廣西龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司 王梓旭

1 引言

在電力行業(yè)中，大部分可以用于發(fā)電的能源都是傳統(tǒng)能源，容易對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染，并且資源儲(chǔ)量有限，無法滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的無限需求[1]。為保障生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)發(fā)電行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國加大了可再生能源在發(fā)電中的應(yīng)用，不斷增加風(fēng)電、光伏風(fēng)電等比例，有效實(shí)現(xiàn)發(fā)電行業(yè)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整[2]。在眾多可再生能源中，風(fēng)力資源在我國分布范圍廣，可利用程度高，但是風(fēng)力發(fā)電用箱變?nèi)菀资艿嚼子晏鞖庥绊?，?dǎo)致在雷擊過程中損壞，直接影響到風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在風(fēng)力發(fā)電中，應(yīng)當(dāng)重視風(fēng)力發(fā)電用箱變雷擊的有效預(yù)防，保障發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)力發(fā)電用箱變雷擊損壞案例概述

西北某處風(fēng)電場某日19時(shí)21分，管護(hù)人員在聽到雷響后，發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場L—6號風(fēng)機(jī)電壓異常降低，風(fēng)機(jī)網(wǎng)側(cè)三相電壓都是150V，升壓站35kV 系統(tǒng)零序電壓很快從0.52kV 上升到0.81kV。為確保35kV 集電線路及風(fēng)電場內(nèi)各設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，管護(hù)人員立即將集電線路D 線121開關(guān)由原本運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)整到檢修狀態(tài)。基于當(dāng)時(shí)處于雷雨天氣中，為保障管護(hù)人員生命安全，沒有對風(fēng)機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場巡檢。第二天早8時(shí)30分對場L—6號風(fēng)機(jī)全面檢查，發(fā)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)機(jī)箱低壓側(cè)設(shè)備全部損壞。通過對D、E、F集電線路風(fēng)機(jī)的進(jìn)入線路121、122、123開關(guān)進(jìn)行負(fù)載使用，集電線路D 線帶15臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行；集電線路D 線帶1臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行；集電線路D 線帶8臺(tái)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行。

從風(fēng)力發(fā)電用箱變損壞狀況分析，高壓部分全部熏黑，所有內(nèi)部線路損壞，避雷針與引線銜接處損壞，電纜損壞程度不大，并且操作小室全部熏黑，熔斷器內(nèi)部物體裸露；低壓部分全部損壞，斷路器輸出線路及外殼有著顯著的燒蝕現(xiàn)象；風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)其他電氣設(shè)備未出現(xiàn)損壞。但是，從風(fēng)機(jī)電場監(jiān)控視頻而言，從19時(shí)開始整個(gè)風(fēng)電場開始產(chǎn)生異常雷雨天氣，并且有短暫冰雹出現(xiàn)，雷雨時(shí)間到23時(shí)，這說明風(fēng)機(jī)組故障出現(xiàn)時(shí)，L—6號風(fēng)機(jī)在雷雨天氣中，有著良好的雷擊產(chǎn)生條件。

3 風(fēng)力發(fā)電用箱變雷擊損壞原因分析

3.1 風(fēng)電場雷區(qū)情況

從雷雨天氣的氣象數(shù)據(jù)可知，整個(gè)風(fēng)電場都可能受到雷擊影響，導(dǎo)致整個(gè)區(qū)域電磁場強(qiáng)度是不同的。處于防護(hù)設(shè)備保護(hù)的電氣設(shè)備，不會(huì)受到直接雷擊，但是會(huì)有流入各個(gè)導(dǎo)體中的雷電流，造成電磁場強(qiáng)度很大程度出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。一般情況下，風(fēng)電場中電氣設(shè)備接觸的雷電流越小，電磁場強(qiáng)度衰減更快。

3.2 風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)中性點(diǎn)暫態(tài)地電位升高

在風(fēng)機(jī)組受到雷擊作用后，風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)中性點(diǎn)暫態(tài)地電位上升，計(jì)算式為：

式中：U0代表暫態(tài)地電位上升；Imax代表雷電流大??；ke代表分類系數(shù)；Ri代表沖擊接地電阻[3]。

在雷電天氣中，雷擊主要出現(xiàn)在風(fēng)機(jī)葉片和塔筒兩個(gè)部位上，應(yīng)當(dāng)結(jié)合三類建筑物體防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，第一次雷擊產(chǎn)生的電流大小是100KA。根據(jù)GB5007的內(nèi)容，需要按照分流系數(shù)、沖擊接地電阻等不同，對風(fēng)機(jī)葉片或者塔筒內(nèi)中性點(diǎn)暫態(tài)地電位上升多少進(jìn)行計(jì)算，風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)中性點(diǎn)暫態(tài)地電位上升詳見表1。

