风电机组过电压保护与防雷接地设计探讨

刘朋朋

中国水利水电第十一工程局有限公司 

摘要：作为一种可循环使用的清洁能源，将风力应用于电力行业中，既可达到降低能耗的要求，同时，也能充分满足人们日常生活和工作的需求。鉴于国家和行业尚未就风力发电系统的过电压防护和接地防雷作出具体规范，使得对风力发电机组及风电站的设计规划构成了难以忽视的指导缺失，进而影响到系统的稳定性与安全运行。因此，亟需深入进行对风电机组过电压保护和接地防雷的科学研究和精准分析，以便制定出具有较强针对性的策略，旨在显著提升接地防雷的可信度，并保障风电系统的持续稳定运行。基于此，本文对风电机组过电压保护与防雷接地设计展开深入探究。

关键词：风电机组；过电压保护；防雷接地；设计

随着现代科学技术的不断发展，对风力资源的应用日益精进，参与的风力发电项目数量逐步增加，同时也对风力发电机组的运行安全、稳定性以及可信度等都有了新的标准。特别是在过电压保护和防雷接地设计上面，鉴于我国目前缺乏配套的国家和行业规范，导致相关工作的推进遭遇重重限制，对于风力发电机组的实际运行和效能提升形成了巨大的负面效应。本文介绍了雷电的危害以及风电机组自身的特点，并从直击雷、感应雷、防雷接地系统设计、叶片防雷保护、配套升压设备保护设计几个方面入手，对风电机组过电压保护与防雷接地设计展开了具体的阐述，并提出了相应的注意事项，希望能够对行业和相关人员提供保证希望可以发挥参考作用。

一、雷电的危害

雷电热效应：在导体中通过的雷电流强度一旦达到数十至数千安培，便会在极其迅速的过程中产生大量热能。遭雷电冲击的位置产生的热量大致在500焦耳至2000焦耳之间，足够将50至200mm3体积的钢铁熔化。所以，因为雷电而形成的高温，通常会导致火灾的发生。

雷电机械效应：雷电的热效应可导致木质结构纤维和其他组成部分的微小空隙中的气体迅速扩张，并使其内含水分及各种物质转化成气态，进而在雷击物体内产生剧烈的压力，最终使得该物体遭受极大损伤甚至发生爆炸。

雷电效应：雷电放电的过程中，所产生的高压冲击可达数万至数十万伏特，强大的电流足以摧毁电力设施包括发电机、变压器和断路器等，或能使输电线的绝缘层被击穿造成短路，进而引发易燃和易爆物质的燃烧与爆炸。

雷电电磁效应：雷电会在短时间内形成高电压和电流，并在其周围形成极强的交变电磁场。不但会对该电磁区域内的导体产生较强的电动势，还会在形成封闭电路的金属中激发电流。此时，假设电路某部位呈现接触电阻偏高现象，就可能会导致该区域出现温度升高或火花放电现象，对于储藏易燃和易爆材料的构筑物来说，极具危险性。

雷电对风力发电系统的危害：通常，高山地带以及多层建筑上方会经常发生雷电，此外，在沿海地区也常见此类天气现象。鉴于风电机组通常须安置于较高海拔的山区或者风力较丰富的海岸线，所以，在极端天气条件下，更容易遭遇雷击的威胁。近几年来，我国多个风电场频繁遭到雷电侵袭，比如位于浙江省的苍南风力发电站以及辽宁省本溪的风力发电站等，基于对这类实例的具体分析可以发现，将多类自然灾难对风电机组产生的影响强度进行比较，雷电对于风电机组产生的危害是最为严重的，同时，自然界中的雷电不仅会给风电机组内的电器组件及整个发电系统带来各种程度的损伤，同时也会导致叶轮损坏，进而引致大量电能流失。此外，还涉及难以估量的维修成本。

二、风电机组的特点

基于风力发电机组本身的独特性能与作用特性考量，这类设备在部署安装时，普遍选择位于较高海拔的山岳或开阔的平原区域，因为这些区域往往具备更加充裕的风能资源。然这种区域同样面临着频繁雷电侵袭的风险。由于风力发电塔具备相对较高的结构，通常其塔高会接近100米，并归属于大型机组的范畴，从而极易受到雷击引发的损害。

