青藏高原地区风力发电机组的雷电工程防护设计

青藏高原地区风力发电机组的雷电工程防护设计

庄 严1 李 强2

工程师

1、2 电控事业部，新疆金风科技股份有限公司 Fangleiren.blog.sohu.com

摘 要：

青藏高原地区是我国风资源储备较为丰富的地区之一，对于高原地区的风电开发也是近年来热议的一个话题。但在高原地区建设风场防雷和接地是值得重点考虑的问题，高原地区的雷暴活动是非常活跃的，尤其冬季的干雷暴活动和高原的低气压对风力发电机电涌保护器选型有着很大的影响；其次，风力发电机组的接地问题同样不可忽视，高原冻土对接地系统的冻胀灾害将对风机基础、接地网选材造成破坏性的影响，本文结合高原地区的雷暴活动特点及高原冻土特点介绍了高原地区风力发电机组的雷电防护和接地工程设计。

关键词：青藏高原，风力发电机组，雷暴，防雷工程，接地，冻土

1. 高原地区建设风力发电厂的特殊性

地区的风资源储量超过50万kW,发电量达到12亿kW•h，国内各风电投资公司对该地区的风场投资充满了信心。而据相关资料表明，国际上目前还没有专门为海拔4000m的高度设计的风力发电机组，而对于高海拔地区的低温、雷暴、冻土等多方面因素对风力发电组的运行、寿命会存在的影响尚无实践运行数据。

根据国外数据和国内不完全统计数据，雷电已经成为导致风力发电机组停机的重要灾害性因素之一，而接地占风电场土建工程投资的比例也是逐年提高。本文就这两方面问题进行阐述。

2. 高原地区的雷暴活动及特征

雷暴活动与地理位置、气候特点有着密不可分的关系，内陆的雷暴主要是有锋面雷暴引起的，伴有少量的气团雷暴和地形雷暴，而高原地区的雷暴主要是由地形雷暴形成的。受全球气候变暖的影响，雷电流的强度和幅值也越来越大，2008年在西藏与四川交界地区曾观测到正闪304.2kA和负闪395kA；并且，青藏高原地区的雷暴日一般高于同纬度地区的雷暴日（如图2），雷暴日是对于该地区年雷电活动的直观记录，虽然高原地区

的雷暴日数多于内陆地区，但雷暴时明显低于内陆及沿海地区，样本数据表明高原地区的平均雷暴时为131h,而内陆地区的平均雷暴时均超过167h，部分沿海地区的平均雷暴时达到200h以上（图3）。

图1.西藏地区雷暴日等值线图

图2.青藏高原与内地年平均雷暴日数对照表

而对于风力发电机组而言，雷暴活动周期的对雷击后的维护也具有一定影响，青藏高原地区的雷暴初日与雷暴终日与内陆相比较同样存在较大差异，以北京地区为例：北京的雷暴初日为3月29日，雷暴终日11月4日（数据截止2004年）；高原地区的雷暴初日最早也在3月，雷暴终日则到了11月底；从风机维护角度而言，一旦风力发电机在冬季遭到雷击，其维护的成本是相对较高的，并且要承受低压缺氧条件和低温严寒的考验。

图3.青藏高原地区与平原地区的雷暴时对比

图4.青藏高原地区雷暴日

当然，以上数据虽然证明了高原地区的雷暴活动时间宽度较大，但同时也说明青藏高原雷电的特点是:面积小,雷云放电频繁,每次放电电流不大,即年平均雷暴日多,雷电强度小。在这种雷暴条件下，风力发电机组的电涌防护相对就可以基本忽略其最大通流量，而重点考虑其残压对设备的影响。

3. 高原地区风力发电机组的电涌防护及冻土接地问题

3.1高原地区风力发电机组的电涌防护问题

通过上述的说明，影响高原地区风力发电机组的雷电并不是最重要的问题，而且从国内相关叶片生产厂家得到的数据表明，雷击叶片占其装机叶片总量的比例不到1%，结合全国的数据也不到3%，并且，目前风力发电机组采用的叶片的防雷结构可以满足高原条件下的雷击通流量的要求。

