关于山区风电场设备防雷措施的探讨--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

关于山区风电场设备防雷措施的探讨

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：邱乔斌宋涛

[导读] 摘要：结合山区风电场的特点，以具体风电场为背景，分析风电场运行中的设备和控制系统遭受雷击损坏的原因，从线路防雷、电源系统防雷、信号系统防雷、风电机组接地系统等方面探讨具体可行的防雷措施。

        （中国能源建设集团投资有限公司中南分公司湖南长沙 410000）
        摘要：结合山区风电场的特点，以具体风电场为背景，分析风电场运行中的设备和控制系统遭受雷击损坏的原因，从线路防雷、电源系统防雷、信号系统防雷、风电机组接地系统等方面探讨具体可行的防雷措施。
        关键词：山区风电场；线路；高土壤电阻率；降阻；防雷措施
        1.前言
        风力发电作为一种可再生能源，是改善能源结构，实现能源可持续发展的有效手段。我国的风力发电从2006年开始进入高速发展阶段，目前总装机容量已高居世界第一。良好的市场环境极大的促进了风力发电技术的发展，随着风力发电技术的进步和大叶轮直径机型的推出，低风速风场的投资回报率得以保障，内陆山区地形的低风速风场也在以迅猛的态势在持续开发。
        山区风电场建设投运后，各种设备也遇到了和以往沿海风电场、西北草原（戈壁滩）风电场不一样的考验，其中雷电对设备的损害尤为明显。
        有统计资料表明，风电场内因雷击损坏的设备及其部件主要是风机控制系统和通信系统，控制系统设备损坏约占雷击事故的40%-45%，电气系统设备损坏约占雷击事故的15%-25%，叶片损坏约占雷击事故的15%-20%。雷击事故损坏设备导致的发电量损失和维修费用的经济损失多少，大致排列是叶片、一次电气设备、发电机、控制系统。
        笔者调研的风电场位于湖南郴州，地属亚热带季风湿润气候区，雷雨季时间较长，当地气象局有统计数据的资料表明，历史年最多雷暴天气达到75天/年，属强雷暴区。同时山区风电场为了追捕更多的风能，风电设备包括变电站都建在高山顶上，运行中风机因独特的机械构造更容易“诱捕”云层中的感应雷电，甚至直接遭受雷击。风电场运行一年的统计数据表明，运行中设备和控制系统遭受雷击损害的情况十分严重，山区风电场的防雷问题十分突出，已成为制约山区风电场提高可利用小时，降低运维成本的主要矛盾。
        2.风电场设备遭雷击损坏统计
        2016年3月10日因受强雷电影响，#25机组箱变高压侧避雷器损坏。
        2016年4月4日因受强雷电影响，#2机组箱变低压侧二次侧熔丝爆炸。
        2016年4月10日因受强雷电影响，风电场集电线路一35KV开关跳闸。
        2016年5月6日因受强雷电影响，风电场#4机组箱变35KV 避雷器爆炸，同时风电场全部三条35KV集电线路电缆绝缘均不同程度降低，主变差动保护动作跳主变两侧开关，110KV外线502断路器跳闸。
        2016年5月份因雷电影响导致两台机组crowbar烧坏。
        2016年7月26日，升压站生活水源深水泵和深水泵控制器遭雷击损坏。
        投运后，110KV线路累计遭雷击故障记录次数分别为A相14次，B相12次，C相15次。
        3.设备遭雷击损坏原因分析
        设备遭雷击损坏一方面原因是部分风电机组接地网接地阻值偏高，当风机遭雷击时，地电位升高形成反击过电压，导致设备损坏。
        另一方面，直击雷过电压或感应雷过电压沿输电线路、电缆屏蔽层、电缆铠装层或电缆外皮侵入到相关设备，导致设备遭雷击损坏。
        其次，缺少感应雷的防护措施会引发严重的设备损坏。我们知道，当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。由于雷电电流迅速变化，在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势。当附近各种进出的电缆、金属管道、电线、电话线等，未安装过电压保护装置或未进行良好接地时，雷电感应引起的电磁能量就不能及时泄入地下，就会产生放电火花，破坏相关设备，甚至引起火灾、爆炸或造成触电事故。
        再次，部分设备的电源系统未使用隔离式变压器，雷电产生的电涌过电压直接传递到二次侧设备上，造成设备损坏。
        4.山区风电场设备防雷方案
        雷击防护就是通过合理、有效的手段将雷电流的能量尽可能地引入到大地，是疏导，而不是堵雷。避雷器和电涌保护器可以保护设备免受瞬间过电压和大电流的损坏，可靠的接地系统和等电位连接可以有效的保护设备和人身安全，避免设备间电位差损坏设备甚至跨步电压伤人。
        1.1.线路防雷措施
        山区风电场的自然环境决定了设备需要经受强雷暴的考验，地形复杂，高土壤电阻率更容易引发线路遭受雷击，造成设备损坏。采用地埋电缆可以有效的避免线路遭受直接雷击，如风电场采用了架空线路的输电方式，可采用下列方式减少线路的雷击故障。
        高压系统要采用专用高压避雷装置，在绝缘配合允许的条件下，增加绝缘子片数，提高线路绝缘水平，降低进线段电杆、塔的接地电阻，或采用架空地线和耦合地线提高线路重合闸的成功率。如电杆、塔所处环境特别恶劣，土壤电阻率太高，降低电杆、塔接地电阻就会特别困难，可以有选择性的在容易遭受雷击的线路电杆、塔上安装线路型氧化锌避雷器，以减少线路雷击事故。各风机箱式变压器、集电线路第一颗电杆、塔和各集电线路进入变电站的终端电杆、塔需要装设线路避雷器。
        1.2.低压电源系统防雷
        对380V、220V低压线路应进行过电压保护，按国家规范做三级保护。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

