风电场箱变雷击事故关键原因分析及防护优化改进

孙旺成

（景泰新能源（上海）有限公司 上海市 200051）

国内风电行业的日益发展，为电力资源提供了保障。风电装机的规模逐渐扩大，风机设备的持续增多，为风机箱变呈现雷击事故增加了可能性。基于风电场在野外的运行环境，自然气候不稳定，一定程度上影响着风电场的防雷能力，为雷击事故创造了有利条件。风电场的风机在生产期间，为其增加了防雷设计，但是防雷能力与实际环境存在出入，弱化了风机设备自身的防雷能力。

1 事故原因分析

1.1 风机箱变雷击

风能是地球表面的一种流动性能源，基于空气流动产生。风电场的风机设备，是用以采集风能，利用风的动能力量，促进发电机供电；即风电场是将风能转化为电能的设备。某风电场位于国内西南地区，其自然条件拥有较高的电阻率，山顶气候变化无规律，风机设备为采集风能，设备生产时以高度为特征；高耸入云的风机，在多变的气候条件下，为雷击事故增加了发生概率。2015年间，风电场多台箱变遭遇雷电波袭击，其中低压侧二次回路受损严重，直接影响到箱变的工作能力。

最为严重的雷击事故为：2016年，在风电场场区周边，呈现出持续性雷雨气象，雷雨中夹带冰雹，此状态持续了90分钟后，温度骤然下降，冷空气与雷雨、冰雹之间的相互作用下，转而降雪，此间箱变雷击产生的影响包括高压室与低压室的设备损坏。高压室的损坏情况：电力线路全面烧毁、室内中二次线已烧至无法继续工作，连接避雷器的线路烧坏，高度电缆的损坏程度不大，操作小室与高压室由于线路损坏而呈现漆黑状态，高压熔断器中有两个熔芯已脱离设备。低压室的损坏情况：低压柜大面积遭遇雷击，仪表室的表计功能损坏，断路器在雷击后呈现无法运行问题，断路器上方位置的铜排有部分烧熔问题，引发二次线烧熔事故。

由此发现，风机箱变雷击，一定程度上摧毁了风电场的运行能力，造成了风电行业的经济损失；雷击问题，造成的烧损问题较多，高压室与低压室对其袭击的防御能力较差，难以抵抗其带来的自然影响，成为风电行业亟需解决的问题。围绕各设备的损坏程度，分析雷击的适应性条件，采取有效措施，回避雷击造成的设备损坏问题，提升风机箱变的防雷能力，稳定风电场的运作状态。

1.2 雷击成因

1.2.1 低压侧损坏成因

当风机叶片遭遇雷击时，雷电流穿过风机设备，其运行轨迹为：风机塔筒作为雷电流的进入位置，途径接地网，最终流向大地；当地网遇见雷电流时，由于地接电阻元素，接地网的电位产生升高状态，升高幅度为U；雷击电流与冲击接地电阻，两者之间的关系为成比；大型接地网，在遭遇雷击电流是会产生电感效应，地电位为U的结构特征依赖于雷击点、地网分布。在雷击时，接地网上方位置的线缆，其产生的感应电位为U1。在箱变低压侧的端末处承受雷电压力为U2，U2值作为箱变接地点产生的电压值，是地电位与接地网上方电压之间的差值（U1作为低压侧电缆位置的感应电压值），则有U2=U-U1。

如果U2电压值增大到承载极限，伴随着高山区域的湿润空气状态，极易引发SPD相关设备表层出现水蒸气凝露，引发外部绝缘，导致沿面闪络，造成雷击击穿时间，箱变内部呈现出放电流程，导致不同程度的放电反应，引发持续性工频续流；放电的具体表现形式为：相间放电、相对放电。工频电弧及其短路电流的共同作用下，产生设备损坏问题，损坏设备包括二次设备、熔断器等。

1.2.2 高压侧损坏成因

当雷击产生U1时，造成低压侧的短路问题，继电保护装置的反应机制不及时，极易造成风机与高压侧两部分的电源端口，产生短路点输出问题，其输出的是短路电流。工频短路电流在途经线路侧时，再次流入箱变位置，造成高压侧位置的熔断器损坏，引发低压侧设备大面积损坏问题[1]。

1.2.3 接地系统

（1）分析单台风机在水平状态接地网期间，工频接地产生的电阻值，其估算方式为：表示的是风电机在工频接地时产生的电阻，单位为Ω；ρ表示的是地网中土壤的电阻比率值，单位为Ω·m；S表示的地网的实际面积，单位为m2。雷击冲击接地网时产生电阻的估算方式为：②R2=αR1；③α=公式中R2代表的是地网在遭遇雷击时，产生的冲击接地电阻值，单位为Ω；A表示的是受到雷击冲击地网实际面积，单位为m2，I值为雷电流的幅度值，单位为kA。

单台风机在承受雷击时产生的冲击接地电阻值R，应小于10Ω，但是基于风电场所在位置，具有较高电阻，并且其土壤产生的电阻率较高；ρ的取值区间为[1424,15183]，单位为Ω·m，采取仿真计算，分别取ρ值为1424、5000、10000、15183，仿真计算工频接地电阻值分别为：17.7、62.1、124.2、188.6；代入公式①所得结果分别为：22.3、78.4、156.0、238.0；代入公式②、③所得结果为：12.6、25.3、36.2、44.8。通过仿真计算可知，雷电在经过地网期间，产生的地电位高，属于具有较高危险系数的隐患。