3.1.1风力发电机组的防雷分区与电涌保护器的选型

对于风力发电机组的防护可以按照其防雷分区（图5）进行差异化设计,考虑到高原地区雷暴活动的特点，对电涌保护器的选择上重点考虑产品的UP对后续设备的影响。

图5. 风力发电机组的雷电分区

如在多雷区选用的放电管型SPD就可以考虑换为限制电压型SPD，对处于LPZOB与LPZ1区的变流器输出端、箱变低压端的B级SPD可选用In15kA的限压型SPD，LPZ1区C级环境下的发电机开关柜、主控柜、变桨柜等位置可选用In10kA的限制电压型SPD，而对处于LPZ2区的控制信号线路而言In5kA的线路保护完全可以满足实际要求。

3.1.2电涌保护器的低气压环境适型

对于在高原低压条件下使用的电涌保护器而言，其结构和原件与平原地区一样需要进行针对性的考虑，如开放间隙式电涌保护器不适合安装在风力发电机组中。因为，该种结构的SPD在通流时会发生电火花外泄，容易造成机舱内设备的燃烧而在高空发生火灾；此外，低海拔地区使用的电涌保护器在高海拔条件下使用会发生爆裂或失效的问题，在高海拔地区使用的SPD应通过《电工电子产品基本环境试验规程试验M: 低气压试验方法》标准中的规定的低气压实验，避免在实际的安装运行过程中造成保护失效或其他潜在隐患。

3.1.3电涌保护模式

目前，风力发电机组的电涌保护器安装主要存在的问题是，防雷公司推荐的电涌保护器熔断器工频电流值高于风力发电机组配电柜工频电流值，这种不当的配置违背了继电保护原理，不符合分级保护，逐级跳闸的保护顺序。而往往有些风机在实际安装SPD

中就不使用熔断器形成事实的优先保护。SPD的保护模式决定了SPD在动作后是否与电网脱离、是一次性保护还是冗余保护。保护的形式从另一层面决定了系统的稳定性。图6展示了优先保护与优先供电原理图，从途中可以看出，对于优先保护或者优先供电的区别仅是一条保险丝，但是针对于风力发电机系统电压尖峰较多的实际情况，采用优先保护的方式是不妥的。因为:SPD是电压敏感型器件，其启动周期一般在20-25ns左右，当系统波动电压达到SPD启动电压的时候SPD就会反复启动，严重时会直接对地短路，造成系统开关K1的短路造成系统停止供电。优先供电保护模式，是防止SPD在实际运行中因反复启动或者误动作造成系统对地短路时能够迅速脱离电网，避免造成系统开关K1的跳闸，从而起到优先供电的作用。

图6 优先保护与优先供电

而对于优先供电保护模式中，SPD输入端的断路器的选择是有一定条件的，对于开关型器件由于其启动后会形成工频续流，由于开关型SPD不具备自动灭弧的功能，所以在必须使用熔断器将SPD与系统隔离，避免造成断电事故，而对于限制电压型SPD由于其不存在工频续流问题，但其存在漏电流，一般小于0.3mA无法使厂家推荐安装的熔断器断路；同时，由于微型空气断路器在有雷电流通过时不会造成其断路，而雷电通过熔断器时会因熔断器所能够承受的雷电流等级不同而断路，所以当系统采用限制电压型SPD时应采用微型断路器。此外，优先供电与优先保护的特点：

（1）优先供电：在避雷器的安装时单独在增加避雷器的控制开关，这种安装方案有两种目的：

A．防止避雷器在发生故障时影响供电回路的正常工作，及时与供电系统脱离避免引起供电故障。

B．使用微型断路器优先保证了供电的连续性，即SPD遭受一次雷击后，当SPD通过漏流没有超过微型空气开关的动作下限时，SPD不会与电网脱离，能够多次雷电冲击，

实

现多次保护。

（2）优先保护：是指在避雷器的安装时与被保护设备共用分断器或熔断器。在系统遭受雷击时避雷器启动后，使被保护设备处于断电状态，从而起到优先保护的目的，缺点在于会因系统电压波动导致SPD频繁启漏流增大，形成对地断路导致系统的断电。

