周道剛， 楊紅新， 周文鈺， 余 兵

(1.貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，貴陽 550002；2.銅仁市防雷中心，貴州 銅仁554300；3.貴州省氣象臺，貴陽 550002；4.遵義市氣象局，貴州 遵義 563001)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電在我國發(fā)展非常迅速，僅貴州省行政區(qū)域范圍內(nèi)，到2017年止即有38個大型風(fēng)電場。由于風(fēng)電場風(fēng)電力發(fā)電機(jī)組是高度超過150 m的高大構(gòu)筑物[1]，且均設(shè)置在山頂(平原或海面)四周空曠位置，屬于典型的易遭受雷擊構(gòu)筑物；盡管雷擊是小概率事件，但雷電危害是影響風(fēng)電力發(fā)電機(jī)組乃至整個風(fēng)電場安全的因素之一，并對風(fēng)電場安全運(yùn)行造成了一定的威脅。

風(fēng)力發(fā)電防雷技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究基本同步，隨著風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊事例逐漸增多，相關(guān)刊物也發(fā)表了大量的防雷技術(shù)研究及風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊案列分析文獻(xiàn)，極大的促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)能力的提高。為了規(guī)范并指導(dǎo)風(fēng)電場建設(shè)，國家電網(wǎng)公司編發(fā)了《風(fēng)電場電氣系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)》技術(shù)手冊[1]；《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雷電保護(hù)》(GB/T 33629-2017)[2]、《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范》(GB/T 36490-2018)[3]等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也陸續(xù)頒布實(shí)施。這些科研成果、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對我國風(fēng)電場的防雷安全運(yùn)行起到了積極有效的指導(dǎo)作用。早期公開報(bào)道的雷擊案例多是風(fēng)機(jī)葉片遭受直擊雷擊，隨后陸續(xù)出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組地面“箱式變電站”(也稱開關(guān)柜或高低壓控制室，以下簡稱“箱變”)內(nèi)690 V電源電涌保護(hù)器遭雷擊爆炸、“箱變”內(nèi)690 V/400 V二次回路設(shè)備(特別是控制柜內(nèi)的光端機(jī))被雷擊損害甚至燒毀的事例，本研究就此進(jìn)行技術(shù)機(jī)理研討。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)施布置及結(jié)構(gòu)簡介

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)施布置概況

圖1為典型風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場平面布置示意圖。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平面布置圖Fig.1 Layout plan of wind turbine

圖2、圖3為常見35 kV風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)施設(shè)備實(shí)際布置情況。現(xiàn)場設(shè)施主要有風(fēng)塔(含頂部的風(fēng)機(jī)葉片、塔頂設(shè)備、機(jī)艙設(shè)備)、“箱變”及視頻監(jiān)控?cái)z像頭(圖2)；風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒一般高80 m，塔筒基礎(chǔ)邊沿距離“箱變”大約10 m～20 m。正常工作時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒頂部機(jī)艙內(nèi)發(fā)電機(jī)定子線圈送出的690 V交流電，沿塔筒壁(圖4(a))敷設(shè)的電纜至筒底，再由風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔底基礎(chǔ)內(nèi)電纜溝敷設(shè)至開關(guān)柜底部(圖4(b))；690 V電源在箱式變電站內(nèi)分為兩路，一路經(jīng)690/35 kV變壓器升壓至35 kV后，通過35 kV電纜由電纜溝送至總變電站(或升壓站)，并入35 kV(或110 kV)高壓電網(wǎng)；另一路經(jīng)690 V/400 V轉(zhuǎn)換至“箱變”低壓控制柜(圖5、圖6)，供低壓室內(nèi)二次回路設(shè)備工作用電。

圖2 風(fēng)機(jī)外場照片(2017年11月拍攝)Fig.2 Outdoor photo of wind turbine (taken in Nov.2017)

圖3 地面高低壓控制室照片(2017年11月拍攝)Fig.3 Photo of ground high and low voltage control cabinet (taken in Nov.2017)

圖4 塔筒內(nèi)電纜分布(2017年11月拍攝)Fig.4 Cable distribution in tower (taken in Nov.2017))

圖5 低壓控制柜布置情況(2017年11月拍攝)Fig.5 Layout of low voltage control cabinet(taken in Nov，2017)

圖6 低壓控制柜光端機(jī)(2017年11月拍攝)Fig.6 Optical transceiver of low voltage control cabinet(taken in Nov，2017)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣線路連接示意圖見圖7。

