陳超駿

（華能江西清潔能源有限責(zé)任公司，江西南昌 330029）

0 引言

隨著風(fēng)能利用技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，我國風(fēng)能的開發(fā)項目發(fā)展十分迅速。目前我國尚沒有風(fēng)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)和防雷接地的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。針對這一情況，首先對風(fēng)電機組過電壓主要應(yīng)考慮外部過電壓、內(nèi)部過電壓兩個方面進(jìn)行介紹。其次，給出了風(fēng)電系統(tǒng)的過電壓及保護(hù)體系和實現(xiàn)，主要包括直擊雷保護(hù)、感應(yīng)雷保護(hù)、機組配套升壓設(shè)備保護(hù)、接地設(shè)計等4大方面。最后，結(jié)合風(fēng)電工程實例，系統(tǒng)地闡述了風(fēng)電系統(tǒng)中的保護(hù)及防雷接地的方案設(shè)計及其實現(xiàn)，對風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)電場設(shè)計具有較好的指導(dǎo)意義。

1 過電壓

1.1 外部過電壓

外部過電壓又稱雷電過電壓，由大氣中的雷云對地放電而引起的，持續(xù)時間約為幾十微秒，具有脈沖的特性。直擊雷過電壓幅值可達(dá)上百萬伏，會破壞電工設(shè)施絕緣，引起短路接地故障。感應(yīng)雷電過電壓是雷閃擊中電工設(shè)備附件地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電工設(shè)備（包括二次設(shè)備、通信設(shè)備）上感應(yīng)出的過電壓。

1.2 內(nèi)部過電壓

內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部運行方式發(fā)生改變而引起的過電壓，分暫時過電壓（暫態(tài)過電壓和諧振過電壓）、操作過電壓。暫態(tài)過電壓是由于斷路器操作或發(fā)生短路故障，使電力系統(tǒng)經(jīng)歷過渡過程以后重新達(dá)到某種暫時穩(wěn)定的情況下出現(xiàn)的過電壓，又稱工頻電壓升高。諧振過電壓是電力系統(tǒng)中電感、電容等儲能元件在某些接線方式下與電源頻率發(fā)生諧振所造成的過電壓。操作過電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快持續(xù)時間較短的過電壓。

2 風(fēng)電系統(tǒng)過電壓保護(hù)配置

風(fēng)電系統(tǒng)的過電壓保護(hù)主要包括風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)電機組、升壓站、場內(nèi)輸電線路過電壓保護(hù)及防雷接地等三大部分內(nèi)容。風(fēng)電機組過電壓保護(hù)及防雷接地主要應(yīng)考慮幾個方面。以下就直擊雷保護(hù)、感應(yīng)雷保護(hù)、機組配套升壓設(shè)備保護(hù)、接地設(shè)計等四個方面做出了分析和闡述。

2.1 直擊雷保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機出口電壓一般為690 V，需要通過箱式變壓器將電壓升高至10 kV或35 kV后送入升壓站，而箱式變壓器一般布置在風(fēng)電機組附近，由于風(fēng)電機組離地距離很高，且已有較完善的接地防雷系統(tǒng)。

風(fēng)電場升壓站內(nèi)電氣設(shè)備通常采用戶內(nèi)型布置，安裝于生產(chǎn)樓內(nèi)，因此升壓站生產(chǎn)樓可采用屋頂避雷帶進(jìn)行直擊雷保護(hù)。部分升壓站采用的戶外敞開式布置方式，當(dāng)電氣設(shè)備布置于戶外時，所有電氣設(shè)備應(yīng)考慮直擊雷影響，應(yīng)由避雷針進(jìn)行保護(hù)，或由避雷針及避雷線進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)；戶內(nèi)部分的電氣設(shè)備可通過屋頂避雷帶進(jìn)行保護(hù)。

2.2 感應(yīng)雷保護(hù)

