風電機組的防雷系統分析

文 | 歐梅義

風電機組的防雷系統分析

文 | 歐梅義

隨著風電機組容量的增大，遭受雷擊的問題也越來越嚴重，因此采取有效防雷措施，降低機組雷擊危害是每個防雷工作者重點關注的內容。

風電機組的直擊雷防護

從風電機組的結構來看，風電機組在運行過程中，葉尖經常處于動態的最高點，是最易受到雷擊的部位，從滾球法的概念可知，葉片的側面輪轂、機艙和塔筒上高度大于滾球半徑的部分，均可能成為雷擊點（見圖1）。

在典型葉片空間位置（θ角為90°、30°、0°），雷擊葉片的位置θ為90°時，葉片位置最高，雷擊葉片尖端概率最高，損壞的維修費用所占額度也最高。

機組的直擊雷防護系分區按照 IEC 623054標準防雷分區進行劃分,將風電機組的內外部劃分成四個防雷保護區，防雷分區圖見圖2。不同防雷區域采取不同的防護措施，主要包括雷電接受和傳導系統、過電壓保護和等電位連接、電控系統防雷等措施。

風電機組的雷電流路徑見圖3。

圖1 風電機組雷擊點示意圖

輪轂與機艙以及機艙與塔架之間采用滑動觸點連接，保證了雷擊電流的通路；氣象桅桿塔架的連接的避雷針保護了測風傳感器、以及航空警示燈；在機艙罩殼體內，等間距布置預埋銅地線，與機艙罩龍骨可靠連接，并留出適當引線接頭進行短接，構成機艙環形避雷織帶。

圖2 防雷分區圖

圖3 風電機組的雷電流路徑

根據風電機組的結構特征，直擊雷防護應由接閃器，引下線和接地裝置組成。安裝獨立接閃器，對于高大的風電機組是很難實現的，目前通常是將接閃器做成圓盤型裝在葉片的尖端部、接閃器與設置在葉片本體內的金屬導體作電氣連接、金屬導體將雷擊電流引入葉片跟部輪轂、低速軸承、軸和塔筒本體，再經塔筒本體的接地連線進入接地裝置，最終泄入地球大地。

這種單一的接閃器（每個葉片一個）對不超過20m長的葉片的保護是有效的，對于長的葉片就力不從心。由于葉片很長，除尖端受雷擊外，葉片表面其他部位也將會受到雷擊而毀壞葉片。因此對于較長葉片，可在葉片上面設置多個接閃器，并相應都與本身內的導體作電氣連接，這樣可以大大地改善防雷裝置對直擊雷的攔截性能、減小葉片表面受雷擊損壞的概率。

在葉片上裝設接閃器后，可對機組艙提供一定程度的保護，但從機艙尾部襲來的雷電，葉片上的接閃器是攔截不到的，因此艙尾的風速風向儀需加一接閃器進行保護。大型機組在機艙內需要加入金屬網，在葉片及機艙尾部接閃器攔截到雷擊時，出于減小雷電流危害的目的，希望雷電流經設置的路徑泄入接地裝置。主要路徑為接閃器安裝在靠近每個葉片末梢，接閃器通過葉片內部的電纜連接到輪轂上。雷電電流從輪轂傳導到風輪主軸鎖緊盤上的防雷碳刷，防雷碳刷由三個碳刷和平行的有間隙的三個放電導板組成，越過旋轉軸承轉移到主機架。通過另外的三個碳刷和平行的有間隙的三個放電導板聯合使雷電電流從主機架傳導到安裝于塔筒的偏航制動盤上。這個聯合作用包括碳刷和放電導板的瞬間放電間隙，因為碳刷是在兩個接觸區域通過電氣連接的，而導板的瞬間放電間隙設置為在雷電沖擊時空氣隙擊穿導通，是電流迅速通過導板放電。偏航制動盤安裝在塔筒的上端，使機艙與塔筒導通，使雷電電流順利流過。塔基的法蘭連接到基礎建筑的三個接地電極點上，使雷電電流導入地下，減少直接雷擊的危害。

外部防雷系統

一、風輪葉片避雷系

葉片屬于LPZ0A區，保護等級為I級（按國標為Ⅰ類建筑物）。

風輪葉片裝設引下線，以使所要求的保護等級的雷電流安全引導下去。引下線采用銅線時，最小截面積必須大于50mm2 。當風輪半徑超過30m，則至少在整個風輪葉片上均勻布置2個避雷器。

