风力发电机雷电过电压接地措施简析

刘伟

摘 要 在利用风力发电过程中，雷击是其主要影响因素。因此如何防雷就成为其主要任务，主要包括外表防雷和内部防雷两部分。外部系统防雷主要措施为叶片防雷系统的改进，而内部防雷措施主要为过电压接地处理。文章具体分析了风力发电机过电压阶段的工艺过程。

关键词 风力发电机；基础接地；浪涌保护

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0063-01

在雷击导致的风力发电机破坏中，有相当大的部分与雷击电压过大导致的叶片或与引下线设备相连的设备破坏。处理这一问题的唯一措施就是实现过电压接地，其中包括风机基础接地、等电位连接以及浪涌保护三个阶段，为了进一步明确其接地过程，文章分别进行了分析，从而实现对风力发电机的保护。

1 风力发电机基础接地

在风力发电机基础接地过程中，最重要的问题就是其与低电阻率网点之间的矛盾。作为容量在100 kVA以上的发电机组，要求其接地电阻rd≤4 Ω。按照GB50057-94建筑防雷设计标准，三级防雷建筑，3.4.2款规定：下导冲击电阻不超过20 Ω。接地装置包括接地体和接地线。防雷接地装置与一般电气设备接地装置大体相同，采用平均直径大于10 m的接地圆环，各台风机的接地相互连接成一个接地网，以使雷电流能更快地导入大地。由于机组在风电场中的位置通常不十分确定。土壤电阻导电率对接地冲击电阻有很大的影响。所以在设计时，认为土壤是两层的：最上的素填土层和底下的沙砾层。认为土壤电阻率是8000～10000 Ω·cm。接地网是人工接地系统。风力发电机组本身的基础端钢筋网为自然接地体，考虑到电网系统的安全，要求在自然接地体外架设人工接地网，每一台风力发电机的自然接地体与人工接地体应有可靠连接，以形成网络。一般情况下人工接地体以采用管形接地体最为有利。人工接地体采用2英寸直径，长度为250 cm的钢管。同时，为减少外界温度变化对流散电阻的影响，管顶一般离开地面50～70 cm。假设当地土壤条件为混合土，土壤电阻系数为10000 Ω·cm，在测量时土壤具有中等含水量，管钢埋设深度为0.8～3.3 m。假如采用16根钢管作为接地体，管间距采用2倍钢管长度，即5 m，管钢之间连接的扁钢埋设在离地0.7 m处，其土壤电阻系数的换算系数取1.5，则此处ρ的计算值为：

ρ2=1.5×10000=15000 Ω·cm。

查相关资料，可得扁钢的接地电阻约为rlb0=6 Ω。

查相关资料，当管钢间距为两倍管钢长度，管钢数为16时，利用系数ηn为0.34。

可得扁钢的流散电阻为：rlb=6/0.34=17.65Ω。

接地体组的电阻为：

rdn=（17.65×4）/（17.65-4）=5.17Ω。

遭遇雷击时，接地体冲击电阻为：rds=α×rl

对于长2～3 m，直径在6 cm以下的垂直接地体，在土壤电阻系数为10000 Ω·cm时，冲击电流波头3～6微秒的冲击系数α值，如下。

以此所计算得的冲击电阻值均能符合要求。

2 等电位连接

风机桨叶通过叶根法兰连接到轮毂，再通过锁紧盘与一个碳刷相连接，然后由另一个碳刷接至回转支承外圈，连接塔筒，最后通过接地扁钢接地网。利用碳刷良好的导电性能可以避免轴承受到雷电流的损害，同时还易于更换。另外，发电机的接地电缆从机舱上下来接入控制柜的铜牌，连接到户外的变压器中心点。控制柜外壳接地是通过接地线连接到接地扁钢实现的。WD750kW型风力发电机内部的各个金属部件之间均有直接接触面或连接线，从风向风速仪支架引下的接地线与机舱底座连接，同时发电机的接地线也与机舱底座连接。塔筒间接地由两侧各一根70 mm2铜线实现。