表1 風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)中性點(diǎn)暫態(tài)地電位上升 （單位：kV）

由表1可知，暫態(tài)地電位上升最小數(shù)值超過20kV，最大數(shù)值達(dá)到600kV，然而低壓部分設(shè)備在運(yùn)行過程中，依舊處于正常的絕緣數(shù)值為5kV，大部分設(shè)備無法對電位上升承受的，導(dǎo)致出現(xiàn)損壞。

從損壞過程來說，在雷雨天氣中，雷電波從風(fēng)電場的塔筒接地位置開始釋放到大地中，受到接地電阻的作用下，塔筒中心部位的點(diǎn)位會(huì)超過5kV，并且點(diǎn)位在分布過程，也是距離塔筒中心部位越近點(diǎn)位越高，距離中心區(qū)域越遠(yuǎn)電位就越低[4]。在整個(gè)雷電場中，人所處位置不同，所形成的電位差也是具有差異的，這就會(huì)產(chǎn)生跨步電壓，電位差如圖1所示。

圖1 電位差

基于在風(fēng)機(jī)中，中性點(diǎn)和箱變低壓中性點(diǎn)有著密切聯(lián)系，二者借助零線銜接過程呈現(xiàn)出一體化關(guān)系，如圖2所示，形成等電位。通過對接地系統(tǒng)的一起使用，導(dǎo)致箱變低壓中的中性線及高電壓等，都超過20kV；箱變外殼和接地區(qū)域都遠(yuǎn)離塔筒，基本上沒有電位。這些不同設(shè)備位置中形成的電位差，超過20kV，但是低壓部分正常運(yùn)行的電壓不能超過5kV，造成電壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低壓所能承受的極限值。因此，風(fēng)力發(fā)電用箱變中不同電氣設(shè)備在雷擊影響下，產(chǎn)生了大量過電壓，對不同設(shè)備產(chǎn)生了明顯作用，造成反擊效應(yīng)出現(xiàn)，導(dǎo)致在低壓回路持續(xù)進(jìn)行放電，直接出現(xiàn)短路現(xiàn)象，從此低壓設(shè)備損壞[5]。

圖2 風(fēng)電系統(tǒng)接線

風(fēng)機(jī)塔筒中有著諸多電氣設(shè)備，如低壓斷路器、變頻器等，雖然雷擊產(chǎn)生過程中，主回路電位也會(huì)開始上升，但是零線、接地設(shè)備、接地網(wǎng)等還是連接得非常有效，可以產(chǎn)生合理的等電位，導(dǎo)致零線和接地件形成的電位差異不大，避免對這些電氣設(shè)備造成影響。因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在建設(shè)中，將風(fēng)機(jī)內(nèi)中性點(diǎn)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變使用一個(gè)接地系統(tǒng)，這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變受到雷擊損壞的主要原因。

4 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)改進(jìn)措施

要想風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)有效，應(yīng)當(dāng)結(jié)合箱變損壞原因產(chǎn)生過程，對防雷設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理改進(jìn)，以此提升防雷效果，避免受到雷擊影響。應(yīng)當(dāng)將風(fēng)力發(fā)電場的電氣接地裝置和防雷接地裝置獨(dú)立設(shè)置，能夠有效保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變不會(huì)受到雷擊影響。在實(shí)際使用中，在雷擊產(chǎn)生過程中，也會(huì)形成很高的高電壓，但是二者沒有相互連接，風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的中性點(diǎn)無法受到高電壓影響，就難以造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變的中性點(diǎn)和相線間形成高電壓，保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變可以穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)合現(xiàn)階段使用的接地方式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變安裝位置與風(fēng)機(jī)塔筒距離越大，一旦雷擊產(chǎn)生過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變中性線、相線等對外殼形成的電位差異會(huì)非常高，增大了雷擊損壞程度；如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變與風(fēng)機(jī)塔筒距離不大，往往受到雷擊影響程度小。通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變和風(fēng)機(jī)塔筒的距離進(jìn)行縮短，可以有效將二者間的跨步距離拉近，就能夠降低雷擊過程中的電位差異大小，從而對箱變損壞概率進(jìn)行科學(xué)合理控制，避免受到嚴(yán)重?fù)p壞。

