《GB51096风力发电场设计规范》自颁发并实施已将近三年，主要内容包括：风能资源及发电量计算、电力系统、风力发电机组、电气、辅助及附属设施、建筑结构、环境保护与水土保持、消防、海上风电场等等章节，内容多但精炼，条文杂但精简，鉴于部分从业人员对本规范部分条文不甚了了，笔者不才，根据多年工作设计经验，愿就所知，以表己见，如有不当，烦请指正。
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7.3.2：风力发电场机组变电单元应符合下列规定：
4、机组变电单元可靠近风力发电机组布置，也可布置在塔筒外壁或机舱内，当选用组合式变压器或敞开式油浸变压器时，机组变电单元与风力发电机组的距离不应小于10m。
7.10.2：机组变电单元的过电压保护应符合下列规定：
1、机组变电单元可利用风力发电机组进行防直击雷保护，机组变电单元位于风力发电机组的直击雷保护范围之外，应采取防直击雷保护措施;
2、机组变电单元变压器的高、低压侧都应装设避雷器。
注解：本规范条文7.3.2条第4款关于机组变电单元与风力发电机组的距离不应小于10m的说法，具体可参考《GB50060 高压配电装置设计规范》7.1.11条：配电装置对建筑物及构筑物的要求：建筑物与户外油浸变压器的外廓间距不宜小于10000mm，从而得出本规范条文10m的说法，是从防火安全的角度考虑的。根据本规范条文7.10.2条第1款，机组变电单元可利用风力发电机组进行防直击雷保护，又是建议机组变电单元又不应离风力发电机组太远，有个距离上限，否则应采取防直击雷保护措施。那么这个距离上限又是多少呢?机组变电单元能否受架空线金属杆塔防直击雷保护呢?折线法和滚球法在防雷计算中有何区别?防直击雷保护的措施又是哪些?下文将详细描述。
根据GB/T 50064 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》5.2.1条单支避雷针的保护范围，推算如下：
粗算模型如下：
由以上计算模型可知，当风力发电机组高度120m，机组变电单元高度为2.5m时，机组变电单元距风力发电机组的合理距离为10 以上计算模型是否存在问题呢?答：存在问题。 实际上，查看风力发电机组雷电保护系统IEC61400-24:2010《风力发电机组雷电保护》、NB/T 31039《风力发电机组雷电防护系统技术规范》、GL2010《风力发电机组认证指南》等国内外标准，风力发电机防雷计算模型是采用滚球法，而非前文所述的GB/T50064《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》中的折线法。 滚球法和折线法防雷计算区别如下： 1、滚球法以击距理论为基础，根据闪击距离(即放电距离)的大小确定避雷针(线)的保护范围。而折线法是以经验和小雷电冲击电流下的模拟试验为基础确定避雷针(线)的保护范围。 滚球法与折线法是雷电理论、模拟试验和雷击事故统计等研究的成果，它们所确定的保护范围在一定程度上是可靠的。 折线法的优点是对60m以下的避雷针保护范围较实用，运行经验表明此范围是可靠的。缺点是对60m以上的避雷针保护范围不如滚球法严谨。 2、滚球法对不同保护级别的建筑物规定了不同的滚球半径(我国规范和IEC标准略有不同)，见下表1.而折线法没有对保护范围进行区别。 3两种方法的对比。 ①随着建筑物防雷等级的下降，滚球法所确定的保护范围增大，而折线法所确定的保护范围不变。 ②第一、二、三类防雷建筑物避雷针的高度分别为10m、20m、30m以下时，两种方法所确定的保护范围相近。 ③避雷线分别为10m、20m、30m以下时，滚球法比折线法所确定的保护范围大;避雷针高度分别为20m、30m、40m以下时，两种方法所确定的保护范围基本相同。 ④随着避雷针(线)高度的增加，折线法比滚球法所确定的保护范围大得越来越多。 (5)第一类防雷建筑物用滚球法确定的保护范围过小，除非这类建筑物是低矮的且面积较小，否则无法用避雷针保护。对这类建筑物建议采用架空避雷网进行防直击雷。 对于避雷针(线)无法提供完全保护的空间范围或山区雷电活动规律比较复杂，避雷针(线)的绕击率较高的情况，应使用避雷带、避雷网及利用建筑物结构钢筋作为防雷装置，以提高可靠性。 综上，风力发电机组塔筒轮毂中心高度一般为70m以上，高者可达到140m，加上叶片叶尖避雷器的高度，风力发电机防雷高度一般都超过100m，此时，折线法已不再适用，而应采用滚球法，实物模型见图2。 下文按滚球法计算： 一、机组变电单元距离塔筒的距离计算： 据《GB 50057 建筑物防雷设计规范》附录D 滚球法确定接闪器的保护范围D.0.1条第1款、第2款 按1类防雷建筑计算，hr=30m 则，机组变电单元距离塔筒的距离应该为10m 更多及时、详细资讯请扫码关注“北极星风力发电网” 二、机组变电单元距离高压架空线路金属杆塔距离的计算 假设金属杆塔高度15m，机组变电单元高度2.5m。据《GB 50057 建筑物防雷设计规范》附录D式D.0.1-1及式D.0.1-2 则，机组变电单元距离塔架的距离应该小于14m。 故，综上可得机组变电单元的安装位置。