第7章2-风电场防雷

风电场电气系统制作人：朱永强,田军华北电力大学风电场电气系统防雷与接地2§7风电场的防雷和接地7.1雷电的产生机理、危害及防护7.2接地的原理、意义及措施7.3大型风力机的防雷保护7.4集电线路的防雷与接地7.5升压变电站的防雷与接地风电场电气系统防雷与接地3对于风力机而言，直接雷击保护主要是针对叶片、机舱、塔架防雷，而间接雷击保护主要是指过电压保护和等电位连接。电气系统防雷则主要是间接雷击保护。§7.3大型风力机的防雷保护§7.3.1风机防雷保护的必要性风电场电气系统防雷与接地4§7.3.2叶片的防雷保护叶片防雷叶片防雷重要性雷击造成叶片损坏位置最高是雷电袭击的首要目标叶片是风力发电机组中最昂贵的部件雷击造成的巨大声波，对叶片结构造成冲击破坏雷电击中叶尖后释放大量能量，雷电流使叶尖结构内部温度急骤升高，造成叶尖结构爆裂破坏甚至开裂；风电场电气系统防雷与接地5叶片防雷系统连于叶片根部的金属环处，包括雷电接闪器和引下线（雷电传导部分），如图7-7所示。§7.3.2.1叶片防雷系统图7-7叶片防雷系统示意图风电场电气系统防雷与接地6现代大多数风力机的机舱罩是用金属板制成，本身就有良好的防雷保护作用。机舱主机架除了与叶片相连，在机舱罩顶上后部设置一个（数目可多于一个）高于风速、风向仪的接闪杆，保护风速计和风向仪免受雷击。§7.3.3机舱的防雷保护图7-8机舱的防雷设计风电场电气系统防雷与接地7§7.3.4塔架的防雷保护1.钢制塔架2.混凝土塔架3.混合塔架•钢制部件之间的过渡段，采用并行路径方式设置三个彼此相间120°的间隙作为雷电路径•连接处不允许雷击沿紧固的螺栓进行传导•塔基处在三个彼此相间120°的位置上接到公共结点上•雷电通过塔架内的铜电缆在三个彼此相间120°的位置上被散流•塔基处连接到与接地环和电极相连的电压公共结点上•不允许雷击电流沿钢拉线进行传导•钢制连接适配法兰与钢制区法兰在附有不锈钢盘的法兰面上选择三个彼此相间120°的位置用螺栓固定•钢制适配器依次接于三个彼此相间120°的接地电缆，后者接于塔基的公共结点风电场电气系统防雷与接地8§7.3.5风机的接地风电机组采用TN方式供电系统，可以较好的保护风机电气系统及人员的安全。TN系统，T：系统中有一点（一般是电源的中性点）直接接大地，称为系统接地（SystemEarthing）；N：用电设备的外壳经保护接地即PE线（ProtectingEarthingconductor）与系统直接接地点连接而间接接地，称为保护接地（ProtectiveEarthing）。TT系统，前一个T：系统接地是直接接大地；后一个T：用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直接接大地，与电源中的N线线路和系统接地点毫无关连。风电场电气系统防雷与接地9风机接地系统应包括一个围绕风机基础的环状导体，此环状导体埋设在距风机基础一米远的地面下一米处，采用50mm²铜导体或直径更大些的铜导体；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架2个相反位置，地面的控制器连接到连接点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在接地电阻率高的区域,要延伸接地网以保证接地电阻达到规范要求。若测得接地网电阻值大于要求的值，则必须采取降阻措施，直至达到标准要求。可以将多台风电机组的接地网进行互连，这样就可以通过延伸机组的接地网可进一步降低接地电阻，使雷电流迅速流散入大地而不产生危险的过电压。§7.3.5风机的接地风电场电气系统防雷与接地10§7.3.6电气系统的防雷保护四种雷电保护带LPZ0A直接雷击，完全的雷电流，无衰减的电磁场LPZ0B无直接雷击，完全的雷电流，无衰减的电磁场LPZ1无直接雷击，减小的雷电流，衰减的电磁场LPZ2进一步减小的雷电流，进一步衰减的电磁场风电场电气系统防雷与接地11集电线路上出现大气过电压主要有直击雷过电压和感应雷过电压两种。