国网电力宁海茶山风电场风力发电机组雷电防护设计

来源:用户上传      作者:徐元亮

　　摘 要：在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下，风能作为一种无污染、可再生、高效清洁的替代能源，近年来发展尤为迅猛，目前风力发电是成为很多国家应用的能源项目。作者结合本工程实例，系统地阐述风力发电场发电机组雷电防护设计及其实现。
　　关键词：风力发电;雷电防护;设计
　　1 国网电力宁海茶山风电场工程概况
　　本工程位于浙江省宁海县东部，茶山抽蓄规划上库周边，总装机规模为58.5MW，安装33台单机容量1500KW风电机组，风力发电机出口电压为690V。
　　本工程在风电场址中部建造110KV升压站，风电场电能经1台10KV主变压器升压后，最终以一回110KV线路接入220KV霞客变。风电场采用二级升压方式，风机电压690V经箱变升压至35KV后经主变二次升压至110KV，场内集电线路采用35KV电缆。
　　升压站内布置有生产综合楼、水泵房、SVG室等建筑物。其中主变压器采用户外布置，布置在生产综合楼北侧;110KV配电装置采用GIS方式，布置在生产综合楼二层;35KV配电装置采用户内金属成套开关柜，布置在生产综合楼一层;蓄电池室和低压配电室布置在生產综合楼一层;继保室、通信机房、中控室布置在生产综合楼二层。生产综合楼高15.3m，长52.8m，宽20.1m。
　　2 设计目的
　　设计目的：为防止或减少国网电力宁海茶山风力发电场风力发电机组遭受雷击所造成人员及财产损失。
　　3 设计依据
　　（1）《IEC61400-24-2010 风力发电系统防雷保护》
　　（2）《IEC62305 雷电防护》
　　（3）《GL指导文件1V-1 风力发电系统》
　　（4）《交流电气装置的接地》DL/T621-1997
　　（5）《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》DL/T620-1997
　　（6）《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010版
　　（7）《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012版
　　（8）《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008
　　4 防雷设计方案
　　4.1 防雷分类
　　宁海县年平均雷暴日数为39.9天，根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010版中要求，根据建筑物重要性、使用性质、发生雷电事故的可能性和后果，本工程风力发电机组及箱变属于第二类防雷建筑物。
　　4.2 风力发电机组防雷设计
　　风机遭受直击雷雷击路线是：当直击雷击中叶片上的接闪器后通过叶片内腔中的导引线传导到叶片根部再经机舱主机架然后通过塔架中的专设引下线接入接地网引入大地。据风力发电普及率最高的丹麦和德国统计遭受雷击损坏部位中，叶片损坏率占15%-20%，而80%以上是与塔架中专设引下线相连的其他设备。这些设备都是受雷电引入大地过程中产生过电压而损坏的。也就是说，雷电对风力发电机组设备的损坏包括直击雷和雷电感应;并且，雷电感应造成的设备损坏损失比较大，造成的影响也更严重。
　　因此本项目风电机组主要考虑外部直击雷雷电防护、内部雷电感应防护、接地系统设计、箱变雷电防护等四个方面。发电机组防雷分区如右图：
　　图1
　　4.2.1 风力发电机组的直击雷防护
　　风力发电机组的直击雷防护分为5个不同位置的保护，它们分别是3个叶片，机舱盖顶部和风速仪。
　　（1）机组直击雷防护：在风电机组的每个叶片尖端上内嵌截面积为50mm2铝板作为雷击点，并用截面80mm2多股铜芯线连接到轮毂，再从轮毂连接到机舱主机架，通过塔架将雷电流泄放到大地。
　　（2）机舱和风速仪直击雷防护：由于叶片高度远高于机舱且叶片中已装设接闪器，通过滚球法计算机舱和风速仪都处于保护范围内，因此机舱不再加装直击雷防护装置，但是考虑到机组工作时叶片是转动的，所以在距风速仪0.3m处增设一根高度为0.8m接闪杆进行防护。
