適用于多雷暴天氣風電場的風電機組電涌保護器改進設(shè)計

　　1 概述
　　中國幅員遼闊，有些山區(qū)的年平均雷暴日多達60 天，國外風電機組的設(shè)計往往無法適應這樣的氣候條件。另外，與安裝在平地時主要承受直擊雷不同，在山區(qū)發(fā)生雷電反擊和繞擊的概率將大大增加，因此處于這些特殊氣候條件下的風電機組更易遭受雷害。
　　雷電是自然界中的一種放電現(xiàn)象，特點是時間短、電流強、頻率高、沖擊電壓大。雷電釋放的巨大能量會給風電機組的安全運行帶來極大危害，造成風電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣被擊穿、控制元器件燒毀等事故，因此要盡可能避免。但實際上，對于風電機組這種處于空曠區(qū)域內(nèi)的高聳物來說要完全避免雷擊是不可能的，關(guān)鍵是要做到風電機組遭雷擊時盡快將雷電引入大地，盡可能減少經(jīng)過電氣設(shè)備的雷電，盡量降低設(shè)備受損害的程度。
　　2 風電機組的一般防雷設(shè)計
　　風電機組雷電防護標準主要依據(jù)IEC TR 61400-24 WindTurbine Generator Systems –Part 24: Lightning Protection， 而該標準更偏向于風電機組遭遇雷電襲擊的統(tǒng)計報告，并大量參照IEC 62305、IEC 61643 和IEC 61663 等標準，實際上就是參照建筑物的低壓配電系統(tǒng)的防雷保護標準。國內(nèi)標準有GB 50057-1994、GB/T 18802.12-2006（等同于IEC 61643-12）、GB/T 18802.22-2008（等同于IEC 61643-22，2009 年11 月正式實施）、GB 50343-2004 等。
　　總的來說，風電機組的防雷系統(tǒng)設(shè)計主要采用等電位連接、屏蔽和隔離保護以及安裝電涌保護器（SPD）等措施來減少雷電的損害，其中安裝SPD 對防止雷電波入侵尤為有效。SPD 選用的原則就是在不同的防雷分區(qū)內(nèi)，按照不同雷擊電磁脈沖的嚴重程度和等電位連接點的位置，決定位于該區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備采用何種電涌保護器，實現(xiàn)與共用接地體等電位連接。SPD必須能承受預期通過它們的雷電流能量，并符合兩個附加要求：一是通過電涌時的最大鉗位電壓，二是有能力熄滅在雷電流通過后產(chǎn)生的工頻續(xù)流。為了實現(xiàn)較低的殘壓水平，需要采用多級保護器來進行可靠保護。多級保護器的設(shè)計就是綜合利用各保護元件的特點，將它們有機地組合起來，實現(xiàn)保護器整體性能的優(yōu)化。
　　本文對常規(guī)性的風電機組防雷保護系統(tǒng)不再詳細展開敘述。
　　3 風電機組電氣防雷系統(tǒng)中SPD的改進
　　3.1 原有電氣防雷系統(tǒng)的配置和不足
針對山區(qū)雷暴多的氣候特點，我們仔細分析了風電機組的一般雷電防護系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)幾點不足：
　　（1）原有的電氣防雷系統(tǒng)設(shè)計為安裝二級SPD（圖1）。在主進線處安裝DP 440 型SPD 作為第一級保護（表1），在電氣控制系統(tǒng)變壓器（690V/230V）的兩側(cè)安裝DG 275 型SPD 作為第二級保護（表2）。

圖1 風電機組的原防雷保護系統(tǒng)