風力發電用箱變雷擊損壞原因分析及設計改進

廣西龍源風力發電有限公司 王梓旭

1 引言

在電力行業中，大部分可以用于發電的能源都是傳統能源，容易對生態環境產生污染，并且資源儲量有限，無法滿足社會經濟發展的無限需求[1]。為保障生態環境穩定，實現發電行業可持續發展，我國加大了可再生能源在發電中的應用，不斷增加風電、光伏風電等比例，有效實現發電行業的能源結構調整[2]。在眾多可再生能源中，風力資源在我國分布范圍廣，可利用程度高，但是風力發電用箱變容易受到雷雨天氣影響，導致在雷擊過程中損壞，直接影響到風電系統的穩定運行。因此，在風力發電中，應當重視風力發電用箱變雷擊的有效預防，保障發電系統穩定運行。

2 風力發電用箱變雷擊損壞案例概述

西北某處風電場某日19時21分，管護人員在聽到雷響后，發現風電場L—6號風機電壓異常降低，風機網側三相電壓都是150V，升壓站35kV 系統零序電壓很快從0.52kV 上升到0.81kV。為確保35kV 集電線路及風電場內各設備穩定運行，管護人員立即將集電線路D 線121開關由原本運行狀態，調整到檢修狀態。基于當時處于雷雨天氣中，為保障管護人員生命安全，沒有對風機組進行現場巡檢。第二天早8時30分對場L—6號風機全面檢查，發現整個風機箱低壓側設備全部損壞。通過對D、E、F集電線路風機的進入線路121、122、123開關進行負載使用，集電線路D 線帶15臺風機組運行；集電線路D 線帶1臺風機組運行；集電線路D 線帶8臺風機組運行。

從風力發電用箱變損壞狀況分析，高壓部分全部熏黑，所有內部線路損壞，避雷針與引線銜接處損壞，電纜損壞程度不大，并且操作小室全部熏黑，熔斷器內部物體裸露；低壓部分全部損壞，斷路器輸出線路及外殼有著顯著的燒蝕現象；風機塔筒內其他電氣設備未出現損壞。但是，從風機電場監控視頻而言，從19時開始整個風電場開始產生異常雷雨天氣，并且有短暫冰雹出現，雷雨時間到23時，這說明風機組故障出現時，L—6號風機在雷雨天氣中，有著良好的雷擊產生條件。

3 風力發電用箱變雷擊損壞原因分析

3.1 風電場雷區情況

從雷雨天氣的氣象數據可知，整個風電場都可能受到雷擊影響，導致整個區域電磁場強度是不同的。處于防護設備保護的電氣設備，不會受到直接雷擊，但是會有流入各個導體中的雷電流，造成電磁場強度很大程度出現衰減現象。一般情況下，風電場中電氣設備接觸的雷電流越小，電磁場強度衰減更快。

3.2 風機塔筒內中性點暫態地電位升高

在風機組受到雷擊作用后，風機塔筒內中性點暫態地電位上升，計算式為：

式中：U0代表暫態地電位上升；Imax代表雷電流大小；ke代表分類系數；Ri代表沖擊接地電阻[3]。

在雷電天氣中，雷擊主要出現在風機葉片和塔筒兩個部位上，應當結合三類建筑物體防雷設計進行計算，第一次雷擊產生的電流大小是100KA。根據GB5007的內容，需要按照分流系數、沖擊接地電阻等不同，對風機葉片或者塔筒內中性點暫態地電位上升多少進行計算，風機塔筒內中性點暫態地電位上升詳見表1。

表1 風機塔筒內中性點暫態地電位上升 （單位：kV）

由表1可知，暫態地電位上升最小數值超過20kV，最大數值達到600kV，然而低壓部分設備在運行過程中，依舊處于正常的絕緣數值為5kV，大部分設備無法對電位上升承受的，導致出現損壞。

從損壞過程來說，在雷雨天氣中，雷電波從風電場的塔筒接地位置開始釋放到大地中，受到接地電阻的作用下，塔筒中心部位的點位會超過5kV，并且點位在分布過程，也是距離塔筒中心部位越近點位越高，距離中心區域越遠電位就越低[4]。在整個雷電場中，人所處位置不同，所形成的電位差也是具有差異的，這就會產生跨步電壓，電位差如圖1所示。

圖1 電位差

基于在風機中，中性點和箱變低壓中性點有著密切聯系，二者借助零線銜接過程呈現出一體化關系，如圖2所示，形成等電位。通過對接地系統的一起使用，導致箱變低壓中的中性線及高電壓等，都超過20kV；箱變外殼和接地區域都遠離塔筒，基本上沒有電位。這些不同設備位置中形成的電位差，超過20kV，但是低壓部分正常運行的電壓不能超過5kV，造成電壓強度遠遠大于低壓所能承受的極限值。因此，風力發電用箱變中不同電氣設備在雷擊影響下，產生了大量過電壓，對不同設備產生了明顯作用，造成反擊效應出現，導致在低壓回路持續進行放電，直接出現短路現象，從此低壓設備損壞[5]。

