風電機組用SPD承受的應力因素分析

葉平

摘要：為防御雷電電涌過電壓，風電機組的電氣系統和電子系統均需要安裝SPD。本文通過全面剖析風電機組用SPD承受的應力因素，為風電機組電氣系統和電子系統所使用的SPD的級數、安裝位置和性能參數的選擇提供技術依據，以指導具體的工程實踐和理論研究。

Abstract： To defense the lightning surge of overvoltage， electrical and electronic systems of wind turbines are required to install SPD.Through a comprehensive analysis of stress factors of SPD for the wind turbine， this paper provides the technical basis for the selection of SPD series， the installation position and performance parameters， so as to guide the specific engineering practice and theory research.

關鍵詞：風電機組；SPD；應力；因素；分析

Key words： wind turbine；SPD；stress；factor；analysis

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0153-02

0 引言

風力發電是我國清潔能源開發和建設應用的重要組成部分，其對我國國民經濟的可持續發展具有十分重要的戰略意義。近幾年來，風電場在我國的建設規模越來越大，風力發電機組的發電容量均在450kW以上，而且這些風電場多設置在諸如海岸、丘陵、山脊的地方，而這些地區正是雷電多發區。為了保證風電機組的安全運行，工程技術人員都會根據設計標準的要求，對風電機組的漿葉、機艙、電氣系統和控制系統等重要組成部分采取綜合防雷措施進行保護。其中，對于風電機組的電子系統和電氣系統通常采用安裝SPD來防御雷電電涌過電壓。當采用SPD來保護風電機組的電氣、電子系統時，必須根據電子、電氣系統的具體情況以及SPD可能承受的應力因素來確定SPD的級數、安裝位置和性能參數的選擇。

當風電機組電氣和電子系統性能參數確定的情況下，SPD的級數、安裝位置和性能參數的選擇就取決于SPD可能承受的應力因素了。

那么，風電機組電氣和電子系統用SPD可能承受的應力F與哪些應力因素相關呢？根據SPD的工作狀態，我們可以認為，在浪涌條件下，風電機組用SPD所承受的應力F是很多復雜且相關的應力因子，X1，X2，……，Xn-1，Xn的函數，數字表達式如下：F=f（X1，X2，……，Xn-1，Xn）（1）

根據式（1），我們來具體分析在浪涌條件下風電機組用SPD所承受的應力因子（即X1，X2，……，Xn-1，Xn）。

1 風電機組用SPD的設置位置

按照防雷區分區的原則，風電機組不同防雷區界面處所設置的SPD承受雷電電應力類型是不相同的。一般來說，在LPZ0區與LPZ1區交界處的SPD，其承受的雷電電應力因子是波形為10/350μs直接效應的雷電流，故此處應選用Ⅰ類測試的SPD，主要解決泄流問題；而在LPZ1和LPZ2以及后續防雷區界面處出現的雷電過電應力因子主要是8/20μs波形（感應效應）的雷電流，因此，在這些防雷區界面處應選用Ⅱ類或Ⅲ類測試的SPD，主要解決截波和平滑波形的問題。所以，在風電機組的不同防雷區界面處，SPD所面臨的雷電過電應力因素是不相同的，因此，SPD所承受的過電應力F亦是不同的，這決定了風電機組在不同位置設置的SPD，其性能要求是各不相同的。

2 雷擊風電機組設備的耦合方式

雷擊風電機組的各種耦合機制可將雷電流瞬態感應至電路，當其感應電壓足夠高時，可以損壞風電機組的電源、PC板、傳感器和其他電力電子裝置。雷擊風電機組設備的耦合方式主要有三種：①傳導耦合。雷電流會通過進入風電機組的各種導體尋找入地的通路并根據其阻抗而分配電流，傳導耦合可以為雷電流提供優先的、低阻抗通道，會在風電機組絕緣或小空氣間隙產生閃絡電弧，從而損壞風電機組的電子和電氣設備。②電容耦合。進入風電機組的雷電流的頻譜較寬，其中上升陡度高的高頻過壓可通過電容進行耦合，從而對設計安裝的SPD產生電應力影響。雷電過壓升高與電場相關，電場中的導體產生的電勢與電場變化率成正比，與雷擊源的距離成反比。③磁耦合。進入風電機組的雷擊電流陡度的上升會引起較大的磁場變化率，將使處于磁場中的電氣和電子回路成為損壞的電壓源，是造成風電機組中電氣和電子系統損壞的重要原因，也是SPD所要面臨的電應力因素。

