风电系统防雷及过电压保护措施探讨.docx

风电系统防雷及过电压保护措施探讨陈超骏（华能江西清洁能源有限责任公司，江西 南昌 330029）摘要：近年来，风力发电作为清洁的可再生能源得到了快速发展。风电系统中涉及的过电压保护及防雷接地问题较多，但目前我国尚没有风电系统过电压保护和防雷接地的国家标准或行业标准。结合风电工程实例，系统地 阐述了风电系统中的保护及防雷接地的方案设计及其实现，对风力发电和风电场设计具有较好的指导意义。 关键词：风电；过电压；防雷中图分类号：TK267文献标识码：B压）、操作过电压。暂态过电压是由于断路器操作或发生短路故障，使电力系统经历过渡过程以后重新达到 某种暂时稳定的情况下出现的过电压，又称工频电压 升高。谐振过电压是电力系统中电感、电容等储能元 件在某些接线方式下与电源频率发生谐振所造成的过 电压。操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然 短路而引起的衰减较快持续时间较短的过电压。0引言随着风能利用技术的不断发展和成熟，我国风能的开发项目发展十分迅速。目前我国尚没有风电系统 过电压保护和防雷接地的国家标准或行业标准。针对 这一情况，首先对风电机组过电压主要应考虑外部过 电压、内部过电压两个方面进行介绍。其次，给出了风 电系统的过电压及保护体系和实现，主要包括直击雷 保护、感应雷保护、机组配套升压设备保护、接地设计 等 4 大方面。最后，结合风电工程实例，系统地阐述了 风电系统中的保护及防雷接地的方案设计及其实现， 对风力发电和风电场设计具有较好的指导意义。2风电系统过电压保护配置风电系统的过电压保护主要包括风电系统中风电机组、升压站、场内输电线路过电压保护及防雷接 地等三大部分内容。风电机组过电压保护及防雷接 地主要应考虑几个方面。以下就直击雷保护、感应雷 保护、机组配套升压设备保护、接地设计等四个方面 做出了分析和阐述。2.1 直击雷保护风力发电机出口电压一般为 690 V，需要通过箱式 变压器将电压升高至 10 kV或 35 kV后送入升压站，而 箱式变压器一般布置在风电机组附近，由于风电机组 离地距离很高，且已有较完善的接地防雷系统。风电场升压站内电气设备通常采用户内型布置， 安装于生产楼内，因此升压站生产楼可采用屋顶避雷 带进行直击雷保护。部分升压站采用的户外敞开式 布置方式，当电气设备布置于户外时，所有电气设备 应考虑直击雷影响，应由避雷针进行保护，或由避雷 针及避雷线进行联合保护；户内部分的电气设备可通1过电压1.1 外部过电压外部过电压又称雷电过电压，由大气中的雷云对 地放电而引起的，持续时间约为几十微秒，具有脉冲 的特性。直击雷过电压幅值可达上百万伏，会破坏电 工设施绝缘，引起短路接地故障。感应雷电过电压是 雷闪击中电工设备附件地面，在放电过程中由于空间 电磁场的急剧变化而使未直接遭受雷击的电工设备（包括二次设备、通信设备）上感应出的过电压。1.2 内部过电压内部过电压是电力系统内部运行方式发生改变而 引起的过电压，分暂时过电压（暂态过电压和谐振过电作者简介：陈超骏（1990-），男，助理工程师，从事风能、太阳能等清洁能源发电开发及技术工作。81JIANGXI ELECTRIC POWER电网技术过屋顶避雷带进行保护。2.2 感应雷保护风电机组及配套箱变内易受过电压破坏的设备， 需要配备避雷器、防雷器或电涌保护等设备。由于箱 式变电站是通过电缆或架空线分别与机组和系统连 接，因此需考虑感应雷过电压，在配套升压变高压侧， 为了防止雷电侵入波影响，在变压器高压侧需安装金 属氧化锌避雷器保护，同时为保护机组内部电力电子 元件，在低压侧安装第一级电涌保护器。采用电缆输电方案时，电缆一般采用直埋敷设方 式。因此，不会有直击雷过电压情况，但是需考虑感 应雷过电压的可能性。因此在电缆进入箱变及升压 站中压母线处需安装避雷器，以降低感应雷影响。另 外，电缆铠装金属屏蔽应确保可靠接地。2.3 机组配套升压设备保护风电系统配电装置的侵入雷电波保护，为了防止 雷电波影响，需在风电场高压及中压配电装置母线及 架空线入口处装设氧化锌避雷器保护。在箱变高压 侧安装氧化锌避雷器保护，同时可在低压侧安装第一 级电涌保护器。关于避雷器设置需经过计算，金属氧化物避雷器 与主变器间的最大电气距离可参照表 1 确定，对于其 他电器的最大距离可相应增加 35%。表 1 避雷器电气距离参照表强时，应对接地网采取保护措施。根据交流电气装置的接地（DL/T621-1997） 规定，设备的工频接地电阻应不大于 4 。风电机组 升压设备接地应充分利用风电机组基础接地网，风电 机组接地电阻已很低，不容易超过规定的要求。3风机机组防雷配置根据单台风电机组接地装置采用以风电机组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，如表 2 所示。表 2 单台风电机工频接地电阻和冲击接地电阻土壤电阻率 冲击接地有效工频电阻R/冲击电阻R/风机编号备注/m半径r/m123456789104 6306 6407 7409 3403 6306 4206 0205 1403 4104 07043.147.85052.840.147.346.544.439.441.540.2543.7448.52146.3728.4476.0549.4840.2759.6135.978.718.89.4116.018.5312.698.119.8814.99.23需采取措施需采取措施需采取措施本风电场 4、6、9 号共三台风电机的冲击接地电阻不满足要求，应采取措施降阻，使用降阻剂后风电 机接地电阻见表 3。