風(fēng)電機組及配套箱變內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備，需要配備避雷器、防雷器或電涌保護(hù)等設(shè)備。由于箱式變電站是通過電纜或架空線分別與機組和系統(tǒng)連接，因此需考慮感應(yīng)雷過電壓，在配套升壓變高壓側(cè)，為了防止雷電侵入波影響，在變壓器高壓側(cè)需安裝金屬氧化鋅避雷器保護(hù)，同時為保護(hù)機組內(nèi)部電力電子元件，在低壓側(cè)安裝第一級電涌保護(hù)器。

采用電纜輸電方案時，電纜一般采用直埋敷設(shè)方式。因此，不會有直擊雷過電壓情況，但是需考慮感應(yīng)雷過電壓的可能性。因此在電纜進(jìn)入箱變及升壓站中壓母線處需安裝避雷器，以降低感應(yīng)雷影響。另外，電纜鎧裝金屬屏蔽應(yīng)確?？煽拷拥亍?/p>

2.3 機組配套升壓設(shè)備保護(hù)

風(fēng)電系統(tǒng)配電裝置的侵入雷電波保護(hù)，為了防止雷電波影響，需在風(fēng)電場高壓及中壓配電裝置母線及架空線入口處裝設(shè)氧化鋅避雷器保護(hù)。在箱變高壓側(cè)安裝氧化鋅避雷器保護(hù)，同時可在低壓側(cè)安裝第一級電涌保護(hù)器。

關(guān)于避雷器設(shè)置需經(jīng)過計算，金屬氧化物避雷器與主變器間的最大電氣距離可參照表1確定，對于其他電器的最大距離可相應(yīng)增加35%。

表1 避雷器電氣距離參照表

2.4 接地設(shè)計

在進(jìn)行風(fēng)機機組和升壓站接地設(shè)計時，應(yīng)符合規(guī)程規(guī)范要求，并校核接觸電位差和跨步電壓差。接地應(yīng)根據(jù)地形、地貌，充分利用自然接地體，結(jié)合降阻劑、深井、擴(kuò)網(wǎng)等方式。當(dāng)土壤電阻率很高，接地電阻難以滿足要求時，應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較調(diào)整接地電阻，并采用相關(guān)隔離措施。土壤電阻率較低腐蝕性較強時，應(yīng)對接地網(wǎng)采取保護(hù)措施。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地》（DL/T621-1997）規(guī)定，設(shè)備的工頻接地電阻應(yīng)不大于4Ω。風(fēng)電機組升壓設(shè)備接地應(yīng)充分利用風(fēng)電機組基礎(chǔ)接地網(wǎng)，風(fēng)電機組接地電阻已很低，不容易超過規(guī)定的要求。

3 風(fēng)機機組防雷配置

根據(jù)單臺風(fēng)電機組接地裝置采用以風(fēng)電機組中心為圓心設(shè)置環(huán)形水平接地帶，根據(jù)沖擊有效范圍的計算，如表2所示。

表2 單臺風(fēng)電機工頻接地電阻和沖擊接地電阻

本風(fēng)電場4、6、9號共三臺風(fēng)電機的沖擊接地電阻不滿足要求，應(yīng)采取措施降阻，使用降阻劑后風(fēng)電機接地電阻見表3。

表3 降阻后風(fēng)機電阻表

采用本方案降阻后，接地竣工驗收經(jīng)測試時，所有風(fēng)電機組接地電阻均滿足了風(fēng)電機組廠家的要求。

3.2 建筑物的防雷保護(hù)配置

升壓站利用2根35 m高的獨立避雷針、建筑物屋頂避雷帶等防直擊雷的保護(hù)措施來進(jìn)行保護(hù)。升壓站在避雷針保護(hù)范圍外的建筑物屋頂采用Φ12鍍鋅圓鋼作避雷帶，避雷帶連接線網(wǎng)格不大于10m×10m或12m×8m；屋面的所有金屬構(gòu)件(如鐵爬梯、水箱(管)、透氣管等)均與避雷帶可靠焊接，避雷帶可利用建筑物立柱主鋼筋作為引下線，每隔10~20 m設(shè)引下線接地。