圖7 風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣線路連接示意圖Fig.7 Electrical circuit connection diagram of wind turbine

1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要設(shè)備及功能

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組“箱變”的電氣設(shè)備，主要用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的高壓開關(guān)以及和控制、測量、保護(hù)裝置、電氣聯(lián)結(jié)(母線)、外殼、支持件等組成，是生產(chǎn)廠家根據(jù)電氣一次主接線圖的要求，將相關(guān)高低壓電器(含控制電器、保護(hù)電器、測量電器)以及母線、載流導(dǎo)體、絕緣子等裝配在封閉的金屬柜體內(nèi)，作為電力系統(tǒng)中接受和分配電能的裝置；其符合“五防”防護(hù)要求：防止誤分誤合斷路器、防止帶電分合隔離開關(guān)、防止帶電合接地開關(guān)、防止帶接地分合斷路器、防止誤入帶電間隔。

“箱變”內(nèi)有一個主回路(一次系統(tǒng))和一個輔助回路(二次系統(tǒng))，包括電能匯集、分配、計(jì)量和保護(hù)功能電氣線路。主回路系統(tǒng)功能單元：1)主母線室；2)斷路器室；3)電纜室；4)繼電器和儀表室；5)柜頂小母線室；6)二次端子室。輔助回路(又稱二次系統(tǒng)回路或輔助設(shè)備，是對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)察、控制、測量、調(diào)整和保護(hù)的低壓設(shè)備)常見設(shè)備為:1)繼電器；2)電度表；3)電流表；4)電壓表；5)功率表；6)功率因數(shù)表；7)頻率表；8)熔斷器；9)空氣開關(guān)；10)轉(zhuǎn)換開關(guān)；11)綜合保護(hù)裝置等。二次系統(tǒng)終端設(shè)備(如綜合保護(hù)裝置、光端機(jī)等)電源由風(fēng)塔上部風(fēng)機(jī)引入開關(guān)柜內(nèi)的交流690 V電源，通過690 V/400 V供電轉(zhuǎn)換采用TN-S制式供電供給[1]。

風(fēng)機(jī)塔筒底部內(nèi)風(fēng)機(jī)啟?？刂齐娐穯与娐酚尚铍姵毓╇?，并由變電站(或升壓站)遠(yuǎn)程無線遙控控制，風(fēng)機(jī)啟動后，其脫離風(fēng)機(jī)主電源。塔筒底部、箱變內(nèi)二次回路控制信號線路基本為光纖線纜。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)典型雷擊事故案例

2.1 案例1

盤縣老黑山風(fēng)電場18號風(fēng)機(jī)2015年2月1日22:55遭受雷擊并停機(jī)，其他風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。風(fēng)機(jī)光纖接線盒、塔基柜溫控器及塔基指示燈電源線燒毀。管理單位技術(shù)人員檢查后判定為：通訊光纖防雷屏蔽線未按要求接地，雷擊時雷電沖擊電流過大導(dǎo)致光纖接線盒(圖8)起火，通訊中斷，同時將塔基柜內(nèi)指示燈電源線、光纖燒毀(圖9)，導(dǎo)致電源短路，風(fēng)機(jī)400 V開關(guān)跳閘，風(fēng)機(jī)停機(jī)。

圖8 雷擊燒毀的二次回路光端機(jī)(2015年2月)Fig.8 Secondary circuit optical transceiver burned by lightning (taken in Feb. 2015)

圖9 雷擊燒毀的二次回路光纖(2015年2月)Fig.9 Secondary circuit optical fiber burned by lightning (taken in Feb. 2015)

2.2 案例2

六盤水市盤縣長山箐風(fēng)力發(fā)電場自投入運(yùn)行以來，先后發(fā)生了4次雷電導(dǎo)致風(fēng)電場線路跳閘停運(yùn)事故。2015年11月18日發(fā)生出口開關(guān)速斷保護(hù)動作，開關(guān)跳閘，8臺風(fēng)機(jī)停運(yùn)；經(jīng)風(fēng)電場技術(shù)人員檢查發(fā)現(xiàn)，箱式變電站內(nèi)的690 V電纜終端頭被擊壞(圖10、圖11)、4至6號風(fēng)機(jī)35 kV電纜中間接頭擊穿(圖12)、光端機(jī)盒被擊穿燒毀(圖13)。

