产生了大量过电压，对不同设备产生了明显作用，造成反击效应出现，导致在低压回路持续进行放电，直接出现短路现象，从此低压设备损坏[5]。

图2 风电系统接线

风机塔筒中有着诸多电气设备，如低压断路器、变频器等，虽然雷击产生过程中，主回路电位也会开始上升，但是零线、接地设备、接地网等还是连接得非常有效，可以产生合理的等电位，导致零线和接地件形成的电位差异不大，避免对这些电气设备造成影响。因此，风力发电系统在建设中，将风机内中性点和风力发电机箱变使用一个接地系统，这是风力发电机箱变受到雷击损坏的主要原因。

4 风力发电系统防雷设计改进措施

要想风力发电系统防雷设计有效，应当结合箱变损坏原因产生过程，对防雷设备进行科学合理改进，以此提升防雷效果，避免受到雷击影响。应当将风力发电场的电气接地装置和防雷接地装置独立设置，能够有效保障风力发电机箱变不会受到雷击影响。在实际使用中，在雷击产生过程中，也会形成很高的高电压，但是二者没有相互连接，风力发电机系统中的中性点无法受到高电压影响，就难以造成风力发电机箱变的中性点和相线间形成高电压，保障风力发电机箱变可以稳定运行。

结合现阶段使用的接地方式，风力发电机箱变安装位置与风机塔筒距离越大，一旦雷击产生过程中，风力发电机箱变中性线、相线等对外壳形成的电位差异会非常高，增大了雷击损坏程度；如果风力发电机箱变与风机塔筒距离不大，往往受到雷击影响程度小。通过对风力发电机箱变和风机塔筒的距离进行缩短，可以有效将二者间的跨步距离拉近，就能够降低雷击过程中的电位差异大小，从而对箱变损坏概率进行科学合理控制，避免受到严重损坏。

强化绝缘防护。一般情况下，在风力发电变电箱使用的绝缘防护方式是非常多的，包括喷绝缘涂料、热缩套管等方式。在进行绝缘防护工作中，应当保障防护的完整性，确保绝缘材料实现完成覆盖，对所有设备区域进行有效防护；绝缘防护工作完成后，应当对检查防护面积是否完整，不能出现金属裸露的情况，将存在的问题进行合理处理，有效避免雷击产生。并且，在绝缘防护作业中，不能增加各类绝缘防护设备，需要使用塑料膜塑封，避免电气设备出现绝缘材料涂料，有效保障设备运行性能，降低风电场绝缘施工造成的经济损失。在现有绝缘防护中，更多使用氧化锌避雷器和绝缘涂料，这两种方式是非常普遍的，也是可以做到综合防护，有利于风电场全面防雷目的实现，也可以有效降低雷击事故出现，以此保障风电场各类设备稳定运行。

风力电场使用金属管道。在输电线路表面使用金属管道，材质是由镀锌钢管构成；安装过程采用分半套。主要安装位置是风电场风机和箱变塔筒设备外部的单芯电缆线，使用密封性安装方式，有效确保外部金属管和风机紧密衔接，并且需要和接地网络进行连接，增强金属管的防雷系数，以此让风机设备在受到雷击后，依旧可以正常稳定运行。依托风电场地理环境情况，基本上都是由混凝土组成，但是这种施工环节对金属管安装增大难度，并且基坑中存在的电缆线，与接地网络形成了非常强的耦合关系，导致难以增加金属管。如果非常对金属管增加，往往会对输电线路和接地网络间的耦合关系进行破坏，导致输电效率不高。因此，在接地网络中的电缆不能使用金属管进行防雷。

一般情况下，防雷措施主要产生保护性作用，可以确保风电场主体设备的运行安全，对雷击影响程度进行削弱，避免雷击产生的过电流或者过电压对风电设备产生影响，以此提升风电场的防雷强度。在实际选择防雷施工措施中，需要对风电场地理环境进行综合考虑，选择出最适合的防雷措施，既可以保障风机设备安全稳定运行，也可以增强风机防雷系数。基于这种情况下，该西北地区风力风电场在后续建设中，对风力发电机箱变和风机塔筒距离进行合理控制，经过长时间运行后，基本上没有产生雷击损坏故障。

5 结语

在风力发电系统中，是由诸多电气设备组成的，通过对各类设备的有效运行，才能保障整个发电工作稳定开展。但是，风力发电机箱变很容易受到雷雨天气影响，如果在雷击过程中产生过高电压，往往会造成箱变设备部分出现严重损坏，直接导致发电系统无法正常运行，影响到供电稳定性。基于这种情况下，为保障风力发电机箱变运行稳定，应对存在的雷击问题进行合理处理，通过对防雷设计水平进行提升，从接线装置设计和安装距离两个方面进行调整优化，有效对雷击影响进行避免和降低，以此实现风力发电场未稳定运行。