3.2风力发电机组在冻土条件下的接地设计

冻土，在我国的分类中分为：季节性冻土区、常年冻土区两大区域，季节冻土占全国总冻土面积的55%，多年冻土占20%左右；青藏高原地区的冻土就属于多年冻土，风力发电场的建设遇到的第一个问题就是如何在冻土区进行风机基础和接地的工程建设。

3.2.1在冻土区进行基础、接地施工所面临的问题

在冻土区进行基础接地施工首先面临的就是高土壤电阻率和冻胀灾害。高原冻土的平均土壤电阻率都在3000-5000Ω.M之间，对于风力发电行业常规要求的接地电阻4Ω而言是非常具有挑战性的。

图7.高原地区某实验采样点的土壤电阻率，单位kΩ.m

根据铁路相关资料显示在青藏线上遇到的最大问题就是冻胀灾害，由于冻土存在一定的冻胀系数，在进行风机基础设计时水泥基础与冻土及钢筋的冻胀系数不同，往往会造成基础开裂变形、当冻土处于消融期时会发生基础沉降等工程问题。

3.2.2冻土地区的接地工程设计

多年冻土区的接地设计，应开率实际情况，对于土壤电阻率在3000Ω.m以上地区如果严格按照风力发电机接地电阻4Ω执行其经济成本将成倍增长。对于，高土壤电阻率条件一方面可以考虑在局部范围内按照就近原则进行多机联合接地，工频接地电阻可放宽在10-30Ω之间。同时对于接地材料的选择，应避免使用容易形成金属电位差的材料，尽量避免使用铜材。在使用镀锌钢材时应考虑冻胀的问题，在焊接时做加强保护。由于多年冻土区的冻土层平均厚度均超过800mm，所以在实际施工时应尽量使水平接地体出于冻土层下，并且禁止使用化

学类降阻剂，由于化学类降阻剂需要大量的水稀释，大量的水会造成冻土层的加厚，并加重

冻胀灾害。可使用物理性降阻剂进行换土填充，同时在深层冻土区，冻土层厚度超过1000mm时，可考虑使用接地风筒，提高地网层的空气流动，降低冻土层的温度，达到稳定接地电阻的目的。图8给出了在冻土条件下天然承台基础的接地网设计方法，主要采用扩大地网面积与垂直接地体结合的方式，但在冻土区应考虑垂直接地体的实际施工难度，建议采用钢管作为垂直接地体。

图8.天然承台基础的地网设计

4. 结束语

对于风力发电机组在高原地区的建设问题，本文仅仅考虑了其中的一小部分，而对于高原地区风力发电机组面临的问题更多。在高原地区建设风力发电场在世界范围内也仅仅中国具有一定的地理条件，尤其在工程施工上可以借鉴青藏铁路在防雷、接地工程

中的问题解决方案，为风场建设提供了独一无二的优势资源。对于高原地区风力发电机

组的针对性防雷工程设计本文仅进行了浅析，由于工程经验实不足文中不免诸多问题，还希望读者包涵，欢迎交流。

参考资料：

1. 庄 严；东北浅层冻土工程结构设计. 第六届中国国际防雷论坛2007；

2. 关象石、 庄严、张远鹏；膨胀石墨材料在冻土环境中的接地应用.第六届亚洲（中日韩）国际防雷论坛2009；

3. 胡 玲 郭卫东等；青海高原雷暴气候特征及其变化分析.气象，2009年第11期

4. 邱传睿、安乾栋等；青藏线雷电活动规律及电子设备雷害防护方法的研究. 铁道通信信号 2002 年第38 卷第9 期

5. 庄 严 ；风力发电机直击雷的防护.风能设备2009年第10期

6. 四川省雷电监测公报.四川省气象局 2008