山区风电场防雷接地系统探索分析

[摘 要]防雷接地工程的优劣，对人身和电气设备的安全有着重要的影响。本文主要从风电场防雷接地系统设计、施工，以及风电机组、电气系统、集电线路、通讯系统防雷的措施等几个方面，详细的阐述了如何有效降低雷电侵扰带来的伤害，减少因雷击造成的损失，保证风电场安全经济的运行。本文在此谈了谈自己的看法和观点，可供参考。

[关键词]风力发电；山区风电场； 防雷接地系统

中图分类号：TM862 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）42-0123-01

前言

风电场往往地处海岛山顶、山脊的风口、高海拔山坡等容易遭受雷电影响的区域，且兆瓦级机组塔架高度超过 60 m，桨叶长度 40 m 左右（ 1.5MW 机组） ，所以普遍高点达 100 m 以上，物体遭受雷击的概率与物体的高度的平方成正比，故风电机组遭受雷击不可避免。

一、风电场防雷接地系统设计与施工

对于整个风电场要想减少雷击事件的发生，降低雷击造成的损失，达到良好的防雷效果，做好防雷接地系统的设计和施工是前提条件也是最基本的要求。风电场如果没有良好的防雷接地系统，雷击电流无法迅速传导于大地，采取所有的防雷措施都无济于事。因此做好风电场防雷接地系统的设计和施工是非常重要的。

1、风电场防雷接地系统的设计

（1）风机基础和箱变配电设备防雷接地系统设计。风机基础和箱变配电设备接地系统设计要根据风电场所处的地理位置、土壤特征、雷击自然灾害发生的频率等条件，参照行业规范的要求进行设计。风电机组的接地既是防雷接地，也是设备保护接地、工作接地、防静电接地。风机基础是风电机组重要的自然接地体，风电机组的接地铜引线穿过基础时应与风机基础内的钢筋有效连接，同时与箱变接地连为一体。当风电机组的接地电阻不能达到标准要求时，应敷设人工接地网，人工接地网由厚度不小于4mm、埋地深度不小于0.8m的扁铁组成，人工接地网通常为以风机基础中心为圆心的同心圆方式布局。风电场内所有的风机机位的接地电阻应符合阻值≤4Ω的要求。

（2）风电场升压站防雷接地系统设计

风电场升压站防雷接地网设计要遵循如下原则 ：尽量采用建筑物地基的钢筋和自然金属接地物统一连接来作为接地网；尽量以自然接地物为基础，人工接地体为补充，外形尽可能采用闭合环形；采用统一接地网，用一点接地的方式接地。当接地装置的接地电阻值不符合公式要求时，可通过技术经济比较，适当放宽接地电阻值，但阻值不得大于4Ω，并且要符合我国的相关标准要求。

（3）风电场集电线路防雷接地系统设计

风电场内集电线路防雷接地系统设计要符合 DL/T620-《交流电气装置的过压保护和绝缘配合》的要求。线路杆塔防雷接地系统的电阻值，通常情况下要满足R≤30Ω。

2、风电场防雷接地系统的施工

防雷接地系统施工要求。风机基础的防雷接地系统地埋接地避雷带应为 50×4mm 的热镀锌扁铁，扁铁要按照以风机基础中心为圆心的同心圆进行敷设。风机接地铜引线与避雷带要焊接相连，连接点应不少于 3 处。施工流程一般为 ：施工准备开挖接地沟槽敷设接地扁铁安装接地装置焊接避雷线焊接接地网对焊点进行防腐处理铺撒降阻剂回填压实接地沟槽测试接地电阻值。防雷接地网所有焊接处的焊缝应饱满，并能够承受足够的机械强度，不得有夹渣、咬肉、裂纹、虚焊、气孔等缺陷，焊接处的焊渣应清除干净，并刷沥青进行防腐处理。

二、风电机组防雷保护

风电机组防雷系统，包括叶片防雷、避雷针、轮毂与机架连接、齿轮箱与发电机绝缘、齿轮箱与机架绝缘、发电机与机架绝缘、各电气设备的接地、控制柜的屏蔽、电气线路加装电涌保护器和接地系统等。根据防雷标准分区，叶片、机舱的外部设备这些部位是遭受直击雷或不遭受直击雷但电磁场没有衰减的部位； 机舱内、塔架内的设备包括发电机、主轴承与齿轮箱等内部部件； 塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分。针对不同防雷区域采取专项设计，主要包括雷电接收器和接地系统、过电压保护和等电位连接等措施进行防护。