3 浪涌保护

目前，微电子的广泛使用增加了雷击风险，而浪涌保护模式的出现则实现了其雷击风险的降低。这是由于直接雷击很难造成微电子设备短路或破坏，但是却容易导致电流浪涌。微电子设备多为集成机构，其信号来源广泛，这样其对过电流和电压的抵抗和防御能力较低，易受到雷击保护。浪涌保护主要由三大功能构成：一次放电，退藕和精确钳压。MOA的避雷器响应时间非常快，当过电压一旦超过标称导通电压时在25纳秒左右响应，迅速将电压钳制在安全范围内。风力发电机使用最大持续工作电压1000VAC最大放电能力8/20微秒40 kA的SPD，发电机定子、转子用压敏类SPD（防自身电涌），发电机组功率回路变压器侧用气隙类SPD（防雷用）。在w750kw风机系统中DP 440用于将电源线接入防雷等电位系统中，安装与LPZ 0A-1界面，用于防止低压设备受到过压干扰和直接雷击的破坏；DG 275安装于LPZ0B-1或更高的界面，与上一级电涌保护器DP 440配合使用。DP 440和DG 275型避雷器绝缘阻值≥103 mΩ；雷电冲击电流达100 kA；响应时间≤100ns；残压≤3.5 kV；并带有双重的热脱扣装置。增强风电系统弱电电源防护，通信信号、控制信号及传感器信号等防护。

4 结论

1）风力发电过电压接地主要体现在其内部防雷上，要实现电压接地，金属地网并非越大越好，尽可能使用扁材而非圆棒。每只风机采用独立地网而非风场所有机组互联；不主张用金属塔筒作泄流通道，一方面感性可能太大另一方面是泄流时电磁辐射。

2）其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。最好做联合地网确保一定的等电位避免地电位反击，但接地端子功能上有所区分。强弱电接地分开主要是因为强电系统会干扰弱电系统运行影响控制的稳定性和可靠性。

3）实现风力发电设备的浪涌保护，其原理在于控制钳位被保护设备的浪涌过压及过流大小，确保其在合理范围之内。地网接地端子一定要区分，强弱电及不同保护区的接地功能要区分开来。建议所使用SPD的标称导通电压为AC620V或AC680V，最大持续运行电压AC385V或AC420V。

参考文献

[1]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007：28-54.

[2]杨文斌，周浩.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电压技术，2008，34（10）：2081-2085.

[3]王丽广.风电机组的防雷保护[J].变流技术与电力牵引，2008（2）：37-39.endprint

摘 要 在利用风力发电过程中，雷击是其主要影响因素。因此如何防雷就成为其主要任务，主要包括外表防雷和内部防雷两部分。外部系统防雷主要措施为叶片防雷系统的改进，而内部防雷措施主要为过电压接地处理。文章具体分析了风力发电机过电压阶段的工艺过程。

关键词 风力发电机；基础接地；浪涌保护

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0063-01

在雷击导致的风力发电机破坏中，有相当大的部分与雷击电压过大导致的叶片或与引下线设备相连的设备破坏。处理这一问题的唯一措施就是实现过电压接地，其中包括风机基础接地、等电位连接以及浪涌保护三个阶段，为了进一步明确其接地过程，文章分别进行了分析，从而实现对风力发电机的保护。

