风电机组过电压保护及防雷接地设计分析

风电机组过电压保护及防雷接地设计分

析

摘要:基于工程设计案例，论述了风电机组过电压保护措施、防雷接地设计原则，并采取直击雷保护、感应雷保护、接地系统、机组配套升压设备保护等方案，以提高风电机组运行安全性能。希望通过本文的相关研究，为风电机组过电压保护及防雷接地设计提供思路，为相关人员提供参考。

关键词：风电机组；过压保护设计；防雷接地设计；

0引言

风力发电产业以风力系统发电，作为我国新兴产业类型之一，在系统运行的过程中人们对过电压保护和防雷接地设计问题格外关注。基于案例分析可知，有效的过电压保护措施干预、防雷接地方案应用，对提高风电机组的运行安全性能有积极作用，是提高风力发电质量的关键。

1风电机组具有的特点

基于风电机组特征、功能分析，风电机组需安装在空旷的平原地区或高海拔区域，更好的利用风力资源提高发电效率。但是高海拔地区、空旷平原地区的雷击几率明显升高，对风电机组的正常运转产生了不利影响。根据资料分析，现阶段投入使用的风电机组出口电压多为650KV。

2工程设计实例

某风电场风电机组均为进口产品，共设置风电机组15台，采用两级升压的方式运行，出口电压为650KV。每台风电机组周围配备了箱式变压站以提高风电机的运行稳定性，对其实际运行状况分析可知，4台风电机组串联为一个工作单元，串联方式为经升压站借助10kv 电缆将4个风电机组串联，升压站内配备主变压器进行系统控制，识别4台风电机组的电压数据，升压水平达到110KV则将其输送至电力系统。

该风电场位于高山区域，海拔1500m，风电场区域土层结构以风化岩、基岩为主，岩石性质为石英岩、片麻岩，碎石土层内还含有丰富的云母，特殊的地质结构导致该区域电阻率

水平较高。结合当地地质勘测资料和土壤电阻率试验结果可知，该风电场山地的土壤电阻率

最高为4400Ω，长期强风化因素的影响下，岩层电阻率水平较高，平均值在1300Ω-

25000Ω之间，基岩电阻率最高值可达25000Ω。

3风电机组过电压保护与防雷接地设计

3.1直击雷保护

风力发电机组的主要构造包括液压系统、变梁加速装置、支撑塔筒、发电机、转子等，

由于风力发电机组位于高山区域，易遭受雷电打击，需将风电机机舱安置在合适区域以降低

雷击几率，避免机舱内部关键设备受损。与此同时，叶片顶端安装两个雷电接收器，降低叶

片被雷击的几率。机舱外壳采用复合材料减轻发电机组重量，机舱外壳网孔大小控制在3-

4cm，根据项目需求和施工条件合理设置间距，并在必要情况下缩小网孔。

根据现场情况和项目需求调整塔柱与水平轴、部分旋转与部分活动部分、水平轴与尾舱

间的导线，通过科学配备提高合理性，精心安装使其处于最佳状态。各构件连接导线过长，

长时间工作下在振动、外力作用等因素的影响下，导线材料易破损。使用过程中，如果连接

导线受损，则会增加风力发电机组的雷击风险，雷电流沿着轴承油膜放电，导致主轴接触件、轴承、电机等重要设备被烧毁。通过对导线的合理布置，实现电气装置连伟一体，将最短线

路接地，遭遇雷电打击时，把雷电流引入大地，避免烧毁风力发电机组设备。

3.2感应雷保护

感应雷保护装置安装在风力发电机组内部，避免关键设备遭遇雷击损坏，起到保护作用。雷电保护装置从本质上而言是一种过电压保护设备，风力发电机组设备电压受损的情况下，

过电压保护装置第一时间释放能量，从而保护发电机组关键设备，避免其遭受雷击烧毁。感

应雷击过电压保护的类型包括电源防雷和信号防雷两种。电源防雷为三级防护等级，可以理

解为电源系统壁垒过压保护系统，通过发电机组关键设备与电涌保护器联用，避免发电机设

备被雷电击毁，从而起到保护作用。电涌保护器安装时，需采取接地线保护和就近保护的原则，确保其合理安装，真正意义上发挥过电压保护作用。应于风电机组电源进出口位置安装

防护装置，根据实际情况分析该防护装置多选用一级防护电涌保护装备，避免电源开关被雷

击受损。为确保发电机系统稳定运行，需将残压控制在4KV以下水平，同时在发动机整流器

位置同样安装电涌保护器进行保驾，该电涌保护器的保护级别为二级。发电机整流器上电涌

保护器安装的具体位置应当结合项目需求和配电柜大小等合理确定，从而将电涌保护器的作

用发挥到最佳水平。安装完二级电涌保护器后，结合实际情况进行三级电涌保护器的安装，

结合实际应用多将其安装在电缆上，及时将雷电流释放，实现频段避雷和终端避雷的协同作用，共同发挥出防雷击效果。

3.3接地系统

本文中的风力发电机场位于山地区域，根据风电机组的设置要求和参数设置，单台风电

机接地电阻需将冲击流控制在10Ω水平以下。根据现阶段我国风电机组的生产特征及不同

区域的安装特点，高土壤环境下，一般区域电阻率水平较高，对风电机组接入接地系统十分

必要，是有效妨碍累计保护发电机组生产安全的重要保障措施。

由于难以采用直接测量的手段获取冲击接地电阻的数值，因此需提前将单台风电机组与

接地网工频电阻接入，随后根据工频接地电阻和冲击接地电阻之间的关系加以换算。不同地

质条件下，冲击接地电阻水平有所差异，且地质条件基本一致的情况下，风机安装位置不同

也会影响冲击接地电阻值的选择。因此，由于不同风力发电机安装位置不同，对应的地质条

件有所不同，因此即便是统一项目工程，土壤电阻率也会从几百Ω到几万Ω，在实践中需

要结合具体项目特点进行单台风力发电机接地电阻的具体计算和精准控制。

3.4机组配套升压设备保护

结合设计需求，本项目的风力发电机出口电压值为650V，在箱式变压器的作用下降出

口电压值升高至10-35千伏。出口电压输送到升压站时，多将箱式变压器设置于风电机附近，一般不会遭遇雷击，故忽略直击雷因素的影响。结合实际情况，风力发电机组升压设备的工

频接地电阻需小于4Ω，且风电机组升高电压接地需充分利用风电机组基础接地网。为提高

机组运行安全性，升压变高压侧多配套氧化锌避雷器保护设备，消除变压器高压侧可能遭受

的雷电干扰。

结论

本文基于工程设计案例，简要阐述风电机组过电压保护与防雷接地设计，提出直击雷保护、感应雷保护、接地系统设计、机组配套升压设备保护四种方案，确定了风电机组过电压

保护与防雷接地设计的详细措施和具体内容。结果显示，经过电压保护以及防雷接地设计风

电机组运行安全性明显提升，为保障风力发电产业的健康运行奠定了基础

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