圖10 被擊穿的箱變電纜終端頭(2015年11月)Fig.10 Broken down cable terminal of box transformer (taken in Nov.2015)

圖11 電源電纜終端頭被擊穿(2015年11月)Fig.11 Breakdown of power cable terminal(taken in Nov.2015)

圖12 被擊穿的35 kV電纜中間接頭(2015年11月)Fig.12 Intermediate joint of broken down 35 kV Cable(taken in Nov.2015)

圖13 被擊穿的箱變內(nèi)光纜盒及光纖(2015年11月)Fig.13 Broken down optical cable box and optical fiber in box transformer(taken in Nov.2015)

2.3 案例3

2016年5月12日23:00左右，畢節(jié)市威寧海拉鄉(xiāng)大海子風(fēng)電場8號風(fēng)機(jī)(49.5 MW，圖14)的一葉片遭受直擊雷擊(圖15)，直擊雷電流進(jìn)入風(fēng)機(jī)內(nèi)至地面箱變，將690 V電纜接頭(圖16)、控制信號線路光纖擊毀，箱變內(nèi)690 V電涌保護(hù)器炸毀(圖17)，其爆炸時產(chǎn)生的氣浪將室壁沖擊開裂(圖18、圖19)。

圖14 遭受雷擊的8號風(fēng)電機(jī)(2016年5月拍攝)Fig.14 No.8 wind turbine of lightning strike(taken in May 2016)

圖15 遭受雷擊的風(fēng)機(jī)葉片(2016年5月拍攝)Fig.15 Fan blade subjected to lightning strike (taken in May 2016)

圖16 擊壞的高壓電纜頭(2016年5月拍攝)Fig.16 Damaged high voltage cable head (taken in May 2016)

圖17 爆炸的電涌保護(hù)器(2016年5月拍攝)Fig.17 Surge protector for explosion (taken in May 2016)

圖18 開裂的風(fēng)機(jī)箱變正面(2016年5月拍攝)Fig.18 Front of cracked fan case(taken in May 2016)

圖19 開裂的風(fēng)機(jī)箱變側(cè)面(2016年5月拍攝)Fig.19 Side of cracked fan case(taken in May 2016)

2.4 案例4

2018年3月25日01:34分，盤縣四格風(fēng)力發(fā)電場一期6號風(fēng)機(jī)遭受雷擊，風(fēng)機(jī)箱變內(nèi)變壓器高壓側(cè)B相套管損壞開裂、高壓側(cè)繞組絕緣損壞擊穿(圖21、22、23)，經(jīng)與廠家確認(rèn)同意變壓器吊拆下并返廠修復(fù)。

圖20 遭受雷擊的6號風(fēng)機(jī)(2018年3月拍攝)Fig.20 No.6 wind turbine by lightning stroke (taken in Mar.2018)

圖21 損壞的箱變安裝位置(2018年3月拍攝)Fig.21 Installation position of damaged box transformer(taken in Mar.2018)

圖22 雷擊損毀的箱式變壓器(2018年3月拍攝)Fig.22 Box transformer damaged by lightning stroke(taken in Mar.2018)

圖23 損壞開裂的變壓器高壓側(cè)B相套管(2018年3月拍攝)Fig.23 Damaged and cracked B-phase bushing on high voltage side of transformer (taken in Mar. 2018)

2.5 案例說明

本研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊案例來源于內(nèi)部資料[5]，案例發(fā)生時間較早，近幾年也陸續(xù)收集到一些風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊事例，事故損失情況基本形同本研究四個案例之一。相關(guān)風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷技術(shù)研究的科研文獻(xiàn)，主要集中在風(fēng)機(jī)葉片直擊雷擊、風(fēng)機(jī)內(nèi)部線路雷電過電流防護(hù)，以及接地地網(wǎng)改造方面[6～10]；關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)地面“箱變”內(nèi)設(shè)備雷擊損壞的機(jī)理分析文獻(xiàn)較少，特別是“箱變”內(nèi)690 V電涌保護(hù)器雷擊爆炸、控制柜內(nèi)通信用光端機(jī)遭雷擊燒毀原因解析文獻(xiàn)，幾乎沒有。風(fēng)電場管理單位對事故原因解釋也僅是認(rèn)為接地不良或風(fēng)機(jī)地網(wǎng)接地電阻過大(防雷裝置檢測報(bào)告顯示的接地電阻值在4 Ω～10 Ω之間，文獻(xiàn)[2]第9.1.3條規(guī)定為：設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)的沖擊阻抗應(yīng)盡量低；文獻(xiàn)[3]第6.3.1.1條規(guī)定為：單機(jī)工頻接地電阻值不應(yīng)大于10 Ω；文獻(xiàn)[4]第5.6.4條規(guī)定為：接地裝置的工頻接地電阻應(yīng)小于4 Ω)，甚至無法解釋雷擊事故的技術(shù)原因。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊事故類型

