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[摘 要]就目前为止，我国风电机组过电压保护与防雷接地设计行业标准及国家标准尚未建立完善。为了实现风电行业的健康发展，风电系统中风电机组过电压保护体系急需健全，该体系主要针对机组配套升压设备保护、接地装置、感应雷保护、直接雷保护等方面的内容。在本案，笔者对风电系统中风电机组过电压保护与防雷接地设计方案做了系统地阐释，这对风电场设计及风力发电意义重大。
[关键词]风电机组 过电压保护 防雷接地
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0061-01
一、前言
在我国，风力发电为新兴产业，在风力发电系统中，过电压保护与防雷接地问题普遍存在，其主要包括：场内输电线路、风电场升压站、风电机组。风电机组——接地装置、感应雷保护、直击雷保护、机组配套升压设备保护等；升压站——接地装置、操作过电压、消弧消谐、配电装置侵入雷电波保护、直接雷保护等；场内输电线路——通过架空线路防雷、接地、过电压保护及通过电缆输电方式接地、过电压等。
针对升压站、防雷接地、输电线路过电压保护，我国电力系统已经建立了相关规范要求，但是，由于风电场所处地形条件及风电本身结构存在特殊性，所以，风电场过电压与防雷接地亦表现出某些个性特点。
二、风电机组过电压保护与防雷接地
针对风电机组自身特点及功能特点，风电机组安装位置主要选择于草原、高山、滩涂、海岛等空旷地带，理由是该地带风力资源丰富。但是，这些空旷地带大多为雷击高发地带，风电机塔筒高达60～70米，亦有超过100米的大容量机组。所以，驱动设备及发电机组均位于高空位置，受雷击损坏率高，风电机出口电压多为690伏。
风电机组过电压保护与防雷接地应对机组配套升压设备、基础接地系统设计、感应雷保护、直击雷保护方面重点考虑。
（一）直击雷保护
由于风电机塔筒高，受雷击机率大，所以，必须加强风力发电机防雷击防范措施。
风力发电机组结构主要包括支撑塔筒、叶片、控制装置、液压系统、偏航装置、变桨变速装置、齿轮箱、转子、发电机等。由于风电机机舱受直击雷击打概率很大，所以，应将风电机机舱安置于合适位置，且很有必要在机舱上部及侧部装设适当数量的接闪杆，以防止机舱上部及侧部受雷击打，造成机舱内部设备受损；各叶片顶端均安装两个雷电接收器，以此确保叶片受雷击打，通过导线传到叶片轮毂；顺着尾舵外廓设置导线， 以此接闪、导通电流，传送至水平轴；为了减轻大型机组重量，其机舱外壳材料通常选用的是复合材料， 且在机舱外面应该装设金属丝网（网格形式），其主要用于接闪、屏蔽， 其网孔大小应该控制在3*3厘米～ 4*4厘米，具体施工视情况而定，必要时可放大金属丝截面及缩小网孔。
关于水平轴与尾舵、塔柱间与水平轴、机舱间与风轮、部分旋转与活动部分间的连接导线，必须以具体情况为依据，对其进行科学设计、精心安装，且设置两根连接导线最佳。理由是：连接导线由于长时间工作及振动等外力的作用，其材料易出现疲劳或断裂。如果导线材料受损，雷电流会沿着轴承处油膜放电，从而烧损轴承、主轴接触部件，且导电只需被雷电击打几次便可能造成相关部件的损坏。借助以上连接操作，可以实现装置于电气连为一体。此时，尽管机舱等点易受到直击雷击打，但是其均能顺着塔柱以最短路线进入接地装置，最终流向大地。
（二）感应雷保护
感应雷保护装置的作用在于对风电机组内受感应雷击打过电压破坏的设备装设电压保护装置。若设备受到电压侵蚀，电压保护装置会及时释放能量，从而避免设备受损。感应雷击过电压防护类型主要包括信号防雷及电源防雷。
电源系统避雷过压保护措施应该实行三级防护，且有必要安置电涌保护器。在电涌保护安装时，必须严格按照接地线就近接地、靠近受保护设备原则。风电机组电源入口部位装设的防护设备应为第一级电涌保护，且其残压不宜大于4千伏；将第二级电涌保护器安装在发动机整流器、转子、定子，其具体安装位置为塔架配电柜或机舱内部，从而实现电涌保护效果最大程度实现；待第二级浪涌保护器雷电流泄放后，第三级浪涌保护器能够实现线缆雷电流的继续泄放，从而实现频域避雷及终端能域避雷合二为一。
（三）接地系统
雷电流流向大地的流程为：借助风电机自身风雷装置→电流进入接地装置→流向大地。基于这一作用原理，必须做好风力发电接地措施。