1 风力发电机基础接地

在风力发电机基础接地过程中，最重要的问题就是其与低电阻率网点之间的矛盾。作为容量在100 kVA以上的发电机组，要求其接地电阻rd≤4 Ω。按照GB50057-94建筑防雷设计标准，三级防雷建筑，3.4.2款规定：下导冲击电阻不超过20 Ω。接地装置包括接地体和接地线。防雷接地装置与一般电气设备接地装置大体相同，采用平均直径大于10 m的接地圆环，各台风机的接地相互连接成一个接地网，以使雷电流能更快地导入大地。由于机组在风电场中的位置通常不十分确定。土壤电阻导电率对接地冲击电阻有很大的影响。所以在设计时，认为土壤是两层的：最上的素填土层和底下的沙砾层。认为土壤电阻率是8000～10000 Ω·cm。接地网是人工接地系统。风力发电机组本身的基础端钢筋网为自然接地体，考虑到电网系统的安全，要求在自然接地体外架设人工接地网，每一台风力发电机的自然接地体与人工接地体应有可靠连接，以形成网络。一般情况下人工接地体以采用管形接地体最为有利。人工接地体采用2英寸直径，长度为250 cm的钢管。同时，为减少外界温度变化对流散电阻的影响，管顶一般离开地面50～70 cm。假设当地土壤条件为混合土，土壤电阻系数为10000 Ω·cm，在测量时土壤具有中等含水量，管钢埋设深度为0.8～3.3 m。假如采用16根钢管作为接地体，管间距采用2倍钢管长度，即5 m，管钢之间连接的扁钢埋设在离地0.7 m处，其土壤电阻系数的换算系数取1.5，则此处ρ的计算值为：

ρ2=1.5×10000=15000 Ω·cm。

查相关资料，可得扁钢的接地电阻约为rlb0=6 Ω。

查相关资料，当管钢间距为两倍管钢长度，管钢数为16时，利用系数ηn为0.34。

可得扁钢的流散电阻为：rlb=6/0.34=17.65Ω。

接地体组的电阻为：

rdn=（17.65×4）/（17.65-4）=5.17Ω。

遭遇雷击时，接地体冲击电阻为：rds=α×rl

对于长2～3 m，直径在6 cm以下的垂直接地体，在土壤电阻系数为10000 Ω·cm时，冲击电流波头3～6微秒的冲击系数α值，如下。

以此所计算得的冲击电阻值均能符合要求。

2 等电位连接

风机桨叶通过叶根法兰连接到轮毂，再通过锁紧盘与一个碳刷相连接，然后由另一个碳刷接至回转支承外圈，连接塔筒，最后通过接地扁钢接地网。利用碳刷良好的导电性能可以避免轴承受到雷电流的损害，同时还易于更换。另外，发电机的接地电缆从机舱上下来接入控制柜的铜牌，连接到户外的变压器中心点。控制柜外壳接地是通过接地线连接到接地扁钢实现的。WD750kW型风力发电机内部的各个金属部件之间均有直接接触面或连接线，从风向风速仪支架引下的接地线与机舱底座连接，同时发电机的接地线也与机舱底座连接。塔筒间接地由两侧各一根70 mm2铜线实现。

3 浪涌保护

目前，微电子的广泛使用增加了雷击风险，而浪涌保护模式的出现则实现了其雷击风险的降低。这是由于直接雷击很难造成微电子设备短路或破坏，但是却容易导致电流浪涌。微电子设备多为集成机构，其信号来源广泛，这样其对过电流和电压的抵抗和防御能力较低，易受到雷击保护。浪涌保护主要由三大功能构成：一次放电，退藕和精确钳压。MOA的避雷器响应时间非常快，当过电压一旦超过标称导通电压时在25纳秒左右响应，迅速将电压钳制在安全范围内。风力发电机使用最大持续工作电压1000VAC最大放电能力8/20微秒40 kA的SPD，发电机定子、转子用压敏类SPD（防自身电涌），发电机组功率回路变压器侧用气隙类SPD（防雷用）。在w750kw风机系统中DP 440用于将电源线接入防雷等电位系统中，安装与LPZ 0A-1界面，用于防止低压设备受到过压干扰和直接雷击的破坏；DG 275安装于LPZ0B-1或更高的界面，与上一级电涌保护器DP 440配合使用。DP 440和DG 275型避雷器绝缘阻值≥103 mΩ；雷电冲击电流达100 kA；响应时间≤100ns；残压≤3.5 kV；并带有双重的热脱扣装置。增强风电系统弱电电源防护，通信信号、控制信号及传感器信号等防护。