國內2MW機型葉片長度均大于30m，其避雷系統由葉尖接閃器、葉片中部接閃器和避雷導線構成。葉尖接閃器是用直徑33mm的銅質材料制作的圓盤形，避雷導線采用70 mm2的鍍錫銅絞線，安裝要求是從葉尖到葉根電阻值小于3Ω，根部通過葉片固定法蘭固定在葉尖，底部連接法蘭通過桁架上敷設的引下線與葉片根部法蘭栓連，組成葉片的接閃及導雷通道。中間接閃器嵌入葉片殼體鋪層中，隨澆注預制在殼體中。中間接閃器見圖4。

二、 葉片與輪轂的連接

輪轂與葉片連接采用導線連接及變槳軸承的內外圈的接觸。內外圈間的油膜對放電有一定的影響。由于葉片與輪轂的連接出現故障較多，多數廠家開始對此結構進行改進，采用與機艙塔筒連接處同樣的放電結構。

三、輪轂的防雷

輪轂為LPZ0B區，防雷等級為I級。

輪轂自身為導體，雷電電流從輪轂傳導到主軸的法蘭盤上。

四、 輪轂與機艙

轉動部分和靜止部分連接處使用碳刷傳遞電流，主軸：在主軸與軸套三組接地碳刷通過碳刷和平行的有間隙的放電導板，越過旋轉軸承轉移到主機架，碳刷安裝位置及碳刷結構見圖5 。單一碳刷的截面積為75 mm2，三個碳刷的的總截面積為225 mm2；為了加強轉動部分與靜止部分的雷電流通過的能力，結構中還有一個放電板，放電板的尖點與靜止部分的距離為1mm，在雷電通過時此空氣間隙會在瞬間被擊穿，為雷電電流提供通路，使其迅速通過。

圖4 中間接閃器

五、 機艙的防雷系統

當使用非金屬罩，應裝置避雷針和相應的外部導體，并連接到機器底座。避雷針和導體的高度與數目取決于機艙罩的尺寸。在決定避雷針高度時，應假定避雷針提供最大45°的保護角，這個保護角必須覆蓋整個機艙。

大多數機艙采用圖6所示結構, 為了防止機艙骨架內的金屬部件因雷擊造成閃絡放電，如某機型的機艙罩內用28mm×3mm的軟編織銅帶布置5m×5m的銅帶網格。在機艙罩中增加的編織接地線，把機艙罩龍骨，測風桿，機艙罩外欄桿連成一體，使整個機艙罩形成等電位，并最終通過70 mm2 的黃綠接地線接至匯流銅排。

六、測風傳感器

輪轂高度60m以上的風電機組的測風傳感器應裝設“屏蔽型”避雷針和相應的外部導線。氣象桅桿上裝有避雷針，保護風速風向儀、航空燈及機艙后部不遭受直擊雷。

圖5 碳刷結構及安裝位置

圖6 機艙防雷結構圖

此種風電機組的測風傳感器裝設“屏蔽型”避雷針和相應的外部導線，此風電機組采用避雷針及金屬保護框架的結構，將測風傳感器屏蔽在其中。

七、機艙底盤與塔筒的連接

風電機組在結構上，機艙與塔架之間靠偏航軸承連接，在偏航軸承的剎車盤上放置多組碳刷將旋轉機架與塔架進行可靠連接。一個碳刷和平行的有間隙的放電導板聯合使雷電電流從主機架傳導到安裝于塔筒的偏航制動盤上。

八、塔架防雷系統

塔架是圓錐形金屬構件，可以作為雷電的自然引下體。

在塔筒與塔筒之間為了保證其等電位，將兩節塔筒用70 mm2銅編織電纜連接起來，長度為0.5m，使電流順利通過。

九、機艙中其他部件的防雷

齒輪箱通過與機器底座的連接螺栓應可靠的連接到機艙底座的金屬支撐架上，并用截面70mm2，長度為0.4m的兩根銅編織電纜連接到等電位接地母線上；發電機通過連接螺栓固定到機艙底座的金屬支撐架上，并用截面70mm2，長度0.4m的4根銅編織電纜連接就近的機架孔上，發電機的冷卻器用0.2m截面70mm2銅編織電纜連在電機外殼上；電氣柜本體采用并用截面70mm2，4.5m一根銅編織電纜將柜體與機艙等電位體進行可靠連接。