参考IEC62305-3、风力发电机机组厂方要求，单台风机冲击接地电阻应该被控制在10Ω范围内，需要注意的是：国内外风电机机组生产厂家要求存在异议，就高土壤电阻率地区而言，其仍然具有很强的现实意义。由于无法借助测量手段获取冲击接地电阻，所以，必须事先将单台风电机组接地网工频接地电阻测算出来，再依据工频接地电阻与冲击接地电阻间联系，获取冲击接地电阻值。与此同时，各工程地质特征间存在差异，风电机安装位置亦不同（海滩滩涂边、海岛、高山等）。针对同一工程，由于各风电机安装位置地质条件差异，其土壤电阻率通常会在一个大的范围内：几百Ω～几万Ω。此外，风电机冲击接地网有效半径关系到土壤电阻率，即有效半径随着土壤电阻率的增高而扩大。所以，只有单独计算单台风电机，才能实现机组接地电阻的需要。
（四）机组配套升压设备保护
现目前，风力发电机出口电压值通常是690伏，所以，借助箱式变压器升高电压到10千伏、35千伏之后在输送至升压站很有必要，而且箱式变压器通常设置于风电机周围，所以，直击雷暂不考虑。参考《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）规范，风电机升高电压设备工频接地电阻应该被控制在4Ω范围内。风电机升高电压设备接地应该对风电机基础接地网进行充分利用。
在升压变高压侧配套时，在变压器高压侧设置氧化锌避雷器保护设备，有助于避免变压器高压侧受到雷电侵入波的影响；与此同时，在变压器低压侧设置第一级电涌保护器，目的是最大程度保护风电机组内部设备，避免其被雷电侵入影响。
参考文献
[1] 杨文斌，周浩.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电压技术，2008，34（10）
[2] 杨文斌.风电系统过电压保护与防雷接地及其设计[D].2008.
[3] 杨文斌.风电系统过电压保护与防雷接地及其设计[A].2007中国电机工程学会高电压专委会学术年会论文集[C].2007.
[4] 赵双喜，王东，刘广东等.兆瓦级风力发电机组防雷电保护[J].电气技术，2011，（12）
[5] 张钛仁.加快气象标准化步伐促进气象事业科学发展[J].中国标准化，2009，（11）：29-31.
[6] 王春虎.加快气象基本信息领域标准化发展为气象现代化建设提供技术支撑[J].中国标准化，2008，（5）：17-19.
[关键词]风电机组 过电压保护 防雷接地
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）10-0061-01
一、前言
在我国，风力发电为新兴产业，在风力发电系统中，过电压保护与防雷接地问题普遍存在，其主要包括：场内输电线路、风电场升压站、风电机组。风电机组——接地装置、感应雷保护、直击雷保护、机组配套升压设备保护等；升压站——接地装置、操作过电压、消弧消谐、配电装置侵入雷电波保护、直接雷保护等；场内输电线路——通过架空线路防雷、接地、过电压保护及通过电缆输电方式接地、过电压等。
针对升压站、防雷接地、输电线路过电压保护，我国电力系统已经建立了相关规范要求，但是，由于风电场所处地形条件及风电本身结构存在特殊性，所以，风电场过电压与防雷接地亦表现出某些个性特点。
二、风电机组过电压保护与防雷接地
针对风电机组自身特点及功能特点，风电机组安装位置主要选择于草原、高山、滩涂、海岛等空旷地带，理由是该地带风力资源丰富。但是，这些空旷地带大多为雷击高发地带，风电机塔筒高达60～70米，亦有超过100米的大容量机组。所以，驱动设备及发电机组均位于高空位置，受雷击损坏率高，风电机出口电压多为690伏。
风电机组过电压保护与防雷接地应对机组配套升压设备、基础接地系统设计、感应雷保护、直击雷保护方面重点考虑。
（一）直击雷保护
由于风电机塔筒高，受雷击机率大，所以，必须加强风力发电机防雷击防范措施。