三、风电机组过电压分析

风电机组出现过电压问题，主要存在两类场景，分别体现在：（1）外部过电压。雷击引发的外部过电压主要源自大气里的雷云对地面的放电现象，具有显著的脉动特征，同时直接雷击引起的过电压水平通常会超过百万伏特，不但可能破坏电气设备的绝缘性能，还可能激发短路或接地故障。而感应雷过电压是由于雷电击中电力系统附近的地面，放电时电磁场的变化对周围环境造成影响，进而使得没有直接被雷电打击的二级电器和通讯设备产生异常电压。（2）内部过电压。内部过电压通常是由电网运行模式的变化而引起的，这种变化触发了过电压的发生。在这当中，瞬间性电压超标的问题往往是由于断路器误操作和短路等缺陷所致，使得电力供应系统经受一阵振荡后才达到临时平衡状态；电容器和电感器在特定的接线模式中与供电频率产生共振效应，由此引致瞬时电压激增的现象则为谐振过电压。

四、风电机组过电压保护与防雷接地设计

1、直击雷保护

风电机塔筒的高处位置使其很容易遭受雷击造成的损伤，所以对风电机组实施恰当的防雷保护极为重要。所谓直击雷保护，较多采取安装雷针、雷带、雷线、雷网等防雷器件作为捕捉装置，以防护发电机、转子、齿轮箱（直驱式风机无此零件）、叶轮和支撑塔筒等风电机组关键部件遭遇雷击而受到损坏。快速且确保安全地通过优良的接地系统将雷电的电流导入地面。同时，为了免遭雷电直接冲击，需在包括顶部及侧边等关键位置设置若干细小的避雷设施。叶片常是雷电攻击的主要对象，而叶片同时也是风力发电机中价值最高的零部件，所以需要避免其因雷击而造成穿透机舱壁的损毁。对于部分大型风电机组来说，需要在设计的过程中，对风电机组按二分法进行防雷保护分类，为了降低其重量，机舱的壳体通常选用复合材质制作。常用的屏蔽手段是在外侧装设格子状的金属线网，根据需要，可以增粗金属线或减小网眼尺寸。各个叶端各装置两个避雷器，以确保风力发电机得到保护，并确保在遭受雷电袭击时，闪电能够沿着导体传输至叶轮的中心，提升对风电系统防护措施的全面性和可靠性。在长期的运行过程中，材料因振动等因素产生疲乏及裂解，其破坏性极为强大。强劲的雷电电流能穿过油膜在轴承位置产生放电作用，导致轴承与主轴接触面积遭到烧毁。为了能让雷电带来的伤害降至最低水平，应将导电线路安装在尾翼边缘，用以捕获雷击并将电流顺畅引至横轴。再者，各个叶片的端部都需装置两个用以捕捉雷电的感应器，并确保与支架结合。各个网格交汇点应实施焊合，确保电流的无障碍传导，并且应防止回路的形成，以确保在遭受雷击时，能够通过导体使雷电流直接传递至叶片轮毂。

2、感应雷保护设计

感应雷保护装置防雷感应器主要安置于风电机组的内部元件中，其主要功能是防止雷电造成的电压损害，因此，其本质上是一种用于电压防护的设施。如果风力发电设备内的电压遭到破坏，电压防护系统就会立即排放能量，以此来守护机器设备，防止其遭受进一步的损伤。对于感应雷保护设计而言，主要包括信号防雷和电源防雷两种电压保护类型。

电源防雷，亦称为供电网络防雷超压防护，该防护按三级安全等级实施，仅有在电涌保护装置协同运行时，方能有效实现良好的保护成效。在安装电涌保护器时，须慎重考虑邻近设备的防护需求和接地线的接地原则，以保证安装的逻辑性和正确性。在风电机组中，电气接入点处亦须加设配套的保护装置，该装置无需为电涌保护器，并且其保护级别应为一级。此外，务必将残留电压限定在4KV以内，同时针对引擎的整流组件，还需要配置适宜的电涌保护装置；该装置需符合二级防护标准，并根据钻塔配电柜的具体使用情况来确定安放的确切位置，旨在最大限度地提升电涌防护的有效性。当二级电涌保护设备完成能量释放之后，必须对三级电涌保护设备实施恰当的设置，该设备应被安置于电线之上，以此达到分流雷击电流的目的，进而造就频带避雷与末端避雷的协同作用效果。