強(qiáng)化絕緣防護(hù)。一般情況下，在風(fēng)力發(fā)電變電箱使用的絕緣防護(hù)方式是非常多的，包括噴絕緣涂料、熱縮套管等方式。在進(jìn)行絕緣防護(hù)工作中，應(yīng)當(dāng)保障防護(hù)的完整性，確保絕緣材料實(shí)現(xiàn)完成覆蓋，對所有設(shè)備區(qū)域進(jìn)行有效防護(hù)；絕緣防護(hù)工作完成后，應(yīng)當(dāng)對檢查防護(hù)面積是否完整，不能出現(xiàn)金屬裸露的情況，將存在的問題進(jìn)行合理處理，有效避免雷擊產(chǎn)生。并且，在絕緣防護(hù)作業(yè)中，不能增加各類絕緣防護(hù)設(shè)備，需要使用塑料膜塑封，避免電氣設(shè)備出現(xiàn)絕緣材料涂料，有效保障設(shè)備運(yùn)行性能，降低風(fēng)電場絕緣施工造成的經(jīng)濟(jì)損失。在現(xiàn)有絕緣防護(hù)中，更多使用氧化鋅避雷器和絕緣涂料，這兩種方式是非常普遍的，也是可以做到綜合防護(hù)，有利于風(fēng)電場全面防雷目的實(shí)現(xiàn)，也可以有效降低雷擊事故出現(xiàn)，以此保障風(fēng)電場各類設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)力電場使用金屬管道。在輸電線路表面使用金屬管道，材質(zhì)是由鍍鋅鋼管構(gòu)成；安裝過程采用分半套。主要安裝位置是風(fēng)電場風(fēng)機(jī)和箱變塔筒設(shè)備外部的單芯電纜線，使用密封性安裝方式，有效確保外部金屬管和風(fēng)機(jī)緊密銜接，并且需要和接地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，增強(qiáng)金屬管的防雷系數(shù)，以此讓風(fēng)機(jī)設(shè)備在受到雷擊后，依舊可以正常穩(wěn)定運(yùn)行。依托風(fēng)電場地理環(huán)境情況，基本上都是由混凝土組成，但是這種施工環(huán)節(jié)對金屬管安裝增大難度，并且基坑中存在的電纜線，與接地網(wǎng)絡(luò)形成了非常強(qiáng)的耦合關(guān)系，導(dǎo)致難以增加金屬管。如果非常對金屬管增加，往往會(huì)對輸電線路和接地網(wǎng)絡(luò)間的耦合關(guān)系進(jìn)行破壞，導(dǎo)致輸電效率不高。因此，在接地網(wǎng)絡(luò)中的電纜不能使用金屬管進(jìn)行防雷。

一般情況下，防雷措施主要產(chǎn)生保護(hù)性作用，可以確保風(fēng)電場主體設(shè)備的運(yùn)行安全，對雷擊影響程度進(jìn)行削弱，避免雷擊產(chǎn)生的過電流或者過電壓對風(fēng)電設(shè)備產(chǎn)生影響，以此提升風(fēng)電場的防雷強(qiáng)度。在實(shí)際選擇防雷施工措施中，需要對風(fēng)電場地理環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，選擇出最適合的防雷措施，既可以保障風(fēng)機(jī)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，也可以增強(qiáng)風(fēng)機(jī)防雷系數(shù)?；谶@種情況下，該西北地區(qū)風(fēng)力風(fēng)電場在后續(xù)建設(shè)中，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變和風(fēng)機(jī)塔筒距離進(jìn)行合理控制，經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行后，基本上沒有產(chǎn)生雷擊損壞故障。

5 結(jié)語

在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，是由諸多電氣設(shè)備組成的，通過對各類設(shè)備的有效運(yùn)行，才能保障整個(gè)發(fā)電工作穩(wěn)定開展。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變很容易受到雷雨天氣影響，如果在雷擊過程中產(chǎn)生過高電壓，往往會(huì)造成箱變設(shè)備部分出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，直接導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，影響到供電穩(wěn)定性。基于這種情況下，為保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)對存在的雷擊問題進(jìn)行合理處理，通過對防雷設(shè)計(jì)水平進(jìn)行提升，從接線裝置設(shè)計(jì)和安裝距離兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，有效對雷擊影響進(jìn)行避免和降低，以此實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電場未穩(wěn)定運(yùn)行。