3 風電機組內部雷電流的分配狀況

風電機組內部電氣和電子系統用SPD承受雷電過電應力的水平還受進入風電機組內部雷電流的分配狀況的影響。對于每一個SPD可能承受的電應力，從理論上來說可以通過測試方式來確定，但在現實操作中是相當困難的，因此，當沒有計算進入風電機組雷電流分配的特殊方法時，一般假定雷電流的50%傳導進入風電機組的接地系統，其余50%通過SPD回流。

式中：I—雷電流幅值，kA；n—地下和架空引入的外來金屬導體和線路的總數；m—每一線路內導體芯線的總根數；RS—屏蔽層每公里的電阻，Ω/km；RV—芯線每公里的電阻，Ω/km。

根據式（2）、式（3）所確定進入每一SPD的雷電流值誤差是較大的，但從概率論和平均值的角度來講，這一計算方法具有一定的參考價值。當然，對于復雜的風電機組系統，還可采用計算機仿真工具來較準確地確定SPD所承受的雷電應力，為正確選擇SPD奠定堅實的技術基礎。

4 進入風電機組的電氣和電子設施的阻抗和電感

連接風電機組電氣和電子設備的線（纜）及其它金屬傳導體，因其自身存在的阻抗和電感，會直接影響雷電流的峰值I和電荷Q的分配比率。一方面，線纜中的阻抗會耗散雷電流中的低頻部分能量，以降低SPD所承受的雷電流能量；另一方面，線纜中的感抗會暫時存儲雷電流高頻部分能量，以改變SPD所承受雷電流能量的時空分布，從而減輕SPD某一時點所承受的雷電過電應力。

5 雷電流波形的類型

進入風電機組的雷電騷擾的脈沖寬度通常存在較大的差異，例如進入風電機組LPZ0/LPZ1界面處的雷電流波形一般為10/350μs，而存在于LPZ1/LPZ2界面處的雷電流波形可能是8/20μs。因此，設置在風電機組內部不同位置的SPD，其承受的雷電流的波形的類型存在較大差異，這也決定了風電機組內部不同位置的SPD，其承受的雷電流應力的各不相同的，故相應位置SPD的性能參數的選擇和功能界定亦是不同的。通常情況下，在風電機組的LPZ0/LPZ1界面處，SPD宜選用Ⅰ級分類試驗產品，主要完成泄流任務；在LPZ1/LPZ2界面處，SPD宜選用Ⅱ級分類試驗產品，主要完成限壓、截波任務；在LPZ2/LPZ3等后續防雷區界面處，SPD宜選用Ⅲ級分類試驗產品，主要完成鉗位、平滑波形的功能任務。

6 與風電機組設備相連接的附加導電服務設施

當與風電機組設備相連接的附加導電服務設施數量增加時，這些服務設施會攜帶部分直擊雷電流，并因此而減少通過具有雷電防護作用SPD和流經電氣和電子系統的部分雷電流，從而降低流經SPD的雷電流的大小，例如風電機組各設備之間所建立的等電位連接措施，以及風電機組的屏蔽措施均會降低流經SPD的雷電流。

7 風電場中各風電機組之間的電氣連接設施的分布結構

近年來，我國建設的風力發電機電組的功率均在450kW以上，且每一風電場所擁有的風電機組數量較為龐大。為發揮風電機組的整體效率，風電場中的各風電機組之間的關系連接更為密切，其中各風電機組之間的電氣連接的分布結構將直接影響風電機組之間的雷電流的分布，進而決定風電機組內部流過SPD的雷電流的大小。因此，在風電場建設過程中，應認真分析和考慮各風電機組之間的關系布局，以降低雷電對風電機組的影響和危害。