十、基礎防雷

風電機組的基礎接地系統，基礎環上焊有接地連接板，每塊板上打七 個直徑為12 mm的孔，共28 個。設備接地電纜與基礎環接地連接板通過銅鼻子連接。接地扁鋼的伸出位置必須與基礎環接地連接板的位置一致，以便于基礎環連接。

整個接地系統電阻施工完成后測量值必須小于4Ω，且保證一年四季小于4Ω。

基礎接地電極采用不小于直徑10mm 的鋼條或截面積不小于120 mm2的鍍鋅扁鋼，基礎接地每隔2m 與鋼筋完全機械連接或焊接（焊接要求不破壞主受力筋）接地扁鋼連接處采用合金搭接焊，接頭做防腐處理。

風電機組內部防雷

內部防雷的作用是預防電氣系統的雷電感應過電壓的危害。 風電機組電控系統控制元件分為三部分，一部分在輪轂電氣柜內，一部分在機艙電氣柜內，另一部分在塔底電氣柜內。由于電控系統容易受到雷電感應過電壓的危害，采取的措施主要包括：等電位連接、電磁屏蔽、電纜布置和屏蔽、電涌保護裝置。

一、等電位連接

風電機組內部的等電位連接采用網狀等電位連接，將所有的金屬部件，結構，支架及設備機柜用編織銅導線多次連接，防止風電機組內不同平面上的電氣、電子設備之間出現電位差，銅編織電纜截面70 mm2。

二、屏蔽

風電機組的鋼制塔筒是一個結構屏蔽(從LPZ 0到LPZ 1的過渡。由直接遭受雷擊或靠近雷擊引起的磁場 H0會被大量削弱，從而減弱后磁場 H1 會出現在塔筒內(雷電防護區 1)。

網狀等電位連接設施中的金屬開關和控制柜可以當作一個空間屏蔽(從LPZ 1 到 LPZ 2的過渡)。這將會近一步把磁場 H1 減弱到不會對電子設備有影響的磁場 H2。

當安裝電源和通訊線時，遵循EMC－平衡布線法，留有必要的間距。此外，在雷電防護區的邊界，把屏蔽通訊電纜和通訊線納入等位連接網中，以及使用振蕩保護裝置。

三、電氣系統的電涌保護

風電機組的電氣系統主要有風電機組變壓器、電力線路及信號用電源系統等。風電場發生雷擊時，都可以產生電涌（過電壓及大沖擊電流），若不采取有效措施防護，會產生雷擊事故而損壞設備，影響風電機組的安全運行。變壓器的高、低側應裝設電涌保護器進行保護，電涌保護器的接地端應就近與變壓器的殼體相連再接地。

在風電機組內，電力線路跨接在筒塔頂部和底部，其空間延伸范圍很大，當雷擊發生在風電機組本體或附近時，根據其電磁耦合原理，會在其上產生電涌，危害其電氣設備，因此在線路兩端即筒塔頂和底設置電涌保護器?？拷L電發電機端的電涌保護器，可作為發電機的電涌保護。

風電機組內控制單元和伺服系統所用的交流電源，一般都是從三相系統上取單相電壓，經變壓器降壓來獲得220V交流電壓。因此電源系統的防雷保護，應在變壓器的輸入、輸出端都加裝電涌保護器。而直流電源通常由變壓器、整流器、濾波電容、穩定電路和其他配件組成。用3只壓敏電組M1M2M3組成全模保護變壓器的原邊，用雪崩二極管D保護變壓器二次側，用D1和D組合來抑制穩壓器的輸入和輸出端電壓的升高，保護穩壓器免受電涌危害。

風電機組的信號系統電涌保護、與電源保護相仿，可分單級和多級保護兩種，單級保護由氣體放電管、暫態抑制二極管和半導體放電管等單個元件組成，可以用在線路屏蔽和等電位連接較完善的場合。但對于風電機組的重要信號回路，采用二級保護較多， 風電機組的計算機通信接口的電涌保護：平衡信號線路的電涌保護等大都采用二級電涌保護器，用單級或三級電涌保護器的地方很少。

結語

雷電對風電機組和整個風電場的影響是很需要引起研究者們注意的，本文通過對風電機組的直擊雷防護、外部系統和內部防雷的分析，希望引起相關工作者對這個問題的深入探討。

（作者單位：廣西桂林市恭城縣水利電業有限公司）