　　（3）引下线：由于本次风力发电机组塔架为厚度7.0mm钢塔架，所以利用塔架本身作为引下线。
　　4.2.2 内部雷电防护设计
　　内部雷电防护主要是针对风力发电机组内易受雷电感应的形成暂态过电压造成设备损坏的设备。我们此次内部雷电防护主要分为发电机组电气系统的过电压防护和发电机组弱电系统的雷电防护。
　　4.2.2.1 发电机组电气系统的过电压防护
　　发电机组电气系统的过电压防护采用三级防护，安装电涌保护器。第一级防护：风力发电机箱变到机组主开关的690V电力电缆作为电源入口处，即LPZ0A或LPZOB区与LPZ1区交界处，从电源处引来的线路上，装设第一级电涌保护器，能防止电网侧发生雷击情况下保护机组内部主回路。安装位置应选择在箱变变压器低压测。根据IEC61400-24-2010风力涡轮发电系统防雷防护的要求，网侧设备的雷电流释放指标需要达到150KA，即每相690V、50HZ的进线雷电释放指标为50KA。因此采用3只冲击雷电流为50KA的电涌保护器，将残压控制在4KV以下。第二级防护：在LPZ1区与LPZ2区交界处即在靠近需要保护的设备处装设第二级电涌保护器，电气系统宜选用Ⅱ级实验电涌保护器，Ⅱ级实验的电涌保护器标称放电电流不小于5KA。因此采用3只最大标称放电电流为40KA，额定放电电流为10KA的电涌保护器作为第二级防护。第三级防护：第三级防护在上一级电涌保护器泄放雷电流后残压的基础上对线缆上的雷电流进一步的泄放。因此选用将残压控制在1.25KV以下，且具有滤波功能，能消除很大部分的电磁干扰、射频干扰的电涌保护器。
　　4.2.2.2 发电机组弱电系统的雷电防护
　　（1）机舱内所有电子信息设备都必须采用截面为6mm2铜带进行等电位连接并接地。 　　（2）在传感控制与通信系统等重要的电子信息设备电源端口安装Ⅱ类或Ⅲ实验浪涌保护器。并在设备信号射频出、入端口上加装信号浪涌保护器。
　　4.2.3 接地电阻设计
　　根据相关技术规范以及本项目设备厂家的要求，此次单台风力发电机组的接地电阻设计为不大于4Ω。
　　接地极设置：由于本项目风力发电机组都处于山区，土壤电阻率都极高，所以风电机组接地装置是以机组基础中心为圆心，约每隔9m和6m设置两圈水平环形接地网，埋设深度为15m，接地网敷设垂直于垂直接地极（均采用电解地极）顶部与垂直接地极进行焊接，同时从风电机中心向北面、西面、东面各敷设1根-60×8mm热镀锌扁钢的水平接地极与接地网进行焊接，水平接地极的敷设深度为1.5m。如图2
　　因为环形水平接地网及向北面、西面、东面水平接地极主要作为连接和等电位作用，而垂直接地极是用于泄放雷电流。故而将垂直接地极周围埋设物理型降阻剂降阻。这种方式是利用了球形的散流模型，结合降阻剂导电性好特点，从而达到降阻的目的。
　　4.3 风电机组箱变的雷电防护设计
　　由于机组的塔架高度远远大于箱变高度且箱变位置离机组比较近，所以箱变处于保护范围内，根据《交流电气装置的接地》DL/T621-1997规定，电气装置的工作保护接地电阻不宜大于4Ω，而风电机组接地电阻也为4Ω，因此只需将箱变用-60×8mm热镀锌扁钢与机组接地系统相连形成等电位连接即可。由于箱变是用过电缆线和系统连接，因此需在变压器高压侧安装金属氧化锌电涌保护器，同时为了保护机组内部店里电子元件，在低压侧安装第一级电涌保护器。
　　参考文献：
　　[1]IEC61400-24-2010 风力发电系统防雷保护.
　　[2]IEC62305 雷电防护.
　　[3]GL指导文件1V-1 风力发电系统.
　　[4]中华人民共和国电力行业标准，《交流电气装置的接地》DL/T621-1997，中华人民共和国电力工业部，1997.
　　[5]中華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》DL/T620-1997，中华人民共和国电力工业部，1997.
　　[6]中华人民共和国国家标准，《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010，中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布，2010.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15270570.htm