(东方电气（通辽）风电工程技术有限公司 内蒙古通辽 028000)
摘要：国外对风力发电系统的防雷技术研究仅限于风电机组，并且也仅处于初级阶段。国内外的专家学者及相关企业对风力发电系统的防雷技术的研究也刚开始。对风力发电系统雷击过电压进行分析并对其接地系统进行研究，解决风力发电系统的雷击过电压问题，确保风力发电系统的安全生产，提高电网的可靠性。
关键词：风力发电；雷击过电压技术；研究
1风力发电系统雷击过电压技术的研究现状
1.1国外对风力发电系统雷击过电压技术的研究现状
目前，我国在风力发电系统的雷击过电压分析与治理研究方面正处于初级阶段，有大量的工作要做。
瑞典、丹麦和德国对风电机组进行了一些统计研究，主要集中于雷击损坏部位、影响利用率、影响发电量、修理费用等方面取得了一些的成果。研究认为：①雷害是威胁风力发电机组安全生产和风场效益的严峻问题；②对风力发电机组外部遭受直击雷和感应雷的保护，重点是放在改进叶片的防雷系统上；而内部的过电压防雷保护正处于研究阶段；③风机的一般外部雷击路线是：雷击（叶片上）接闪器→（叶片内腔）导引线→叶片根部→机舱主机架→专设（塔架）引下线→接地网引入大地；④风场微观选点中，自然低电阻率地网和地质好的风场基础是存在矛盾的；而风力发电系统场地电阻值的高低和要求耐雷性能的设计也是存在矛盾的。所以，必须充分考虑各方面的因素，做好技术经济方面的优化处理。
风力发电系统雷击有３个主要方面。风叶遭受直击雷造成的损坏，这种情况可能是由于雷击中风叶的顶端或侧面所造成的；风叶直接遭雷击或与风力发电机组相连接电力线路的雷电侵入波电流，这些电力线路包括传输线、电缆以及各电压等级架空线路；通过接地装置将雷电流引入大地，避免邻近的各种线路和地面设施遭到所受到的感应高电压的破坏。
1.2国内对风力发电系统雷击过电压技术的研究
国内对风力发电系统的雷击研究目前集中于风电机组的防雷与接地｡广东省汕头市电力公司对南澳风电场132台风机的雷害问题,调查了近15年发生的53起雷击事故的调查｡在1999年~2004年期间,地闪强度大于50kA的雷电共有163次,超过100kA的雷电闪击共有31次,其中最强烈的一次闪击发生在2002年8月20日14时22分,在东经116.42°,北纬23.53°处,雷电强度高达275.4kA,共有4次回击,陡值为7.2kA/μs,闪电能量为384.3MJ,此次雷击共击坏4台风机风叶､35A保险器12个､MTA—2过电压保护器3个､补偿电容器､接触器2个､双向可控硅3个､触发板1块和TAC计算机2台,经济损失惨重｡1995年8月｡浙江苍南风电场l台FDl6型55kW风机遭受雷击,从叶尖到叶根开裂损坏报废[10,11]｡2008年5月,沈阳康平富饶山风电场11号风机遭雷击,造成1片风叶完全损坏,另外2片也出现断裂｡国内专家近几年对风力发电系统雷击过电压分析及治理方面也做出了一些研究成果｡
2雷击过电压概述
过电压简单来说就是电气设备在特定条件下出现的超过工作电压的异常电压升高。一般可简单的分为内部过电压和外部过电压。雷击过电压属外部过电压。外部过电压又称为大气过电压, 是由大气中的雷云对地面放电而引起的, 其特点是过电压持续时间短约为几十微秒,具有脉冲特性,电压高、电流大, 又常称其为雷电冲击波。外部过电压一般又可分为直击雷过电压和感应雷过电压两种。
2.1直击雷过电压
当雷云通过线路或电气设备放电时,就称为直击雷。这时主放电瞬间通过线路或电气设备流过几百千安的巨大雷电流,此时若没有适当的设备将雷电流迅速引入大地, 则大量电荷将使线路或电气设备产生很高的过电压, 过电压幅值可达上百万伏, 势必将设备绝缘薄弱处击穿而导入大地。这种过电压称为直击雷过电压,它的大小取决于雷电流的幅值与雷电流波头的陡度(即雷电流变化的速度)。如果直击雷落在铁塔上, 雷云通过铁塔放电,一旦铁塔底脚接地电阻过大,则雷电流导入大地时, 势必在铁塔上产生很高的电压降, 而如果线路或电气设备距其较近的话,将产生架构对其放电现象,有可能击穿线路或电气设备的绝缘, 这种现象通常称其为“反击”。