綜合風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷擊案例，主要有5種情況：

1)風(fēng)機(jī)葉片遭受直擊雷擊，葉片受損(面積小于0.5 m2)，但不影響風(fēng)機(jī)正常工作，也無其它設(shè)施設(shè)備損壞；2)風(fēng)機(jī)葉片遭受直擊雷擊，僅機(jī)艙內(nèi)發(fā)電機(jī)損壞；3)風(fēng)機(jī)葉片遭受直擊雷擊，葉片輕微受損(需要仔細(xì)觀察)，地面“箱變”內(nèi)二次回路部分線路焦化、儀表損壞(圖5)；4)風(fēng)機(jī)葉片遭受直擊雷擊，地面“箱變”內(nèi)690 V電涌保護(hù)器爆炸，“箱變”內(nèi)二次回路部分線路燒焦、光端機(jī)燒毀；5)風(fēng)機(jī)葉片遭受直擊雷擊，葉片輕微受損，風(fēng)機(jī)自保停機(jī)，人工重新啟動，風(fēng)機(jī)工作正常。

2)～5)事故類型損壞的設(shè)備情況表明：擊在風(fēng)機(jī)葉片上的直擊雷電流進(jìn)入了風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)部并下行到地面箱變內(nèi)，只是侵入的雷電流強(qiáng)度大小不同而已。但在風(fēng)電場雷擊事故中，某個風(fēng)機(jī)遭受雷擊時，其附近的風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍工作正常，不受任何影響；間接驗(yàn)證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個良好的金屬屏蔽體，外部雷擊電磁脈沖基本無法危害臨近風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙、塔筒及地面箱變內(nèi)線路和設(shè)備。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷技術(shù)誤區(qū)

4.1 直擊雷電流泄流路徑

公認(rèn)的結(jié)論之一是：雷電擊在物體上時雷電流活動具有趨膚效應(yīng)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)主體構(gòu)架是金屬屏蔽體，大多數(shù)技術(shù)人員及技術(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為擊在風(fēng)機(jī)葉片上的雷電流按趨膚效僅沿風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主體表層(金屬塔筒)泄流入地，即下行入地的路線是：風(fēng)機(jī)葉片(或葉片上的接閃器)、葉片引下線、輪轂主軸、輪轂主軸軸承、機(jī)艙軸承、機(jī)艙底座、金屬塔筒、接地裝置；相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)[1-4]也未考慮防護(hù)葉片主軸進(jìn)入發(fā)電機(jī)雷電流。然而，雷電流是沖擊電流，其活動規(guī)律還遵守歐姆定律，這是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)研究欠缺的。

從電氣電路角度，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈與定子線圈之間的間隙就是一個空氣放電間隙，即在輪轂主軸至接地裝置之間還有一個并聯(lián)電氣線路：輪轂主軸、空氣放電間隙(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子空氣間隔)、690 V電纜、箱變內(nèi)690 V電涌保護(hù)器、箱變內(nèi)等電位連接排、接地裝置；正常工作時空氣放電間隙為開路狀態(tài)，阻抗為無窮大，690 V電涌保護(hù)器未啟動保護(hù)時，也近似開路的高阻狀態(tài)。即正常工作狀態(tài)時，該路徑電氣特性是開路。

忽略主軸與機(jī)艙軸承間的接觸電阻、金屬塔筒體電阻、690 V電源線感抗及線電阻，則輪轂主軸對大地的電路原理圖見圖24，是一個典型的電源線路浪涌保護(hù)器原理圖。

圖24 風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸對地的電路原理圖

圖中，Z3為塔筒筒體感抗，Z4是風(fēng)機(jī)共用接地裝置接地阻抗，Z5發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子空氣間隔阻抗，Z6為690 V電涌保護(hù)器阻抗。塔筒筒體支路阻抗Z1、690 V電纜支路Z2阻抗分別為