(查阅相关规范，均没有提到机组变电单元受高压架空金属塔架的防直击雷保护的说明材料，在此不置可否。笔者认为，应按塔筒和高压架空线杆塔的高度在软件上进行防直击雷仿真模型计算，计算出两者共同的保护区域，此区域即时机组变电单元的理想安装位置。) 此时，机组变电单元位于LPZ0B区，即：本区内的个物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，不承受直接雷击，其他和LPZ0A一致。见图3。机组变电单元虽然能够避开直击雷，但仍旧受到雷击电磁脉冲及其他过电压的侵害，故在机组变电单元的高压侧应安装符合GB 11032《金属氧化物避雷器》的MOA，该MOA的选择应考虑中压线路的类型和系统的接地形式。参考值如下： MOA相关参数： -- 额定电压：51kV -- 持续运行电压：40.8kV -- 直流参考电压(1mA)：≥ 73kV -- 标称放电电流：5 kA(峰值) -- 陡波冲击残压： ≤154kV(peak) -- 雷电冲击残压： ≤134.0kV(peak) -- 操作冲击残压： ≤114kV(peak) 在机组变电单元的低压侧应安装符合GB 18802.1的浪涌保护器(SPD)。 如按IEC标准，机组采用最严格的滚球半径20m的雷电球来确定雷击点， 则：rx=20-=10.3m 与10m的距离非常有限，这对机组变电单元的实际安装位置是非常困难的。其中可以看出IEC标准和我国国标还是存在些许差异。 实际上，笔者所走过的风场中，机组变电单元距离风力发电机组距离基本均为10m至20m以内，一般为15m左右。笔者建议如不受地形限制，可以距塔筒近一些(不低于10m距离)，以便节省电缆和压损，但同时还应考虑机组附件地形、变电单元高压出线电缆距高压塔架的距离，故实际又应综合考虑。但仅从防直击雷角度而言，机组变电单元一般均能受风力发电机组防直击雷的保护。按前文，如果受地形限制，机组变电单元距离塔筒超过了18m(仅限于该计算模型)且又超出了高压金属塔架的保护范围，则机组变电单元会受到直击雷击中的风险，应采取防直击雷的措施，即机组变电单元需要单独安装接闪器和引下线，并连接到接地体的防直击雷的措施了…… 7.13.7：防雷和接地应符合下列规定： 1、风力发电场内35KV架空线路应全线架设地线，且逐基接地，地线的保护角不宜大于25度。 注解：据GB/T50064《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》5.3.1条第2款：少雷区除外的其他地区的220KV~750KV线路应沿全线架设地线。110KV线路可沿全线架设地线，在山区和强雷区，宜架设双地线。在少雷区可不沿全线架设地线，但应装设自动重合闸装置。35KV及以下线路，不宜全线架设地线。 5.3.1条第4款第3项：单地线线路保护角不宜大于25度; 在普通架空线路设计时，35KV架空线路一般不全线架设地线，但在变电站的进线段应采用图4所示接线。 由此可以看出，35KV风力发电场集电线路全线安装地线是一种特殊情况，是应全线架设地线的。综合考虑技术性、经济性因素，一般采用单地线满足实际要求，但地线保护角不应大于25度。这是对新能源发电可靠性、稳定性的一种保护，即增加资金投入，也要保证新能源发电系统的良好运行。 笔者所经历过的某些老风场，在雷雨季节经常发生雷击线路导致线路跳闸的事故、甚至发生绝缘子击穿、烧毁等现象。经调查发现该现象普遍发生在钢筋混凝土杆塔上，且风电场集电线路未架设地线。雷闪放电引起导线对地闪络是不可避免的，线路因雷击而跳闸一般条件如下： 1、雷击时雷电过电压超过线路的绝缘水平引起线路绝缘冲击闪络，但其持续时间只有几十微秒，因时间极短，继电保护来不及动作。 2、冲击闪络继而转为稳定的工频电弧，对35KV线路来说形成单相对地短路或相间短路，从而导致线路跳闸。 因钢筋混凝土杆塔接地水平不如金属杆塔，若接地电阻偏大，如果当雷击钢筋混凝土杆塔引起反击过电压时，雷电流导致杆塔塔顶电位升高，使绝缘子串电压升高，当绝缘子串所承受电压超过闪络电压时，引起绝缘子串内部放电而击穿，造成绝缘子损坏。况且钢筋混凝土杆塔导线水平线间距离、导线间垂直线间距离不如金属杆塔，雷击时发生相间短路、相对地短路的概率偏大，如果风电场主变中性点接地方式为低电阻接地，且风电场35KV集电线路未全线架设地线，在雷击情况下发生相间短路和单相接地的情况下就会直接引起线路跳闸。是故后期的风电场集电线路普遍采用金属杆塔，并全线架设地线，这大大的提高了集电线路的耐雷水平。 35KV线路全线架设地线时，需要注意导线与地线在档距中央的距离，防止雷击档距中央地线反击导线，档距中央导地线间距应符合下式： 在15℃无风时档距中央导线与地线间的最小距离公式： S=0.012L+1 S：导线与地线间的距离 L：档距长度。 未完待续…… 作者单位： 刁书广 东方 电气(通辽)风电工程技术有限公司 周文涛 鲁能新能源(集团)有限公司陕西分公司 彭冬宇 国家电投山东能源发展有限公司 更多及时、详细资讯请扫码关注“北极星风力发电网” 原标题：《GB51096风力发电场设计规范》疑难条文解读连载(二)