在三相电源变压器后端到配电开关的电缆内芯线两端应对地加装电涌保护器，作一级保护。在配电开关至各系统分配电开关的电缆内芯线两端应对地加装电涌保护器，作二级保护。在所有重要的、精密的设备以及交换机、UPS的前端应对地加装电涌保护器，作为三级保护。目的是采用高吸收能量的分流设备（电涌保护器）将雷电过电压（脉冲）的能量分流泄入大地，达到保护目的。当然也可在第二级、第三级之间220V电源回路安装单相220V电源隔离变压器，或第二级电涌保护器之前安装3相380V电源隔离变压器，利用变压器电-磁-电的转换把电涌过电压隔离在隔离变压器的输入端，避免将危险的过电压传递到变压器的输出端损坏电设备。各风电机组的控制系统电源采用电源隔离变压器和电涌防雷保护器进行防雷保护。
        1.3.通讯、信号系统防雷
        信息系统的防雷主要采用通讯避雷器防雷，通常根据通讯线路的类型、通讯频带、线路电平等选择通讯避雷器，将通讯避雷器串联在通讯线路上，或在通讯线路上串接防雷用中和变压器。风电场风电机组和中控室通信控制系统的电子设备，在通信接口使用可靠的数字电路保护器进行防雷保护。对带有屏蔽层或铠装层的地埋光纤和双绞线缆，可进行分段，多点单端接地，接入等电位接地系统，避免导电外壳因电位差产生放电火花，破坏相关设备。
        1.4.风力发电机组接地系统
        山区风电场地形复杂，高土壤电阻的客观条件，个别机组接地系统的接地电阻往往会偏高。可采用下列方法接地高土壤电阻率风电基础的接地电阻。
        1.4.1.置换土壤
        采用低电阻率的土壤替换原有电阻率较高的土壤回填，置换范围在接地体周围0.5m以内和接地体的1/3处。
        1.4.2.使用降阻剂
        在接地体周围土壤中加入降阻剂，提高接地体周围土壤的导电性。需要注意的是必须使用专业降阻剂，避免土壤经过人工化学处理后，降低接地体的热稳定性，加速接地体的腐蚀，影响接地网的使用年限。在接地极周围敷设了降阻剂后，可以起到增大接地极外形尺寸，降低与其周围大地介质之间的接触电阻的作用，因而能在一定程度上降低接地极的接地电阻。降阻剂用于小面积的集中接地、小型接地网时，其降阻效果较为显著。降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，是具有导电性能良好的强电解质和水分。这些强电解质和水分被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不致于随地下水和雨水而流失，因而能长期保持良好的导电作用。
        1.4.3.深埋接地体
        当地下深处的土壤或水的电阻率较低时，可采取深埋接地极来降低接地电阻值。这种方法对含砂土壤最有效果。据有关资料记载，在3m深处的土壤电阻系数为100%，4m深处为75%，5m深处为60%，6m深处为60%，6.5m深处为50%，9m深处为20%，这种方法可以不考虑土壤冻结和干枯所增加的电阻系数。
        1.4.4.伸长水平接地体
        结合工程实际运用，经过分析，结果表明，当水平接地体长度增大时，电感的影响随之增大，从而使冲击系数增大，当接地体达到一定长度后，再增加其长度，冲击接地电阻也不再下降。一般说来，水平接地体的有效长度不应大于接地体的有效长度。在不同土壤电阻率下的水平接地体有效长度大致如下：
        土壤电阻率（Ωm）    500    1000    2000      ……
        水平接地体有效长度（m）30~40     45~55   60~80    ……
        1.4.5.深井接地
        有条件时还可采用深井接地。用钻机钻孔（也可利用勘探钻孔），把钢管接地极打入井孔内，并向钢管内和井内灌注泥浆。
        在确定降低高土壤电阻率地区接地电阻的具体措施时，应根据当地原有运行经验、气候状况、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件进行全面、综合分析，通过技术经济比较来确定，因地制宜地选择合理的方法。这样，既可保障线路、设备的正常运行，又可避免接地装置工程投资过高情况的发生。
        5.结论
        强雷暴区的山区风电场防雷保护应采用综合的防雷保护措施：
        在输电线路上安装线路型氧化锌避雷器、采用架空避雷线、采用耦合地线和接地输电电杆、塔的接地电阻；
        在电源系统采用过电压浪涌保护器和隔离变压器隔离危险电涌的措施；
        风电场通讯控制系统采用数字电路保护器，通讯线路上串接通讯避雷器或防雷用中和变压器。
        降低各台风电机组和升压站中控楼接地系统的接地电阻，防止接地系统的反击过电压损坏设备。良好的接地装置是电网安全稳定运行的重要保证，需要对设计规划论证阶段、接地材料和形式的选择、导体截面热稳定和机械强度的校验、施工过程质量管理、工程交接验收环节的项目，进行检查和周期性运行维护工作。只有这样，才能长期保证接地装置的良好质量，从根本上防止发生电网事故。
        参考文献：
        [1]《建筑物防雷设计规范GB50057-2010》
        [2]《接地电阻测量导则GB T17949.1-2000》
        [3]《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合DL／T620-1997》