适用于多雷暴天气风电场的风电机组电涌保护器改进设计

　　1 概述
　　中国幅员辽阔，有些山区的年平均雷暴日多达60 天，国外风电机组的设计往往无法适应这样的气候条件。另外，与安装在平地时主要承受直击雷不同，在山区发生雷电反击和绕击的概率将大大增加，因此处于这些特殊气候条件下的风电机组更易遭受雷害。
　　雷电是自然界中的一种放电现象，特点是时间短、电流强、频率高、冲击电压大。雷电释放的巨大能量会给风电机组的安全运行带来极大危害，造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘被击穿、控制元器件烧毁等事故，因此要尽可能避免。但实际上，对于风电机组这种处于空旷区域内的高耸物来说要完全避免雷击是不可能的，关键是要做到风电机组遭雷击时尽快将雷电引入大地，尽可能减少经过电气设备的雷电，尽量降低设备受损害的程度。
　　2 风电机组的一般防雷设计
　　风电机组雷电防护标准主要依据IEC TR 61400-24 WindTurbine Generator Systems –Part 24: Lightning Protection， 而该标准更偏向于风电机组遭遇雷电袭击的统计报告，并大量参照IEC 62305、IEC 61643 和IEC 61663 等标准，实际上就是参照建筑物的低压配电系统的防雷保护标准。国内标准有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 月正式实施）、GB 50343-2004 等。
　　总的来说，风电机组的防雷系统设计主要采用等电位连接、屏蔽和隔离保护以及安装电涌保护器（SPD）等措施来减少雷电的损害，其中安装SPD 对防止雷电波入侵尤为有效。SPD 选用的原则就是在不同的防雷分区内，按照不同雷击电磁脉冲的严重程度和等电位连接点的位置，决定位于该区域内的电气设备采用何种电涌保护器，实现与共用接地体等电位连接。SPD必须能承受预期通过它们的雷电流能量，并符合两个附加要求：一是通过电涌时的最大钳位电压，二是有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。为了实现较低的残压水平，需要采用多级保护器来进行可靠保护。多级保护器的设计就是综合利用各保护元件的特点，将它们有机地组合起来，实现保护器整体性能的优化。
　　本文对常规性的风电机组防雷保护系统不再详细展开叙述。
　　3 风电机组电气防雷系统中SPD的改进
　　3.1 原有电气防雷系统的配置和不足
针对山区雷暴多的气候特点，我们仔细分析了风电机组的一般雷电防护系统，发现几点不足：
　　（1）原有的电气防雷系统设计为安装二级SPD（图1）。在主进线处安装DP 440 型SPD 作为第一级保护（表1），在电气控制系统变压器（690V/230V）的两侧安装DG 275 型SPD 作为第二级保护（表2）。

图1 风电机组的原防雷保护系统