綜上所述，為了保證SPD在實際運行中既起到保護風電機組的作用，同時又不影響風電機組的正常運作，我們在工程實踐中采取的主要措施包括：一是加強風電場雷擊風險的評估和分析，重點確定危害風電機組的雷電通道及各雷電通道中雷電過電應力的強度；二是正確劃分風電場及風電機組防雷區；三是根據風電機組中被保護設備的特點和系統的要求，確定SPD的級數和安裝位置；四是要正確選擇SPD的性能參數，并留有容量；五是密切關注SPD安裝工藝要求；六是完善風電機組的屏蔽、接地和等電位連接措施；七是加強SPD日常巡檢和管理。

通過以上的分析，我們可以看到，風電機組用SPD所承受的雷電過電應力的因素構成是相當復雜的，雷電過電應力因素可以使暫態過壓（如地電位）急劇升高，造成對電氣和電子設備的反擊；亦可沿進入風電機組的電力線路和信號線路分別侵入電氣和電子設備而造成損害，因此在風電機組用SPD設計、施工和檢測等工程實踐中，我們必須在充分分析SPD所承受的雷電過電應力因子的基礎上，采取切實可行的防護措施，減少和降低雷電應力對SPD及其保護設備的損害風險。

參考文獻：

[1]機械工業部設計研究院.GB50057-2010，建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2]中國建筑標準設計和研究院.四川中光防雷科技股份有限公司.GB50343-2012，建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]何金良，曾嶸.配電線路雷電防護[M].北京：清華大學出版社，2013.

[4]西安電瓷研究所.上海電器科學研究所.GB/T18802.12-2006/IEC61643-12：2002，低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第12部分：選擇和使用導則[S].北京：中國標準出版社，2004.

[5]上海電器科學研究所.西安電瓷研究所.GB18802.1-2002，低壓配電系統的電涌保護器（SPD）第1部分：性能要求和試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2004.

[6]國家電力公司武漢高壓研究所.GB/T18802.21-2001/IEC61

643-21：2000，低壓電涌保護器第21部分：電信和信號網絡的電涌保護器（SPD）性能要求和試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2004.

[7]李祥超，趙學余，姜長稷，游志遠.電涌保護器（SPD）原理與應用[M].北京：氣象出版社，2011.

[8]許穎，劉繼，馬宏遠，邱傳睿，建（構）筑物防雷電防護[M].北京：中國建設工業出版社，2010.

[9]李景祿.配電網防雷技術[M].北京：科學出版社，2014.

[10]中國機械工業聯合會.GB/Z25427-2010，風力發電機組雷電防護[S].北京：中國標準出版社，2010.

[11]全國雷電災害防御行業標準化技術委員會.QX/T312-2015，風力發電機組防雷裝置檢測技術規范[S].北京：氣象出版社，2016.

[12]全國雷電防護標準化技術委員會（SAC/TC258）.GB/T2171

4.4-2015/IEC62305-4：2010，雷電防護第4部分：建筑物內電氣和電子系統[S].北京：中國標準出版社，2015.

[13]全國雷電防護標準化技術委員會（SAC/TC258）.GB/T2171

4.3-2015/IEC62305-3：2010，雷電防護第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險[S].北京：中國標準出版社，2015.

[14]全國雷電防護標準化技術委員會（SAC/TC258）.GB/T2171

4.1-2015/IEC62305-1：2010，雷電防護第1部分：總則[S].北京：中國標準出版社，2015.

[15]全國雷電防護標準化技術委員會（SAC/TC258）.GB/T2171

4.2-2015/IEC62305-2：2010，雷電防護第2部分：風險管理[S].北京：中國標準出版社，2015.