Z1=Z3+Z4

(1)

Z2=Z4+Z5+Z6

(2)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸位置對“地”總阻抗Z：

(3)

正常狀態(tài)下，Z5≈Z6≈∞，所以，Z2≈∞，總阻抗Z=Z1=Z3+Z4

放電間隙與690 V電涌保護(hù)器同時動作(電氣短路)：Z5≈Z6≈0，帶入(1)、(2)、(3)得總阻抗：

Z≈0.5Z1。

(4)

此時，從葉片到達(dá)風(fēng)機(jī)主軸的雷電流由金屬塔筒和690 V電源線路兩個路徑均分泄流入地。

參見圖24，空氣放電間隙是電壓開關(guān)型器件，其開關(guān)電壓即是兩極之間的擊穿電壓；空氣擊穿場強(qiáng)為30 kV/cm，取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子線圈間距為2 mm(一般為1～2 mm)，則擊穿電壓為0.2×30=6(kV)。690 V電涌保護(hù)器是標(biāo)準(zhǔn)器件，其U1mA(啟動電壓)一般為2～2.8 kV，取U1 mA=2.8(kV)。即當(dāng)葉片主軸至箱變內(nèi)等電位連接帶之間的電壓達(dá)到8.8 kV時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將出現(xiàn)第二路雷電流入地路徑。

設(shè)雷擊風(fēng)機(jī)葉片時，主軸位置對地沖擊電壓為U(kV)，則：

(5)

式中:L為風(fēng)機(jī)塔筒單位長度電感，取1.5 μH/m；H為風(fēng)機(jī)塔筒高度，單位m；di/dt為首次雷擊電流陡度，單位kA/μs，I為擊在葉片上雷電流幅值，單位kA；R為塔筒工頻接地電阻值，單位Ω。

風(fēng)機(jī)塔筒高度80 m[1]，取塔筒接地電阻R=1 Ω、首次雷擊電流陡度di/dt=10 kA/μs，雷電流幅值I=1 kA，帶入(5)式，葉片主軸對地沖擊電壓：

=1×1+1.5×80×10

=1 201(kV)>>8.8 kV

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片主軸至大地之間，為兩個實(shí)際的電氣路徑：

1) 葉片(或葉片上的接閃器)、葉片引下線、輪轂主軸、輪轂主軸軸承、機(jī)艙軸承、機(jī)艙底座、金屬塔筒、共用接地裝置。

2) 葉片(或葉片上的接閃器)、葉片引下線、輪轂主軸、主軸發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、(轉(zhuǎn)子上的雷電擊穿空氣間隙向定子線圈放電)主軸發(fā)電機(jī)定子線圈、690 V電纜、箱變內(nèi)690 V電涌保護(hù)器、箱變內(nèi)等電位連接排、共用接地裝置。

第一個電氣路徑目所能及，廣為接受并研究其防雷技術(shù)，第二電氣路徑需要一定的機(jī)械、電氣、電路知識，目前鮮為認(rèn)知并進(jìn)一步研究，甚至不認(rèn)為存在該路徑，導(dǎo)致出現(xiàn)雷擊事故后無解的情況。阻斷雷電流到達(dá)葉片輪轂主軸是避免雷擊事故的關(guān)鍵，有一些介紹減小雷電流進(jìn)入機(jī)艙的方法[13]，但不能完全阻斷直擊雷電流進(jìn)入機(jī)艙，徹底消除隱患。

4.2 等電位連接

參見圖7、圖25。所有的箱變內(nèi)均有等電位連接排，供箱變內(nèi)690 V電源電涌保護(hù)器、690 V/400 V電源N線、35 kV金屬鎧裝層等電氣設(shè)備等電位連接，并由箱變外接地扁鋼(圖26)至接地裝置。

圖25 箱變等電位連接示意圖Fig.25 Schematic diagram of equipotential connection of box transformer

圖26 箱變接地扁鋼(2016年5月拍攝)Fig.26 Grounding flat steel of box transformer(taken in May 2016)

設(shè)風(fēng)機(jī)共用接地裝置接地電阻1 Ω，等電位連接排至接地裝置接地線長度為L=2 m；100 kA首次雷擊電流擊在風(fēng)機(jī)葉片上時，侵入到箱變等電位連接端子板電流為50 kA，帶入(5)式，等電位連接端子板對地沖擊電位為