3.3 升壓站接地配置

按(DL/T621-1997)《交流電氣裝置的接地》要求，對所有電氣設(shè)備外殼、開關(guān)柜接地母線、設(shè)備架構(gòu)、電纜支架、管道、以及其它可能事故帶電的金屬構(gòu)件均要求可靠接地。升壓站接地系統(tǒng)設(shè)置一個總的接地網(wǎng)，將保護(hù)接地、工作接地、過電壓保護(hù)接地形成聯(lián)合接地體，接地系統(tǒng)應(yīng)按《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》GB50169-2006的要求進(jìn)行施工。

按《交流電氣裝置的接地》(DL/T621-1997)要求，接地電阻R≤2000/I，且考慮升壓站計算機系統(tǒng)的要求，升壓站滿足接地電阻阻值0.5Ω。當(dāng)不滿足阻值要求時可根據(jù)實際情況采取相應(yīng)的措施，一般措施有：擴(kuò)網(wǎng)、外引接地體、換土、加降阻劑、接地深井、爆裂深井、離子棒、離子模塊等，相應(yīng)增加一定接地處理費用。本期主接地網(wǎng)按終期規(guī)模一次建成。

升壓變電站主接地網(wǎng)以水平接地體為主，垂直接地體為輔，網(wǎng)孔閉合的復(fù)合式地網(wǎng)。水平接地網(wǎng)接地體采用-60×6 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用L=2.5 m的Φ50熱鍍鋅鋼管。水平接地體埋深0.8 m以下，接地網(wǎng)四周拐角及引上線連接上下部分處均宜做成圓弧狀，半徑不小于5 m，水平均壓網(wǎng)網(wǎng)間距離為8～10 m。水平接地體之間，鍍鋅扁鋼與垂直接地極之間的連接采用焊接連接。在人員經(jīng)?；顒拥娜缗潆娛摇⑺闹?、人員出入口、攀登塔梯等地方，接地體的布置應(yīng)考慮到人身安全，可采取接地網(wǎng)局部增設(shè)水平均壓帶和鋪設(shè)礫石地面等措施，經(jīng)計算后滿足(DL/T621-1997)《交流電氣裝置的接地》中對接觸電壓和跨步電壓要求。

配電室和生產(chǎn)樓柱內(nèi)鋼筋做為引下線與接地網(wǎng)連接，并裝設(shè)接地斷開點；基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋作為接地網(wǎng)的一部分。主控室內(nèi)的電子設(shè)備設(shè)置防止高電位引入的電涌保護(hù)器。

4 結(jié)論

本文對風(fēng)電系統(tǒng)的保護(hù)和防雷接地進(jìn)行了論述，從風(fēng)電系統(tǒng)中風(fēng)電機組、升壓站、場內(nèi)輸電線路等三個具體情況，對風(fēng)電系統(tǒng)常見的過電壓情況進(jìn)行了分析。由于風(fēng)電系統(tǒng)中各部分的具體情況不同，防雷接地設(shè)計也有所不同。因此有針對性的進(jìn)行設(shè)計，能夠提高防雷的可靠性，以保證風(fēng)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

[1]DL/T 621-1997交流電氣裝置的接地[S].

[2]Wind turbine generator systems.IEC 61400-SER.2008.

[3]李景祿等編著.實用電力接地技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2002.

[4]張建軍.國電武川紅山風(fēng)電場防雷接地設(shè)計與研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2013.

[5]胡曉艷.綜合自動化變電站防雷接地[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

[6]Protectionagainst Hghning-Part3:Physicaldamagetostructures and life hazard.IEC62305-3.2006.

[7]唐世宇，莫文強，周艷玲.高土壤電阻率地區(qū)變電站接地處理[J].高電壓技術(shù)，2006(03).