一般直击雷过电压危害更严重。集电线路防雷性能优劣主要用两个技术指标：耐雷水平和雷击跳闸率来衡量。耐雷水平是指线路遭受雷击时，线路绝缘所能耐受的不至于引起绝缘闪络的最大雷电流幅值，单位为kA。耐雷水平愈高，线路的防雷性能愈好。雷击跳闸率是指雷暴日数Td=40的条件下，每100km的集电线路每年因雷击而引起的跳闸次数，它是衡量线路防雷性能的综合指标。§7.4集电线路的防雷与接地风电场电气系统防雷与接地12①感应过电压的极性与雷电的极性正好相反。②感应过电压同时存在于三相导线，相间不存在电位差，故一般只能引起相对地闪络，而不会产生相间闪络。③感应过电压的幅值不高，一般不会超过500kV，因此，它对110kV及以上电压等级线路的绝缘不会构成威胁，仅在35kV及以下的线路中可能会产生一些闪络事故。§7.4.1集电线路的感应过电压§7.4.1.1感应过电压的特点风电场电气系统防雷与接地131.当雷击点离开线路的距离s大于65m时•（1）导线上方无避雷线•（2）导线上方挂有避雷线2.雷击线路杆塔时•（1）导线上方无避雷线•（2）导线上方挂有避雷线§7.4.1.2感应过电压的计算风电场电气系统防雷与接地14导线上的感应电压最大值(kV)为式中s——雷击点与线路的垂直距离，m；hd——导线悬挂的平均高度，m；I——雷电流幅值，kA。1.当雷击点离开线路的距离s大于65m时（1）导线上方无避雷线dgd25IhUs风电场电气系统防雷与接地15当雷电击于挂有避雷线的导线附近大地时，则由于避雷线的屏蔽效应，导线上的感应电荷就会减少，从而降低了导线上的感应过电压。导线上的感应过电压最大值（kV）为式中k0——为避雷线与导线之间的几何耦合系数；hd——导线悬挂的平均高度；hb——避雷线悬挂的平均高度。1.当雷击点离开线路的距离s大于65m时（2）导线上方挂有避雷线'gd0dbgd(1)hUUkh风电场电气系统防雷与接地16目前，规程建议对一般高度（约40m以下）无避雷线的线路，此感应过电压最大值可用下式计算式中α——感应过电压系数（kV/m），其数值等于以kA/计的雷电流平均陡度，即α=。2.雷击线路杆塔时（1）导线上方无避雷线gddUah/2.6I风电场电气系统防雷与接地17有避雷线时，由于其屏蔽效应，应按下式计算2.雷击线路杆塔时（2）导线上方挂有避雷线'bgdd0d(1)hUahkh风电场电气系统防雷与接地18雷击档中避雷线雷击塔顶绕击导线输电线路遭受直击雷可能出现下面三种不同的情况，如图7-9所示。①雷击杆塔塔顶及塔顶附近避雷线（以下简称雷击杆塔），可能会造成“反击”，使线路绝缘子发生冲击闪络。②雷击档距中央的避雷线，可能会造成导、地线之间的空气间隙发生击穿。③雷绕过避雷线而击于导线，也称绕击，通常会造成线路绝缘子串发生闪络。§7.4.2集电线路的直击雷过电压和耐雷水平图7-9有避雷线线路发生直击雷的三种可能情况风电场电气系统防雷与接地191.“反击”的概念当雷击杆塔时，极大部分雷电流会通过杆塔接地装置流入大地。巨大的雷电流会在杆塔电感和杆塔接地电阻上产生很高的电位，使原来电位为零的接地杆塔带上了高电位，此时杆塔将通过绝缘子串对导线逆向放电，造成闪络。由于这种闪络是由接地杆塔的电位升高所引起的，故又称为“反击”。§7.4.2.1雷击杆塔塔顶时的线路耐压水平LgtiRchLbibigt2Lb2LbigtLgtiRchib/2ib/2ZbZbuhdudxutdZ0(i/2)Z0Zgt(a)雷击塔顶时的电位分布(b)雷击塔顶时的电流分布(c)计算塔顶电位的等效电路图7-10雷击塔顶风电场电气系统防雷与接地201.等值电路图及雷击点电压雷击避雷线档距中央如图7-11(a)所示，根据彼得逊法则可画出它的的等值电路，如图7-11(b)所示。