2.2感应雷过电压
当线路或电气设备附近发生雷云放电时, 虽然雷电流没有直接击中线路或电气设备, 但当雷云对大地上的其它目标如山地、树木放电时, 由于空间磁场的变化, 在线路导线上会感应出很高的过电压, 称其为感应过电压。其幅值同样可达几百千伏,对电气设备造成危害。
3雷击过电压技术案例分析
下面以某风电场工程为例,对风电场过电压保护及防雷接地进行阐述。本风电场共安装16台850kW进口风电机组,采用两级升压方式。风电机出口电压为690V,在每台风电机附近配套安装1台0.69/10kV箱式变电站,根据布置情况,每3～5台风电机组成1个联合单元后,由1回10kV电缆线路送至升压站10kV开关柜。经升压站1台SZ10-16000/110主变压器再次升压至110kV后送入系统。
风电机本身的防雷及过电压保护通常由风电机制造厂家在出厂前完成,但仍需要对其配套设备及基础进行防雷接地设计。根据IEC62305-3规定,结合本工程的进口风力发电机机组厂家的要求,单台风电机冲击接地电阻需<10Ω,以利于风电机组雷电流释放。结合各台风电机所处位置地形情况,首先按以下方法进行预设计,如接地电阻不满足要求,则需对该接地网进一步采取措施。根据风电机所处位置的地形情况,单台风电机接地装置采用以风电机中心为圆心设置环形水平接地带,根据冲击有效范围的计算,内圈圆环半径为9m,外圈以9m间距递增,同时从风电机中心向外敷设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交,水平接地扁钢敷设深度为1.2m(该地区冻土层厚度约1m,因此将扁钢敷设于冻土层以下)。在辐射水平接地扁钢与环形水平接地扁钢交点处设置垂直接地极,垂直接地极长3m(土壤电阻率较大时垂直接地极应加长),垂直接地极顶部距地面1.2m,与水平接地扁钢焊接。垂直接地极相互间距必须>6m(具体根据垂直极长度增加而相应加大)。环形水平接地扁钢及辐射水平接地扁钢主要起联接和均压作用,而扩散雷电流的任务主要由垂直接地极完成。
本工程采用物理型长效降阻剂(包括在水平网和垂直接地极)以降低3 台风电机组的接地电阻, 使用降阻剂后风电机接地电阻见表2 。
表2使用降阻剂后单台风电机工频接地电阻和冲击接地电阻
根据规程要求,风电机配套箱式变电站接地网工频接地电阻应≤4Ω。因此,考虑将箱变接地网与风电机接地网可靠连接成为一个整体,但由于本地区土壤电阻率高,单台风电机的工频接地电阻基本>10Ω,因此,需要根据地形情况,适当延伸单台风电机接地网或可靠连接附近风电机的接地网,以形成几个局部的接地网,使每个接地网均满足规程要求,最终满足箱式变电站工频接地电阻的要求。
结束语
本文分析了国内外风力发电系统雷击过电压研究现状，认为国外对风力发电系统的防雷技术研究仅限于风电机组，并且也仅处于初级阶段，国内外的专家学者及相关企业对风力发电系统的防雷技术的研究也刚开始；对风力发电系统雷击过电压进行了分析，并对其接地系统进行了系统研究，这对于解决风力发电系统的雷击过电压问题，确保风力发电系统的安全生产，提高电网的可靠性具有十分重要的意义。
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论文作者:张锡伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/5/10
标签：过电压论文; 风力发电论文; 系统论文; 风电论文; 雷电论文; 防雷论文; 电阻论文; 《电力设备》2017年第35期论文;