第7章2-风电场防雷

§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2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3§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；4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5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6§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7§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。8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9§7.3.6电气系统的防雷保护四种雷电保护带10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11①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121.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13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14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15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16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17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181.“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(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191.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20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)

212.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。221.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232.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)24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25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261．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272．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28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291.架设避雷线2.降低杆塔接地电阻3.加强线路绝缘4.架设耦合地线5.采用消弧线圈6.装设自动重合闸7.采用不平衡绝缘方式8.装设避雷器§7.4.4集电线路的防雷保护措施30§7.5升压变电站的防雷与接地风电场升压变电站是风电场的枢纽，雷击会引起变压器等重要电气设备绝缘毁坏，造成供电区域内大面积、长时间停电，给国民经济带来严重损失，因此，风电场升压变电站的雷电防护必须十分可靠。升压变电站雷击保护直击雷：入侵波：避雷针或避雷线避雷器；进线段加装辅助防护措施31§7.5.1升压变电站的直击雷保护图7-12独立避雷针离配电构架的距离1—变压器；2—母线雷击避雷针时，雷电流流经避雷针及其接地装置，在避雷针h高度和避雷针的接地装置上将出现高电位。L为避雷针的等值电感；Rch为避雷针的冲击接地电阻；Sk为避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙；Sd为避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间在土壤中的间隙。32为了防止避雷针与被保护设备或构架之间的空气间隙Sk被击穿而造成反击事故，必须要求Sk大于一定距离：

(m)

（7-69）同样，必须要求Sd大于一定距离，Sd应满足下式(此处假设土壤的抗电强度为300kV/m)(m)（7-70）在一般的情况下，Sk不应小于5m,Sd不应小于3m。§7.5.1升压变电站的直击雷保护33§7.5.2升压变电站的侵入波保护安装避雷器限制雷电过电压正确选择避雷器的型号、参数；合理地确定避雷器接线；限制雷电波陡度及流过避雷器雷电流幅值34现在分析以变压器为保护对象，雷电波沿变电站进线侵入，避雷器连接点距离变压器连接点的最大允许电气距离，称为避雷器的防护距离，参见图7-13。§7.5.2.1避雷器的防护距离图7-13分析避雷器保护距离的简单回路35从保证防护的可靠性来说，最理想的接线方式是把避雷器和变压器直接并联在一起，但是，由于在变压器和母线之间还有其他开关设备，按照电气设备互相之间应留有一定的安全距离(保证绝缘)的要求，所以接在母线上的避雷器和主变压器之间必然会出现一段电气接线(见图7-14)，那么这段距离最大如何确定？§7.5.2.1避雷器的防护距离图7-14220kV变电站防雷电侵入波保护典型接线36为了简化分析，忽略避雷器的泄露电阻和变压器的入口电容，并假设侵入的雷电冲击波为斜角波头u(t)=at。由于变电所接线复杂，最大允许距离lmax是按典型变电站接线进行模拟实验确定的。此处只给出计算公式：

(7-71)式中，a为侵入波时间陡度，kV/μs。§7.5.2.1避雷器的防护距离37§7.5.2.2变电站的雷电侵入波防护接线大型变电站

：应经过计算或实验验证上述布置的安全性，并在适当位置增设避雷器

如果线路出口装有并联电抗器，而且通过断路器操作，则需在电抗器侧增设一组避雷器U≤220kV500kV在每一段(包括分段母线)可能单独运行的母线上都装设一组避雷器在每回路出口断路器线路侧装一组线路避雷器，每台变压器出口装一组所用避雷器

38变电站的进线段保护的作用是限制流经避雷器的雷电流和限制侵入波的陡度。另据运行经验证明，变电站因雷电侵入波形成的雷害事故约有50%是离变电站1km以内雷击线路引起的，约有71%是3km以内雷击线路引起的。这就说明加强变电站进线段的雷电防护的必要性和重要性。当lmax一经确定，为使避雷器能可靠地保护变压器，还必须设法限制侵入波陡度。对于已安装好的电气距离l，可求出最大允许陡度。同时，应限制流过避雷器的雷电流的大小，以降低残压，尤其是不能超过避雷器的额定通流能力，否则避雷器就会烧坏。§7.5.3升压变电站的进线段保护39雷电过电压在线路上感应产生的地点离变电站愈远，它流动到变电站时的损耗就愈大，其波陡度和幅值降得愈低。为此，可在距变电站1～2km的进线段加强防雷保护。通过在这段线路增设避雷线，使该段线路有更高的耐雷水平，减少进线段内绕击和反击形成侵入波的概率。这样经过1～2km线路的冲击电晕影响，不但削弱了侵入波的幅值和陡度，而且因进线段波阻抗的作用，也限制了通过避雷器的雷电流，使其不超过规定值，保证了避雷器的良好配合。这一措施称为变电站进线段保护。§7.5.3升压变电站的进线段保护图7-1535～110kV无避雷线线路的进线段保护段40另外，35kV及以上电压等级变电站进线段采用电缆线路时，在电缆线与架空线连接处，考虑波过程可能产生过电压，故应装设一组避雷器保护，并且使避雷器的接地端与电缆的金属外皮连接。如图7-19所示。§7.5.3升压变电站的进线段保护图7-1935kV及以上电缆进线段的保护接线41§7.5.4升压变电站变压器防雷保护§7.5.4.1三绕组变压器侵入波过电压及防护高、低压侧断路器均闭合，都有避雷器，任一侧沿线路侵入雷电波都不会对另一侧绝缘造成威胁低压侧可能开路，且对地电容小，当高压或中压有雷电波侵入，低压侧过电压，绝缘易损坏，需在一相绕组出口装设避雷器；低压绕组外接25m以上的全金属外皮电缆线路时，对地电容足以限制感应过电压，无需安装避雷器中压绕组可能开路运行，其绝缘水平较高，不需要装设避雷器；高、中压变比很大，中压绕组的绝缘水平比高压绕组低得多时，需要装设避雷器双绕组三绕组：正常运行

三绕组：特殊运行42§7.5.4.2自耦变压器侵入波过电压及防护自耦变压器静电分量使低压三相电位同时升高，因此只要在任意一相低压绕组出线端对地装一台避雷器，就可以限制其过电压，保护三相低压绕组。运行中，可能出现高、低压绕组运行，中压绕组开路，或者中、低压绕组运行，而高压绕组开路的情况。

高、中压自耦绕组三角形接线的低压非自耦绕组43雷电侵入波U0从高压端A侵入：其波过程与普通绕组相同，如图7-20(a)所示。此时在开路的中压端A´上可能出现很高的过电压，其值约为U0的2/k倍（k为高压侧与中压侧绕组的变比），可能引起处于开路状态的中压侧套管闪络。§7.5.4.2自耦变压器侵入波过电压及防护图7-20雷电波侵入自耦变压器时的过电压分布