桨叶为风电机组垂直高度最高的部件，是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风电机组中昂贵的部件，因此叶片的防雷保护至关重要。叶片雷电保护系统设计思路为将雷击电流从雷击点安全地传导到轮毂，通过轮毂和塔架的等电位连接将雷电泄流至大地，避免雷击电弧在叶片内部的形成，导致叶片损坏。在叶片根部上安装雷击感应器（在叶片内部），记录雷击历史和保存最大雷击电流等信息。在实际应用中，可以通过两种方法来实现，一是在叶片尖部和中部各安装一个接闪器，接闪器通过不锈钢接头（避免电化学腐蚀）连接到叶片内部的铜导体，将雷电流从叶尖引到叶根法兰，雷电接闪器和下引导体的铜导体截面积不小于50mm2（8mm直径）； 二是在叶片表面材料上增加一层导电材料，这样使得叶片有充足的导电能力，安全地把雷电流传导到叶片的根部。位于机舱背部顶端的风速风向仪、信号灯及其支撑结构很容易因雷电而破坏，在机舱的后部安装一个避雷针，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱底座，通过塔架和接地铜缆经基础接地传到大地中，可有效保护风速风向仪和机舱不受雷击。结合风速风向仪本身具有的一层很厚的金属风向仪、信号灯线路上增加浪涌保护器，防止感应雷的入侵，避免过压对控制系统造成损害。

三、电气控制系统的防雷保护

风电机组电控系统的控制元件分别在机舱电气柜和塔底电控柜中。由于电控系统易受到雷电感应过电压的损害。因此电控系统的防雷击的保护一般采用如下措施。

1、电气柜的屏蔽

电气柜用薄钢板制作，可以有效地防止电磁脉冲干扰，在控制系统的电源输入端，出于暂态过电压防护的目的，采用压敏电阻或暂态抑制二极管等保护元件与系统的屏蔽体系相连接，可以把从电源或信号线侵入的暂态过电压波堵住，不让它进入电控系统。对于其他外露的部件，也尽量用金属封装或包裹。每一个电控柜用2条16mm2铜芯电缆把电气柜外壳连接到等电位连接母线上。

2、供电电源系统的防雷保护

对于690V/380V的风力发电机供电线路，为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备，供电回路应采用TN-S供电方式，保护线PE与电源中性线N分离。整个供电系统可采用3级保护原理，第1级使用雷击电涌保护器，第2级使用电涌保护器，第3级使用终端设备保护器。由于各级防雷击电涌保护器的响应时间和放电能力不同，各级保护器之间需相互配合使用。第1级与第2级雷击电涌保护器之间需要约10m长导线，电涌保护器与终端设备保护器之间需要约5m长导线进行退耦。

3、传感器采样信号的防雷保护

对暴露在雷区的传感器采样信号，采用防雷隔离保护线圈保护，通过 RS232、RS422、RS485 远程通信到风电场监控室的数据传输线进行数据隔离后传输。

四、雷电直击线路

保护集电线路不受或少受雷直击，为此可采用避雷线、或改用电缆。目前采用避雷线仍然是架空线路防雷的首选措施，这是被长期工程实践证实的有效防雷措施。但由于风电场集电线路电压多为35千伏及以下电压，在某些线段由于特殊的地理环境造成感应过电压问题，或是由于接地电阻降不下来造成雷击跳闸率偏高，可以考虑改用电缆更合适。

结论

通过对风电场施工现场防雷接地系统电阻的测量，可知采用加降阻剂、焊接降阻模块、换土、深井接地和外延接地相结合的方法，能够很好的起到降阻效果，特别在土壤电阻率较高的山区，降阻效果尤为明显，从而证明山区风电场采取以上降阻措施及施工工艺是可行的。

参考文献

[1] 胡功瑛.电气系统中对接地电阻的要求和降低接地电阻的方法[J].科技信息.2007，第3期，516―517页.

[2] 周勇.变电站接地网电阻偏高的原因及降低接地电阻的措施[J].电源技术应用.2009，第1期，65―67页.