风力发电机组结构主要包括支撑塔筒、叶片、控制装置、液压系统、偏航装置、变桨变速装置、齿轮箱、转子、发电机等。由于风电机机舱受直击雷击打概率很大，所以，应将风电机机舱安置于合适位置，且很有必要在机舱上部及侧部装设适当数量的接闪杆，以防止机舱上部及侧部受雷击打，造成机舱内部设备受损；各叶片顶端均安装两个雷电接收器，以此确保叶片受雷击打，通过导线传到叶片轮毂；顺着尾舵外廓设置导线， 以此接闪、导通电流，传送至水平轴；为了减轻大型机组重量，其机舱外壳材料通常选用的是复合材料， 且在机舱外面应该装设金属丝网（网格形式），其主要用于接闪、屏蔽， 其网孔大小应该控制在3*3厘米～ 4*4厘米，具体施工视情况而定，必要时可放大金属丝截面及缩小网孔。
关于水平轴与尾舵、塔柱间与水平轴、机舱间与风轮、部分旋转与活动部分间的连接导线，必须以具体情况为依据，对其进行科学设计、精心安装，且设置两根连接导线最佳。理由是：连接导线由于长时间工作及振动等外力的作用，其材料易出现疲劳或断裂。如果导线材料受损，雷电流会沿着轴承处油膜放电，从而烧损轴承、主轴接触部件，且导电只需被雷电击打几次便可能造成相关部件的损坏。借助以上连接操作，可以实现装置于电气连为一体。此时，尽管机舱等点易受到直击雷击打，但是其均能顺着塔柱以最短路线进入接地装置，最终流向大地。
（二）感应雷保护
感应雷保护装置的作用在于对风电机组内受感应雷击打过电压破坏的设备装设电压保护装置。若设备受到电压侵蚀，电压保护装置会及时释放能量，从而避免设备受损。感应雷击过电压防护类型主要包括信号防雷及电源防雷。
电源系统避雷过压保护措施应该实行三级防护，且有必要安置电涌保护器。在电涌保护安装时，必须严格按照接地线就近接地、靠近受保护设备原则。风电机组电源入口部位装设的防护设备应为第一级电涌保护，且其残压不宜大于4千伏；将第二级电涌保护器安装在发动机整流器、转子、定子，其具体安装位置为塔架配电柜或机舱内部，从而实现电涌保护效果最大程度实现；待第二级浪涌保护器雷电流泄放后，第三级浪涌保护器能够实现线缆雷电流的继续泄放，从而实现频域避雷及终端能域避雷合二为一。
（三）接地系统
雷电流流向大地的流程为：借助风电机自身风雷装置→电流进入接地装置→流向大地。基于这一作用原理，必须做好风力发电接地措施。
参考IEC62305-3、风力发电机机组厂方要求，单台风机冲击接地电阻应该被控制在10Ω范围内，需要注意的是：国内外风电机机组生产厂家要求存在异议，就高土壤电阻率地区而言，其仍然具有很强的现实意义。由于无法借助测量手段获取冲击接地电阻，所以，必须事先将单台风电机组接地网工频接地电阻测算出来，再依据工频接地电阻与冲击接地电阻间联系，获取冲击接地电阻值。与此同时，各工程地质特征间存在差异，风电机安装位置亦不同（海滩滩涂边、海岛、高山等）。针对同一工程，由于各风电机安装位置地质条件差异，其土壤电阻率通常会在一个大的范围内：几百Ω～几万Ω。此外，风电机冲击接地网有效半径关系到土壤电阻率，即有效半径随着土壤电阻率的增高而扩大。所以，只有单独计算单台风电机，才能实现机组接地电阻的需要。
（四）机组配套升压设备保护
现目前，风力发电机出口电压值通常是690伏，所以，借助箱式变压器升高电压到10千伏、35千伏之后在输送至升压站很有必要，而且箱式变压器通常设置于风电机周围，所以，直击雷暂不考虑。参考《交流电气装置的接地》（DL/T621-1997）规范，风电机升高电压设备工频接地电阻应该被控制在4Ω范围内。风电机升高电压设备接地应该对风电机基础接地网进行充分利用。
在升压变高压侧配套时，在变压器高压侧设置氧化锌避雷器保护设备，有助于避免变压器高压侧受到雷电侵入波的影响；与此同时，在变压器低压侧设置第一级电涌保护器，目的是最大程度保护风电机组内部设备，避免其被雷电侵入影响。
参考文献
[1] 杨文斌，周浩.风电机组过电压保护与防雷接地设计[J].高电压技术，2008，34（10）
[2] 杨文斌.风电系统过电压保护与防雷接地及其设计[D].2008.
[3] 杨文斌.风电系统过电压保护与防雷接地及其设计[A].2007中国电机工程学会高电压专委会学术年会论文集[C].2007.
[4] 赵双喜，王东，刘广东等.兆瓦级风力发电机组防雷电保护[J].电气技术，2011，（12）
[5] 张钛仁.加快气象标准化步伐促进气象事业科学发展[J].中国标准化，2009，（11）：29-31.
[6] 王春虎.加快气象基本信息领域标准化发展为气象现代化建设提供技术支撑[J].中国标准化，2008，（5）：17-19.