=50×1+1.5×2×10

=80(kV)

該雷電沖擊電位轉(zhuǎn)移至二次回路，足以造成二次回路及附屬先關(guān)設(shè)備損壞。另一方面，按照電流均分原則，通過每相690 V電源電涌保護(hù)器沖擊電流為：50 kA/3≈17 kA；假設(shè)電涌保護(hù)器上下螺栓壓接連接點(diǎn)過渡電阻為0.1 Ω(標(biāo)準(zhǔn)要求小于0.2 Ω[4])，17 kA沖擊電流在螺栓壓接連接上下點(diǎn)之間電位差即可達(dá)1.7 kV瞬間高壓，該高電位差可能造成連接點(diǎn)瞬間“跳火”熔接或高溫或熔斷，甚至導(dǎo)致本研究案例1～案例3的電涌保護(hù)器爆炸。有文獻(xiàn)對這一危害過程機(jī)理進(jìn)行較為詳細(xì)的分析[14-16]，不再贅述。

箱變內(nèi)這種出廠設(shè)置的等電位連接方式，違背了“共網(wǎng)不共線”接地原則。簡單的一、二級回路電氣隔斷措施即可消除這個事故隱患，將690 V電涌保護(hù)器接地端并接于(增設(shè)的)40 mm×4 mm扁鋼接地端子板，用陶瓷絕緣子將接地端子板固定在箱變內(nèi)等電位連接板(或機(jī)架)，再將接地端子板用截面積不小于35 mm2多芯銅線接至箱變外接地扁鋼(電氣原理圖見圖27)；后續(xù)生產(chǎn)的箱變按此方法在箱內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的接地端子板并專設(shè)接地線端即可。

圖27 一二次回路電氣隔斷原理圖Fig.27 Schematic diagram of primary and secondary circuit electrical isolation

4.3 35 kV金屬鎧裝層接地

如圖28，35 kV金屬鎧裝層都是通過接線端子螺栓壓接于等電位連接端子板。35 kV電纜鎧裝層接地端子位置“跳火”、甚至鎧裝層熔斷(見圖10、圖11、圖16)、電纜溝內(nèi)35 kV電纜中間接頭金屬鎧裝層跳火熔斷(圖12)電路電氣原理同前。

圖28 35 kV金屬鎧裝層接地(2016年5月拍攝)Fig.28 35 kV metal armor grounding (taken in May 2016)

“一端接地”防雷技術(shù)可徹底解決這種“跳火”事故隱患[17-24]：“箱變”內(nèi)35 kV金屬鎧裝層箱變內(nèi)“懸空”不接地，電纜溝內(nèi)35 kV電纜另一端中間連接點(diǎn)接地，同時35 kV電纜溝內(nèi)增敷細(xì)沙或碎土覆蓋35 kV電纜，形成自然的鎧裝層對地放電間隙，既防止雷電流或共網(wǎng)接地可能出現(xiàn)的雷電地電位電流進(jìn)入鎧裝層，又能避免電纜中間連接點(diǎn)“跳火”[25-30]。

5 結(jié)論

1)實(shí)際電氣裝置和電路模型證明：正常工作狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輪轂主軸至塔筒接地裝置之間，應(yīng)是兩個并聯(lián)的入地電氣路徑，一個是低阻抗的風(fēng)機(jī)塔筒至接地裝置金屬組件，另一個是風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)輪轂主軸、空氣放電間隙、690 V電纜、電涌保護(hù)器至接地裝置入地的高阻抗電氣組件路徑。仿真計(jì)算表明：雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片時，高阻抗的電氣組件路徑將轉(zhuǎn)化為低阻抗電氣泄流路徑，進(jìn)入風(fēng)機(jī)機(jī)艙葉片輪轂主軸的雷電流經(jīng)兩個低阻抗路徑均分入地散流。

2)“箱變”內(nèi)錯誤的等電位連接破壞了690 V/400 V電源系統(tǒng)一、二次回路的電氣隔斷。第二路徑雷電流可能導(dǎo)致箱變內(nèi)690 V電源電涌保護(hù)器過熱爆炸、在等電位連接排位置產(chǎn)生瞬態(tài)雷電高電位并轉(zhuǎn)移至二次回路，導(dǎo)致“箱變”內(nèi)二次回路設(shè)備及相關(guān)線路雷擊損壞。