表 3 降阻后风机电阻表进线路数系统标称电压/kV进线长度/km1234125405055土壤电阻率 冲击接地有效 工频电阻冲击电阻风机编号备注 /m半径r/mR/R/ 351.5211.5240505590125125557585120170659010514520575105115165230#4#6#99 3406 4203 41052.847.339.473.238.0324.89.67.68.94110采用本方案降阻后，接地竣工验收经测试时，所有风电机组接地电阻均满足了风电机组厂家的要求。3.2 建筑物的防雷保护配置升压站利用2根35 m高的独立避雷针、建筑物屋顶 避雷带等防直击雷的保护措施来进行保护。升压站在避 雷针保护范围外的建筑物屋顶采用12镀锌圆钢作避雷 带，避雷带连接线网格不大于10 m10 m或12 m8 m； 屋面的所有金属构件(如铁爬梯、水箱(管)、透气管等)均 与避雷带可靠焊接，避雷带可利用建筑物立柱主钢筋作 为引下线，每隔1020 m设引下线接地。3.3 升压站接地配置按(DL/T621-1997) 交流电气装置的接地要求，195（140）235（170）265（190）2202（90）注：1. 本表也适用于电站碳化硅磁吹避雷器（FM）的情况2. 括号内距离对应的雷电冲击全波耐受电压为 850 kV2.4 接地设计在进行风机机组和升压站接地设计时，应符合规 程规范要求，并校核接触电位差和跨步电压差。接地 应根据地形、地貌，充分利用自然接地体，结合降阻 剂、深井、扩网等方式。当土壤电阻率很高，接地电阻 难以满足要求时，应通过技术经济比较调整接地电 阻，并采用相关隔离措施。土壤电阻率较低腐蚀性较82江西电力 / 2014 第 1 期1.2/MV001u-1.20.800.820.840.860.880.90t/s1.5/MV001u-1.50.800.820.840.860.880.90t/s电网技术对所有电气设备外壳、开关柜接地母线、设备架构、电缆支架、管道、以及其它可能事故带电的金属构件均要 求可靠接地。升压站接地系统设置一个总的接地网， 将保护接地、工作接地、过电压保护接地形成联合接地 体，接地系统应按电气装置安装工程接地装置施工及 验收规范GB50169-2006 的要求进行施工。按交 流电气装置的接地(DL/T621-1997) 要 求，接地电阻 R2000/I，且考虑升压站计算机系统 的要求，升压站满足接地电阻阻值 0.5 。当不满足 阻值要求时可根据实际情况采取相应的措施，一般措 施有：扩网、外引接地体、换土、加降阻剂、接地深井、 爆裂深井、离子棒、离子模块等，相应增加一定接地处 理费用。本期主接地网按终期规模一次建成。升压变电站主接地网以水平接地体为主，垂直接 地体为辅，网孔闭合的复合式地网。水平接地网接地 体采用-606 mm 热镀锌扁钢，垂直接地极采用 L=2.5 m 的50 热镀锌钢管。水平接地体埋深 0.8 m 以下，接地网四周拐角及引上线连接上下部分处均宜做 成圆弧状，半径不小于 5 m，水平均压网网间距离为 810 m。水平接地体之间，镀锌扁钢与垂直接地极 之间的连接采用焊接连接。在人员经常活动的如配 电室、塔基四周、人员出入口、攀登塔梯等地方，接地 体的布置应考虑到人身安全，可采取接地网局部增设 水平均压带和铺设砾石地面等措施，经计算后满足 (DL/T621-1997) 交流电气装置的接地中对接触电 压和跨步电压要求。配电室和生产楼柱内钢筋做为引下线与接地网连接，并装设接地断开点；基础内钢筋作为接地网的 一部分。主控室内的电子设备设置防止高电位引入 的电涌保护器。4结论本文对风电系统的保护和防雷接地进行了论述，从风电系统中风电机组、升压站、场内输电线路等三 个具体情况，对风电系统常见的过电压情况进行了分 析。由于风电系统中各部分的具体情况不同，防雷接 地设计也有所不同。因此有针对性的进行设计，能够 提高防雷的可靠性，以保证风电系统的安全稳定。参考文献：1 DL/T 621-1997 交流电气装置的接地S.2 Wind turbine generator systems. IEC 61400-SER . 2008.3 李景禄等编著.实用电力接地技术M.北京：中国电力出版 社，2002.4 张建军. 国电武川红山风电场防雷接地设计与研究D. 北 京：华北电力大学，2013.5 胡晓艳. 综合自动化变电站防雷接地D. 杭州：浙江大学，2012. 6 Protection against Hghning-Part3:Physical damage to structuresand life hazard. IEC62305-3.2006.7 唐世宇，莫文强，周艳玲. 高土壤电阻率地区变电站接地处 理J. 高电压技术，2006(03).的限制有较好的效果。串联补偿电容器的位置越靠近线路首端限压效果越好：其补偿度越大限压效果越 好。采用相应的限压措施，可以将加装了串联补偿电 容器的特高压输电线路的空载线路合闸过电压和单 相重合闸过电压分别限制在 1.34 p.u.和 1.36 p.u.。（上接第 67 页）图 5 单相重合闸过电压线路正中间电