4 结论

1）风力发电过电压接地主要体现在其内部防雷上，要实现电压接地，金属地网并非越大越好，尽可能使用扁材而非圆棒。每只风机采用独立地网而非风场所有机组互联；不主张用金属塔筒作泄流通道，一方面感性可能太大另一方面是泄流时电磁辐射。

2）其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。最好做联合地网确保一定的等电位避免地电位反击，但接地端子功能上有所区分。强弱电接地分开主要是因为强电系统会干扰弱电系统运行影响控制的稳定性和可靠性。

3）实现风力发电设备的浪涌保护，其原理在于控制钳位被保护设备的浪涌过压及过流大小，确保其在合理范围之内。地网接地端子一定要区分，强弱电及不同保护区的接地功能要区分开来。建议所使用SPD的标称导通电压为AC620V或AC680V，最大持续运行电压AC385V或AC420V。

参考文献

[1]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007：28-54.

[2]杨文斌，周浩.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电压技术，2008，34（10）：2081-2085.

[3]王丽广.风电机组的防雷保护[J].变流技术与电力牵引，2008（2）：37-39.endprint

摘 要 在利用风力发电过程中，雷击是其主要影响因素。因此如何防雷就成为其主要任务，主要包括外表防雷和内部防雷两部分。外部系统防雷主要措施为叶片防雷系统的改进，而内部防雷措施主要为过电压接地处理。文章具体分析了风力发电机过电压阶段的工艺过程。

关键词 风力发电机；基础接地；浪涌保护

中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0063-01

在雷击导致的风力发电机破坏中，有相当大的部分与雷击电压过大导致的叶片或与引下线设备相连的设备破坏。处理这一问题的唯一措施就是实现过电压接地，其中包括风机基础接地、等电位连接以及浪涌保护三个阶段，为了进一步明确其接地过程，文章分别进行了分析，从而实现对风力发电机的保护。

1 风力发电机基础接地

在风力发电机基础接地过程中，最重要的问题就是其与低电阻率网点之间的矛盾。作为容量在100 kVA以上的发电机组，要求其接地电阻rd≤4 Ω。按照GB50057-94建筑防雷设计标准，三级防雷建筑，3.4.2款规定：下导冲击电阻不超过20 Ω。接地装置包括接地体和接地线。防雷接地装置与一般电气设备接地装置大体相同，采用平均直径大于10 m的接地圆环，各台风机的接地相互连接成一个接地网，以使雷电流能更快地导入大地。由于机组在风电场中的位置通常不十分确定。土壤电阻导电率对接地冲击电阻有很大的影响。所以在设计时，认为土壤是两层的：最上的素填土层和底下的沙砾层。认为土壤电阻率是8000～10000 Ω·cm。接地网是人工接地系统。风力发电机组本身的基础端钢筋网为自然接地体，考虑到电网系统的安全，要求在自然接地体外架设人工接地网，每一台风力发电机的自然接地体与人工接地体应有可靠连接，以形成网络。一般情况下人工接地体以采用管形接地体最为有利。人工接地体采用2英寸直径，长度为250 cm的钢管。同时，为减少外界温度变化对流散电阻的影响，管顶一般离开地面50～70 cm。假设当地土壤条件为混合土，土壤电阻系数为10000 Ω·cm，在测量时土壤具有中等含水量，管钢埋设深度为0.8～3.3 m。假如采用16根钢管作为接地体，管间距采用2倍钢管长度，即5 m，管钢之间连接的扁钢埋设在离地0.7 m处，其土壤电阻系数的换算系数取1.5，则此处ρ的计算值为：

