风电知识 | 浅谈风力发电机组的雷电防护措施

风力发电机组相对城市普通建（构）筑物有不同的防雷特征，具体如下：

——风力发电机组是比周围物体要高大构筑物。
——风力发电机组常常安装在非常容易受到雷击的场地。
——风力发电机组的许多暴露部件，如叶片和机舱罩往往由不能承受直击雷的复合材料制成。　
—— 叶片、轮毂、发电机与机舱是相对旋转的，不利传导雷电流。
——雷电流将通过风力发电机组的金属结构传导到大地，因此，实际上大部分雷电流将流经或靠近所有的机组部件。
——风电场的土壤电阻率通常比较高，接地条件不好。
——风力发电机组都设置在风大的地区，例如海岸、丘陵、山脊，而这些地区正是雷电多发区。通常风力发电机组设置在高于周围地区的制高点，并且远离其它高大物体，因此它更加能吸引雷电。此外，设置在丘陵和山脊的风力发电机组的接地，这些地区的土壤导电性能相对较差。

2. 风力发电机组的通用防雷措施
       风力发电机组的防雷系统包含了从叶片至基础的各个环节，并且每个环节都不可或缺。依据IEC61400-24(2010) 《风力发电机组- 第24 部分: 雷电防护》等相关标准，风力发电机组的防雷措施主要有以下几个方面。
 

2.1 叶片接闪器及引下线　
       叶片接闪器应位于叶片表面，能截收绝大部分的雷击。叶片接闪器系统的设计根据严格的检测和试验来确定。接闪器数量按照2010 版GL 规范相关要求进行设计。

 

       引下线应长期可靠连接，并能承受雷电流产生的电、热、电动力的联合冲击。引下线应在进行模拟雷击试验以前就安装在叶片上，应与叶片一起进行耐受机械应力的实验。
 

2.2 轮毂
       轮毂金属结构本身具有良好的电磁屏蔽效果，其雷电防护只需采取等电位连接。对延伸到轮毂外部（除去叶片根部或机舱）的电气和控制系统回路应采取雷电防护措施。

2.3 机舱
       金属机舱结构自然成为雷电防护系统的一部分， 应能承载IEC62305-1 所规定雷电防护等级的雷电流。金属机舱外罩和金属结构（如机舱底座）应与引下线连接。
       非金属机舱外罩（如玻璃钢外罩）应增设足够大截面网格条的金属网格。

2.4 塔筒
       金属塔筒各段落之间应有良好的电气连接。各段落之间除了自然的结构连接以外还应有多条直接的电气连接。金属塔筒可作为良好的自然引下线，各段端部和底座环应引出接地端子。

2.5 轴承和齿轮箱

 

       轴承应证明能在整个服务期间耐受可能流过多次雷电流，否则应采取降低雷电流流过轴承的保护措施。对处于雷电流通道的轴承齿轮、轴承与连轴器应采用旁路分流和阻断隔离相结合的方式。通向发电机的连轴器应采用绝缘隔离，提供所需的绝缘以保护发电机免遭雷电流侵入发电机轴。
       阻断隔离是指在轴承或齿轮箱以及其它高速轴到机舱底板的电流通道中插入绝缘层。下图为减少轴承雷电流措施的示意图。齿轮箱和发电机通过机器底座的连接螺栓与接地装置应保持良好的连接。如齿轮箱或发电机用柔性阻尼元件与机器底座连接，则所有阻尼元件应采用有足够截面积的扁铜带跨接。

2.6 接地装置
       风力发电机组接地装置可利用

 

 

       塔筒的钢筋混凝土基础作为共用接地装置，除应满足以下四个基本要求以外，还要符合雷电防护的要求，能将高频和高能量的雷电流安全引导入地。其工频接地电阻宜小于4Ω。在高土壤电阻率地区，应采取措施降低接地电阻。本机组的接地装置应与若干其它机组和风电场的接地装置相连。

四个基本要求是：

a) 接地故障出现时，发生跨步电压和接触电压，需确保人身安全；
b) 防止接地故障引起设备的损坏；
c) 接地故障时接地装置耐受热、电动力；
d) 具有长期的机械强度和耐腐蚀性。
 

 

2.7 电气系统防雷

2.7.1 风力发电机组中电涌保护器的类型。风力发电机组内部系统采用的电涌保护器（简称SPD）产品的类型：

a) 低压电源系统用SPD：用于对低压电源系统中的电气部件的保护，产品应符合GB 18802.1；
b) 控制与信息系统用SPD：用于对控制和测量、信号回路的保护，产品应符合GB/T 18802.21；　
c) 低压主电力电气系统用SPD：用于对风力发电机、变频器及有关部件的保护。