§7.4.2.2雷击避雷线档距中央12Z02(1/2iZ0)ZbZbAZ0ZbuAuAl(½)iZ0AsZb0ZbZsi图7-11雷击避雷线档距中央及其等值电路图1——避雷线；2——导线；——雷电流；——雷道波阻抗；——避雷线波阻抗；——避雷线与导线之间的空气气隙；（a）线路示意图（b）等值电路图风电场电气系统防雷与接地21雷击点A的电压为(7-50)式中i—雷电流。在计算中可以近似地取。代入式(7-50)可得(7-51)000022()222bbAbbZZZiuZiZZZZ02bZZ4bAZui风电场电气系统防雷与接地222.避雷线与导线之间的空气气隙s上所承受的最大电压。雷击避雷线档距中央时，雷击处避雷线和导线之间的空气气隙电压Us与雷电流陡度a成正比，与档距长度l成正比。为了防止空气间隙被击穿，通常采取的办法是保证避雷线与导线之间有足够的空间距离。根据理论分析和运行经验，我国规程规定档距中央导线、地线之间的空气距离s(m)可按下列经验公式选取(7-55)式中l——档距长度，m；s——导线与避雷线之间的距离，m。0.0121sl风电场电气系统防雷与接地231.雷击点的电压绕击导线时雷击点的电压(7-56)考虑过电压情况下导线上会出现电晕，取Zd约为400Ω，故有(7-57)式中i——雷电流§7.4.2.3绕击导线时的线路耐压水平4ddZUi100dUi风电场电气系统防雷与接地242.耐压水平I2的计算如果绕击时导线上的电压Ud超过绝缘子串的50%冲击闪络电压U50%，则导线将发生冲击闪络。此时，绕击导线时的线路耐压水平I2为(7-58)50%2100UI风电场电气系统防雷与接地25雷电过电压引起集电线路直击雷跳闸需要同时满足以下两个条件：(1)雷电流超过线路耐雷水平，引起线路绝缘发生冲击闪络；(2)当极短暂的雷电波过去后，冲击闪络可能在导线上工作电压的作用下转变成稳定的工频电弧。一旦形成稳定的工频电弧，导线上将持续流过工频短路电流，从而造成线路跳闸停电。§7.4.3集电线路的雷击跳闸率风电场电气系统防雷与接地26建弧率是指冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率，用η（%）来表示。根据试验运行经验，建弧率η（%）可用下式表示(7-59)式中E——绝缘子串的平均运行电压梯度，kV（有效值）/m。对中性点直接接地系统(7-60)对非中性点非直接接地系统（中性点绝缘或经消弧线圈接地）(7-61)式中Un——线路额定电压(有效值)，kV；lj——绝缘子串闪络距离，m；lm——木横担线路的线间距离，m；§7.4.3.1建弧率0.754.514(%)E3njUEl2njmUEll风电场电气系统防雷与接地271．雷击杆塔时的跳闸率n1每100km有避雷线的线路每年（40个雷暴日）落雷次数为(7-62)式中b为两根避雷线之间的距离，m；hs为避雷线的平均对地高度，m。若击杆率为g，则每100km线路每年雷击杆塔次数为0.28(b+4hs)g次。若雷电流幅值大于雷击杆塔时的耐雷水平I1的概率为P1，建弧率为η，则每100km线路每年因雷击杆塔的跳闸次数n1为：(7-63)§7.4.3.2有避雷线线路雷击跳闸率n的计算sN=0.28(b+4h)110.28(4)snbhgP风电场电气系统防雷与接地282．绕击跳闸率n2设线路的绕击率为Pa，则每100km线路每年绕击次数为0.28(b+4hs)Pa，雷电流幅值超过绕击耐雷水平I2的概率为P2，建弧率为η，则每100km线路每年绕击跳闸次数n2：(7-64)3．线路雷击跳闸率根据运行经验，只要避雷线与导线之间的空气距离满足式(7-55)，则雷击避雷线档距中央时一般不会发生击穿事故，故其跳闸率为零。§7.4.3.2有避雷线线路雷击跳闸率n的计算220.28(4)snbhPP风电场电气系统防雷与接地29所以线路雷击跳闸率只考虑雷击杆塔和雷绕击于导线两种情况。故有避雷线的线路，雷击总跳闸率为：(7-65)§7.4.3.2有避雷线线路雷击跳闸率n的计算