浅谈风电机组过电压保护与防雷接地设计

摘要: 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3大部分内容。其中,升压站及场内输电线路过电压保护及防雷接地可参考已有的国家标准或行业标准。本文主要阐述了风电机组过电压保护及防雷接地,主要应考虑直击雷保护、感应雷保护、接地设计、机组配套升压设备保护等4个方面。

关键词:风电;机组;过电压;防雷;接地;设计

中图分类号： TN827 文献标识码： A 文章编号：

0引言

本文主要是对风电系统中风电机组的过电压保护进行了比较全面的研究。然后通过湖北某风电工程实例进行分析,详细阐述了风电系统中风电机组的过电压保护及防雷接地的设计过程。对我国风力发电和风电场设计具有较好的指导意义。

1风电机组过电压保护及防雷接地

风电机组多安装在海岛、草原等风资源较好的空旷地带,为雷击多发地区,风电机塔筒很高,达到60~70 m甚至上百m(大容量机组),发电机组和相关控制驱动设备均处于高空位置,极易受雷击损坏,风电机出口电压大部分为690 V[3]。风电机组过电压保护及防雷接地主要应考虑直击雷保护、感应雷保护、基础接地系统设计、机组配套升压设备保护等4个方面。

1.1直击雷保护

风电机塔筒很高,极易受到雷击的损坏,因此对风力发电机应采取相应的防范措施。风力发电机组主要包括发电机、转子、齿轮箱(直驱机组无此部件)、变桨变速装置、偏航装置、液压系统、控制装置、叶片及支撑塔筒等。风电机机舱易遭受直击雷,应在适当位置,包括上方和两侧装设几支小避雷针,防止上方和两侧受到雷击,穿透舱壁,损坏内部设备。每个叶片顶端安装2个雷电接收器,以保证雷击时雷电能通过导线传导到叶片轮毂。尾舵也应沿外廓敷设导线,用来接闪和导通电流至水平轴。大型机组为减轻重量通常采用复合材料制造机舱外壳,则应在外面以网格形式装设兼作接闪和屏蔽之用的金属丝网,网孔不宜大于3 cm×3 cm~4 cm×4 cm,必要时再加大金属丝截面或缩小网孔。风轮与机舱间,水平轴与塔柱间,尾舵与水平轴间,以及其它旋转或活动部分间的连接导线需根据具体情况精心设计和安装,并宜采用2根,因为在长年运行中,因振动等作用力导致材料疲劳和断开,强大的雷电流就会通过轴承处的油膜放电,烧损轴承和主轴的接触部位,不用许久,经过几次雷击就会使这些部件损坏。上述各项连接使装置成为电气上的整体,各易击点受到直击雷时,都能保证顺利地以最近的路径沿塔柱引入接地装置,并流向大地。

1.2感应雷保护

感应雷的保护主要是对风电机组内易受感应雷击过电压破坏的设备加装过电压保护装置,在设备受到过电压侵袭时,保护装置能快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。感应雷击过电压防护主要分为电源防雷和信号防雷。电源系统避雷过压保护措施采用3级防护,并安装电涌保护器。在安装电涌保护时,应遵循靠近被保护的设备,接地线就近接地的原则。风电机组电源入口部位应装设第1级电涌保护,将残压控制在

1.3接地系统

雷电流都是通过风电机本身的防雷装置,最终将电流引入接地装置,并流向大地。因此,风力发电机基础必须做好接地措施。根据IEC 62305-3以及进口风力发电机机组厂家的要求,单台风机冲击接地电阻需

1.4机组配套升压设备保护

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附近(大容量风电机配套变压器布置在风电机顶部机舱处),可不考虑直击雷问题。根据《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)规定,风电机升高电压设备工频接地电阻应≤4Ω[1]。风电机升高电压设备接地应充分利用风电机基础接地网。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以有效地保护风电机组内部设备免受雷电侵入影响。2工程设计实例

下面以云南某风电场工程为例,对风电场过电压保护及防雷接地的设计进行阐述。本风电场共安装64台750 kW国产风电机组,采用两级升压方式。风电机出口电压为690 V,在每台风电机附近配套安装1台0·69/35 kV箱式变电站,根据布置情况,每20－22台风电机组成1个联合单元后,由3回35kV电缆线路送至升压站10kV开关柜。经升压站1台SZ10-63000/110主变压器再次升压至110 kV后送入系统。风电场位于海拔约2300～2800 m的高山上,风电机所在地一般由表土、风化岩、基岩3层组成,该地区岩性为片麻岩和石英岩,粹石土层中夹有云母,其电阻率都相应较高。根据土壤电阻率测试报告,其土壤电阻率为1000~4500Ωm,强风化岩电阻率为1500~27 000Ωm,基岩为5000~25 000Ωm。

2.1风电机过电压保护及防雷接地

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IEC 62305-3规定,结合本工程的进口风力发电机机组厂家的要求[3],单台风电机冲击接地电阻需6 m(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。

2.2箱式变电站过电压保护及防雷接地

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[1]。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 ,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，达到箱式变电站防雷要求。

3结语

直击雷保护:所有可能遭受直击雷的部位应安装避雷针、铜绞线、钢绞线、钢丝网等导体,并连成整体,最后引入大地泄流。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,安装避雷器、防雷器或电涌保护器等设备。接地设计:根据风电机土壤电阻率情况、地形情况及厂家对接地电阻要求,对每台风电机单独进行分析计算。风电机的接地网应布置在接地冲击有效范围内,接地网需充分利用自然接地体(如钢筋网、基础管桩等),并适当结合其他方式:如采用降阻剂、深井、斜井等方式以降低接地电阻。机组配套升压设备:升压设备工频接地电阻应满足规程要求,同时,为了防止雷电从高压侧入侵,需在变压器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。

参考文献

[1] DL/T621-1997中华人民共和国电力行业标准.交流电气装置的接地[S].北京:中华人民共和国电力工业部,1998.

[2] DL/T620-1997中华人民共和国电力行业标准.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京:中华人民共和国电力工业部,1997.

[3] Gamesa Eolica. Description of windturbine[M]. Spain Gemesa:Gamesa Eolica, 2003.

[4]刘继.风力发电装置的雷电防护与电磁兼容问题[C]∥第三届中国防雷论坛论文摘编.深圳:中国防雷信息网, 2004.

[5]钱启良,赵永炬,符成院.试分析海南东方风力发电厂600 kW风电机组防雷过电压保护系统[J].风力发电, 2004(1):6-9.