2.7.2 风力发电机组中电涌保护器的安装位置。根据风力发电机组电气电子系统框图和防雷区（简称LPZ）划分原则，应在如下位置安装SPD：

a) 在每个LPZ 的线路入口处安装SPD：

在LPZ0B 进入LPZ1 区处：应选用用Iimp 测试的SPD（Ⅰ类试验），安装在离LPZ1 边界尽可能近的地方；在LPZ1 进入LPZ2 区或更高区处：应选用用In 测试的SPD（Ⅱ类试验），安装在离LPZ2 边界或更高区尽可能近的地方。

b) 在部分电气设备端部安装SPD：

非常敏感的设备，与LPZ 入口处SPD 距离太远的设备，内部干扰源产生的电磁场有威胁的设备。下图显示了双馈式风力发电机主电力电气回路和低压电源回路中电涌保护器安装位置例。

3. 永磁直驱风力发电机组防雷措施
       永磁直驱风力发电机组的防雷措施除跟上述的风力发电机组通用措施相同外，还应具有以下防护措施。
 

3.1风力发电机组的雷电保护系统

3.1.1 永磁直驱机组防雷接地设计依据。永磁直驱机组防雷接地参照以下标准设计。
GB 50057-94（2010）　建筑物防雷设计规范
IEC 61400-24-2010 　风力发电机组- 第24 部分: 雷电防护
IEC 62305-1 -2006　雷电防护- 第1 部分：总则
IEC 62305-3 -2006　雷电防护- 第3 部分：建筑物的实体损害和生命危险
IEC 62305-4 -2006　雷电防护- 第4 部分：建筑物内电气和电子系统
GL（2010）　风力发电机组认证指南（2010）

       考虑机组的结构特点，从其自身价值及遭受雷击后可能产生的直接和间接损失，结合国外对机组防雷等级的划分，风力发电机组参照最严酷等级进行防雷，并适应与所有的雷暴区域。依据IEC 62305.1—2006《雷电防护 第1 部分：总则》第八章的规定，采用雷电防护水平雷电防护等级Ⅰ的防护标准进行保护。

 

 

3.1.2 综合防雷体系。风力发电机组的防雷保护是个综合的防雷系统。包括外部、内部防雷系统，针对不同防雷区域采取有效的防护手段，主要包括雷电截收和传导系统、过电压保护和等电位连接、电控系统防雷等措施，这些防护措施都充分考虑了雷电的特点，实践证明这一方法简单而有效。防雷系统的组成见下图6 所示。

 

 

3.2 机舱顶部接闪器的设计
       机舱的顶部，设置有风向标、风速仪。为了减少因侧击雷造成风向标、风速仪和机舱内设备的损坏，应在机舱顶部装设接闪器，保护风向标、风速仪和机舱内的设备。

3.3 等电位连接
       等电位连接是风力发电机组防雷工作的核心，是保证雷电流通路畅通的关键。

       为了减小各金属设备之间的电位差，对机组的所有外露金属部分，采取等电位连接措施。轮毂、机舱、塔筒内建立等电位连接网络，内部主要金属构建、金属管道以及线路屏蔽均应采用等电位连接。设置等电位母排。延伸到机舱、塔筒外部的电气和控制系统电路应布设在金属管道内, 金属管道应与引下线系统相连，电气和控制系统电路应采取过电压保护措施。

3.4 沿海及海上的机组防雷措施
       针对海上的盐雾环境，对防雷、接地装置的金属结构件做必要的防腐处理，并且对电缆芯及接线端子做防腐处理，所有的电涌保护器均要通过抗盐雾试验。

3.5 加强对防雷与接地装置的检查与维护
       风力发电机组的设计寿命至少为20 年，为保证机组的防雷系统正常工作，要定期对防雷与接地装置进行检查，主要检查的对象有：各电控柜内电涌保护器、各零部件及设备间的等电位连接导线、机组的接地电阻值等。

4.小结
       “预防胜于治理”是对防雷工作最好的解释，即使比较完善的防雷体系已经建立，还是不能够完全抵御雷击的风险。所以，在风力发电机组广泛采用有效的防雷保护技术的同时， 为了尽量减少风力发电机组遭受雷击的危险， 建议在风机安装之前，即进行风电场的规划设计及微观选址时，将风机的防雷作为影响因素之一加以考虑，从而确保风力发电机组安全有效的运行。