3、防雷接地系统设计

雷电流都是基于风电机自身的防雷设施将电流引入接地保护装置并流入大地。所以风力发电机组的基础一定要加强接地保护措施。遵循IEC62305-3标准和进口风电机组生产商的规定，每个风力发电单元的冲击地阻应当低于10欧姆（该参数虽因国内外制造商而异，但在土壤电阻率较高的区域，此数据承载着关键价值）。由于无法直接测量得到冲击接地电阻的值，因此需要先测定每个风力发电单元接地网的交流频率下的接地电阻，并通过其相互之间的关系推算出冲击接地电阻的数值。同时鉴于各项建设项目所在的地理环境各异，风电机组的布置或许位于峻峭的山巅，抑或孤立的海岛，抑或是辽阔的滩涂旁。哪怕在同一个项目中，譬如山巅之上，不同位置的风电机组所处的地层结构差异巨大，一处的土壤电阻率可能低至数百欧姆米，而另一处可能高达数千甚至超过万欧姆米。而风力发电机组影响接地系统的有效半径往往与接地电阻相关接地电阻愈高其安全性区域也就越大。所以必须对每一台风力发电装置进行独立的分析和计算，以确保各个发电单元的接地电阻符合规定的标准。倘若位于风力发电装置之地点土质的电阻比较大，或是受地势所限制，导致发电装置的接地系统无法向四周延伸，就必须实施额外的减阻方案。当然首先要最大程度地发挥风力发电机组基础的天然接地作用，包括如钢筋网格、地基管桩等元素。

4、叶片的防雷保护设计

基于风电机组的垂直距离介于60至70米之间，并配有接地保护装置，因此比较容易受到雷电影响，而叶片在整个风电机组中又是最易受到雷击影响的。在风力发电机组的叶片中，部分叶片缺少内部电导率或表面金属化，仅有玻璃强化塑料（grp）或木材构造。实践表明，这样的装置较易遭到雷电的冲击，而且经常是破坏性的。因此，需要在实体架构中实行防雷保护，以降低雷电对刀片造成的影响。（1）无叶片尖端减震器的叶片。铜丝网或金属导体设置在板材尖端的玻纤聚酯层表层，构成一个连接头，利用嵌在板材中的50m2铜导体连到板材根部的金属法兰。（2）叶片拥有叶片尖端钻头构造。一种叶尖减震器叶片，整个叶片分成两个部分，叶片尖部玻纤聚酯层预制成型铝芯为砂轮，碳纤维减震器轴用钢连到连接力的叶尖减震器。综上所述，雷电防护系统的目的在于尽可能避免击中刀片体，进而导致刀片体自身的热胀和裂缝毁坏。

5、配套升压设备保护设计

通常情况下，风能发电场中的风电机组产出的初始电压仅为650伏特，因此，要通过安装箱式变压器来提升其电压至10KV或35KV，以便进一步传输至升压站。在忽略直击雷的前提下，为确保电力顺畅输送，需在风电机组的附近配置箱式变压器。此外，控制风力发电机组中升压装置的工作频率，接地电阻应保持在大约4欧姆，且在进行接地时，应充分利用风力发电机底座的接地网络。此外，当与其相匹配的升压设施成为高压以后，必须在其高压端配备特定避雷装置，以预防雷击电浪对之产生负面作用，同时还须在其低压端配置浪涌防护设施，保护风力发电单元内部的设备免受雷击之害。

五、风电机组防雷接地设计中的注意事项

1、接地系统的合理性

针对风力发电机组的过电压防护措施，必须确保防雷接地设施的有效性，对超标电压实现有力管理，预防对周边人员及设备形成危害，并将风电机组所承受的雷击电流有效引入地下。

2、考虑个例现状

风电站位于不同的区域，其土壤的导电性亦各不相同。因此，在设计风电机组的过电压防护与雷电接地防护措施时，需先估算土壤的电阻率、冲击地电阻和接地电阻的有效值等参数，并对这些数值进行深入分析，进而推断出详尽的地层构造信息。据此信息设计风电机组的防雷接地系统，并在必要区域设置警示标识，以避免跨步电压可能对附近的设备和人员造成的潜在安全风险。

3、危险电压的科学估算

雷雨天气之时，风电机组较易受到雷击影响，一旦遭雷电击中，雷电流便会穿透建筑结构，沿着塔体散布，进而流向电线及大地。接地系统的配置尺寸及构造有其限制，在电流倾向于沿着电压差分布紧密围绕铁塔的情况下，虽可以防止邻近区域内人员直接遭遇雷电攻击，但地面上的电压差异亦可能对附近的设备和人员带来损伤。一旦人体位于这种环境下，便会存在遭到电击的风险。所以，在设计风电机组的过电压防护与防雷接地装置时，必须认真预测并计算风电发电机组塔筒附近可能出现的危险电压值。

结语：本文主要从直击雷保护、接地系统设计、机组配套升压设备保护以及感应雷保护四个方面入手进行讨论，对风力发电机组的过电压防护及其防雷接地方案进行了详细的界定。通过电压保护以及防雷接地设计，能够确保风力发电机组的安全稳定运行，进一步促进风能发电行业的可持续性发展。

参考文献

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