（2）当雷电流途径风机接地网期间，接地导体上方位置的雷电流呈现扩散趋势，每个点位的电流数值与雷击点产生总电流值之间的相互关系为正比，土壤电阻率的分布程度并不明显。当土壤电阻率值为最小时，即ρ=1424Ω·m，风机基础内部的导体分流，产生的雷电幅度值为13，即I=13kA。由此发现，电阻率数值最小时，导体产生的漏电问题严重[2]。

2 防护措施

2.1 电缆装置金属管道

在电缆外表面，为其装置金属质地的管道，采用的装置材料为镀锌钢管，所选的规格为Ω200*10；装置方式为分半套；安装位置为：风机与箱变塔筒设备外部的单芯电缆线（14根）、采取密封性安装方式，保障外胎金属管在风机收尾两侧紧密装配，并且与地网实现连接，加强金属管道的防雷效果，保障风机内部容易受雷击伤害的基础性设备正常运行状态[3]。

结合风电场中的地理环境，混凝土成分较多；混凝土对金属管道的装置工程施工具有一定难度；在基础坑内的电缆线，与地网形成强烈的耦合关系，不利于增加金属管。如若金属管强势介入，极易破坏电缆与地网之间的耦合关系，影响电力资源的输送效率。因此，地网中的电缆不采取金属管的防雷措施。防雷措施是具有保护性的施工方案，有利于维护运行主体基本状态的性质，其作用在于防护雷击产生的不利现象，防止雷击电流对风电场设备产生损坏，在一定程度上增强风电场的防雷能力；在实际防雷工程建设中，应综合考虑风电场周边环境，选择具有适应性的防雷措施，一方面保障风机的正常运行，另一方面有利于提升风机防雷效果。

2.2 替换铠装电缆

铠装电缆是由多种材料导体，统一装置在绝缘材料中，绝缘材料一般选取金属套管，后经加工制作成具有弯曲能力的电缆组合体；铠装电缆的组成部分包括：铠装热电偶、铠装加热器、铠装热电阻、铠装引线等。铠装电缆具有较好的屏蔽效果，一般客观条件难以对其造成损坏；铠装电缆具有功能性的材料在绝缘装置中，具有较强的防雷能力，建议作为风电场的电缆选择首选，以减少雷击对电缆造成的大面积烧坏问题，提升风电场的防雷能力，保障风电场的稳定运行状态。

风电场原有的电缆配置：12根电缆，每个风机箱中有4根电缆，电缆规格为YJLV-1*400/240,电缆型号为单芯无屏蔽功能，将此类电缆线全部更换为铠装电缆；铠装电缆的装置设计为：铠装电缆规格选择YJV22-3*400/240，配置为每个风机箱中四根铠装电缆线，型号选择三芯钢带铠装电缆，安装方式为：将铠装层的首尾两端分别与地网紧密连接。

电缆外部增加金属管道、铠装电缆替换，此两种防护措施，能够从根源上降低雷击产生的电位差，维护风电场处于有序运行状态；但是此两种措施具有较高的经济成本，施工难度系数大，防护面积有限，应作为备用防护措施，积极探索具有经济适用性防护方式，全面增强风电场的防雷技能。

2.3 安装避雷器

建议定制具有较大通流容量的避雷设备，制作避雷设备的规格为YH10W-0.8/3.0，供应企业为西安广大电器。通流容量最大值应保持在10kA数值，此时的通流容量能够实现承载较大冲击力的雷电流，将其电流残压处理至3kA；与此同时，避雷器能够彻底处理工频续流，保障风电场不存在潜藏危险。避雷器的安装位置在：箱变低压侧，替换掉原有的SPD[4]。

避雷器的电气规格与参数：标称电压数值为0.69kV；额定电压应满足0.8kV；持续运行期间产生的电压值为0.64kV；直流电压U为1.3kV；放电处理期间产生的电流值为10kA；雷电冲击通流处理的残压值小于3.0kV；在方波规格为2ms时，其容量设置为400A；安装期间，保障避雷器前后两端位置有完整引线，引线长度不大于0.5米，引线采用的导线应在25平方米以上长度，并且是绝缘铜导线，连接方式为平直连接。

2.4 增加绝缘防护

绝缘防护采用方式有多种，具体包括喷绝缘涂料、热缩套管、包裹绝缘带等方式；在实施绝缘防护期间，应注意防护的完整性，保障绝缘材料的完整覆盖，实现全面积的绝缘防护；绝缘防护措施完成后，不应该存在金属裸露现象，通过防雷检查，严格排查防护不到位问题，将雷击冲击力扼杀于无形中。与此同时，在绝缘防护施工期间，不需要增加绝缘防护的设备、器件等，应采取塑料薄膜塑封，避免其粘上绝缘防护涂料，降低设备运行性能，减少风电场绝缘防护施工带来的经济损失。氧化锌避雷器与绝缘涂料，两种防护措施综合应用，实现了风电场全面积防雷整改，极大程度地减少了雷击事故发生，全面保障风电场有序运行状态。

3 结论

（1）风机设备中的电缆，是从塔筒底部延伸至箱变，应配置防护措施；防护措施具体为屏蔽装置与铠装层；增强风机两端与接地网的连接能力，降低雷击风机时产生的地电位差，增强防雷效果。工程建设期间，应综合选取具有防护效果的装备，严禁以次充好，一味追究低价的经济成本的建设理念；建议以防雷效果为基础，开展工程建设，提升风机防雷能力。

（2）风机箱变配置的低压侧防雷保护器，其功能为增强电气一次设备的防护能力，考虑风机处于环境相差的地位位置，应以氧化锌避雷器进行装置，增强风机避雷效果。

（3）在风电场周边环境中，极易产生环境潮湿引起的气候箱变问题，建议风机设备增加绝缘装置，保障绝缘距离，发挥绝缘措施带来的防雷效果。