適用于多雷暴天氣風電場的風電機組電涌保護器改進設計

　　1 概述
　　中國幅員遼闊，有些山區的年平均雷暴日多達60 天，國外風電機組的設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，在山區發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域內的高聳物來說要完全避免雷擊是不可能的，關鍵是要做到風電機組遭雷擊時盡快將雷電引入大地，盡可能減少經過電氣設備的雷電，盡量降低設備受損害的程度。
　　2 風電機組的一般防雷設計
　　風電機組雷電防護標準主要依據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的防雷保護標準。國內標準有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設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內，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，決定位于該區域內的電氣設備采用何種電涌保護器，實現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生的工頻續流。為了實現較低的殘壓水平，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，實現保護器整體性能的優化。
　　本文對常規性的風電機組防雷保護系統不再詳細展開敘述。
　　3 風電機組電氣防雷系統中SPD的改進
　　3.1 原有電氣防雷系統的配置和不足
針對山區雷暴多的氣候特點，我們仔細分析了風電機組的一般雷電防護系統，發現幾點不足：
　　（1）原有的電氣防雷系統設計為安裝二級SPD（圖1）。在主進線處安裝DP 440 型SPD 作為第一級保護（表1），在電氣控制系統變壓器（690V/230V）的兩側安裝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