ρ2=1.5×10000=15000 Ω·cm。

查相关资料，可得扁钢的接地电阻约为rlb0=6 Ω。

查相关资料，当管钢间距为两倍管钢长度，管钢数为16时，利用系数ηn为0.34。

可得扁钢的流散电阻为：rlb=6/0.34=17.65Ω。

接地体组的电阻为：

rdn=（17.65×4）/（17.65-4）=5.17Ω。

遭遇雷击时，接地体冲击电阻为：rds=α×rl

对于长2～3 m，直径在6 cm以下的垂直接地体，在土壤电阻系数为10000 Ω·cm时，冲击电流波头3～6微秒的冲击系数α值，如下。

以此所计算得的冲击电阻值均能符合要求。

2 等电位连接

风机桨叶通过叶根法兰连接到轮毂，再通过锁紧盘与一个碳刷相连接，然后由另一个碳刷接至回转支承外圈，连接塔筒，最后通过接地扁钢接地网。利用碳刷良好的导电性能可以避免轴承受到雷电流的损害，同时还易于更换。另外，发电机的接地电缆从机舱上下来接入控制柜的铜牌，连接到户外的变压器中心点。控制柜外壳接地是通过接地线连接到接地扁钢实现的。WD750kW型风力发电机内部的各个金属部件之间均有直接接触面或连接线，从风向风速仪支架引下的接地线与机舱底座连接，同时发电机的接地线也与机舱底座连接。塔筒间接地由两侧各一根70 mm2铜线实现。

3 浪涌保护

目前，微电子的广泛使用增加了雷击风险，而浪涌保护模式的出现则实现了其雷击风险的降低。这是由于直接雷击很难造成微电子设备短路或破坏，但是却容易导致电流浪涌。微电子设备多为集成机构，其信号来源广泛，这样其对过电流和电压的抵抗和防御能力较低，易受到雷击保护。浪涌保护主要由三大功能构成：一次放电，退藕和精确钳压。MOA的避雷器响应时间非常快，当过电压一旦超过标称导通电压时在25纳秒左右响应，迅速将电压钳制在安全范围内。风力发电机使用最大持续工作电压1000VAC最大放电能力8/20微秒40 kA的SPD，发电机定子、转子用压敏类SPD（防自身电涌），发电机组功率回路变压器侧用气隙类SPD（防雷用）。在w750kw风机系统中DP 440用于将电源线接入防雷等电位系统中，安装与LPZ 0A-1界面，用于防止低压设备受到过压干扰和直接雷击的破坏；DG 275安装于LPZ0B-1或更高的界面，与上一级电涌保护器DP 440配合使用。DP 440和DG 275型避雷器绝缘阻值≥103 mΩ；雷电冲击电流达100 kA；响应时间≤100ns；残压≤3.5 kV；并带有双重的热脱扣装置。增强风电系统弱电电源防护，通信信号、控制信号及传感器信号等防护。

4 结论

1）风力发电过电压接地主要体现在其内部防雷上，要实现电压接地，金属地网并非越大越好，尽可能使用扁材而非圆棒。每只风机采用独立地网而非风场所有机组互联；不主张用金属塔筒作泄流通道，一方面感性可能太大另一方面是泄流时电磁辐射。

2）其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。最好做联合地网确保一定的等电位避免地电位反击，但接地端子功能上有所区分。强弱电接地分开主要是因为强电系统会干扰弱电系统运行影响控制的稳定性和可靠性。

3）实现风力发电设备的浪涌保护，其原理在于控制钳位被保护设备的浪涌过压及过流大小，确保其在合理范围之内。地网接地端子一定要区分，强弱电及不同保护区的接地功能要区分开来。建议所使用SPD的标称导通电压为AC620V或AC680V，最大持续运行电压AC385V或AC420V。

参考文献

[1]何金良，曾嵘.电力系统接地技术[M].北京：科学出版社，2007：28-54.

[2]杨文斌，周浩.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电压技术，2008，34（10）：2081-2085.

[3]王丽广.风电机组的防雷保护[J].变流技术与电力牵引，2008（2）：37-39.endprint