圖2 風電系統接線

風機塔筒中有著諸多電氣設備，如低壓斷路器、變頻器等，雖然雷擊產生過程中，主回路電位也會開始上升，但是零線、接地設備、接地網等還是連接得非常有效，可以產生合理的等電位，導致零線和接地件形成的電位差異不大，避免對這些電氣設備造成影響。因此，風力發電系統在建設中，將風機內中性點和風力發電機箱變使用一個接地系統，這是風力發電機箱變受到雷擊損壞的主要原因。

4 風力發電系統防雷設計改進措施

要想風力發電系統防雷設計有效，應當結合箱變損壞原因產生過程，對防雷設備進行科學合理改進，以此提升防雷效果，避免受到雷擊影響。應當將風力發電場的電氣接地裝置和防雷接地裝置獨立設置，能夠有效保障風力發電機箱變不會受到雷擊影響。在實際使用中，在雷擊產生過程中，也會形成很高的高電壓，但是二者沒有相互連接，風力發電機系統中的中性點無法受到高電壓影響，就難以造成風力發電機箱變的中性點和相線間形成高電壓，保障風力發電機箱變可以穩定運行。

結合現階段使用的接地方式，風力發電機箱變安裝位置與風機塔筒距離越大，一旦雷擊產生過程中，風力發電機箱變中性線、相線等對外殼形成的電位差異會非常高，增大了雷擊損壞程度；如果風力發電機箱變與風機塔筒距離不大，往往受到雷擊影響程度小。通過對風力發電機箱變和風機塔筒的距離進行縮短，可以有效將二者間的跨步距離拉近，就能夠降低雷擊過程中的電位差異大小，從而對箱變損壞概率進行科學合理控制，避免受到嚴重損壞。

強化絕緣防護。一般情況下，在風力發電變電箱使用的絕緣防護方式是非常多的，包括噴絕緣涂料、熱縮套管等方式。在進行絕緣防護工作中，應當保障防護的完整性，確保絕緣材料實現完成覆蓋，對所有設備區域進行有效防護；絕緣防護工作完成后，應當對檢查防護面積是否完整，不能出現金屬裸露的情況，將存在的問題進行合理處理，有效避免雷擊產生。并且，在絕緣防護作業中，不能增加各類絕緣防護設備，需要使用塑料膜塑封，避免電氣設備出現絕緣材料涂料，有效保障設備運行性能，降低風電場絕緣施工造成的經濟損失。在現有絕緣防護中，更多使用氧化鋅避雷器和絕緣涂料，這兩種方式是非常普遍的，也是可以做到綜合防護，有利于風電場全面防雷目的實現，也可以有效降低雷擊事故出現，以此保障風電場各類設備穩定運行。

風力電場使用金屬管道。在輸電線路表面使用金屬管道，材質是由鍍鋅鋼管構成；安裝過程采用分半套。主要安裝位置是風電場風機和箱變塔筒設備外部的單芯電纜線，使用密封性安裝方式，有效確保外部金屬管和風機緊密銜接，并且需要和接地網絡進行連接，增強金屬管的防雷系數，以此讓風機設備在受到雷擊后，依舊可以正常穩定運行。依托風電場地理環境情況，基本上都是由混凝土組成，但是這種施工環節對金屬管安裝增大難度，并且基坑中存在的電纜線，與接地網絡形成了非常強的耦合關系，導致難以增加金屬管。如果非常對金屬管增加，往往會對輸電線路和接地網絡間的耦合關系進行破壞，導致輸電效率不高。因此，在接地網絡中的電纜不能使用金屬管進行防雷。

一般情況下，防雷措施主要產生保護性作用，可以確保風電場主體設備的運行安全，對雷擊影響程度進行削弱，避免雷擊產生的過電流或者過電壓對風電設備產生影響，以此提升風電場的防雷強度。在實際選擇防雷施工措施中，需要對風電場地理環境進行綜合考慮，選擇出最適合的防雷措施，既可以保障風機設備安全穩定運行，也可以增強風機防雷系數。基于這種情況下，該西北地區風力風電場在后續建設中，對風力發電機箱變和風機塔筒距離進行合理控制，經過長時間運行后，基本上沒有產生雷擊損壞故障。

5 結語

在風力發電系統中，是由諸多電氣設備組成的，通過對各類設備的有效運行，才能保障整個發電工作穩定開展。但是，風力發電機箱變很容易受到雷雨天氣影響，如果在雷擊過程中產生過高電壓，往往會造成箱變設備部分出現嚴重損壞，直接導致發電系統無法正常運行，影響到供電穩定性。基于這種情況下，為保障風力發電機箱變運行穩定，應對存在的雷擊問題進行合理處理，通過對防雷設計水平進行提升，從接線裝置設計和安裝距離兩個方面進行調整優化，有效對雷擊影響進行避免和降低，以此實現風力發電場未穩定運行。