變速直驅開關磁阻風力發電系統雷電防護技術研究

戴建利+易靈芝+龍辛+朱廣輝+張龍威+詹伶俐

收稿日期：2013-07-08

基金項目：“信息與通信工程”湖南省“十二五”重點學科，國家能源局國家發展改革委發改投資項目2011（1952）號；湖南省自科基金項目（11JJ8004）；中國高等教育學會課題項目（11ZD009）

作者簡介：戴建利（1989—）， 男， 湖南婁底人，碩士研究生，研究方向：新能源發電系統與技術。

通訊聯系人，E-mail：dj2008l@126.com

文章編號：1003-6199（2014）03-0013-05

摘 要：根據風力發電機組防雷保護的研究成果和相關行業防雷標準，分析雷電的形成、破壞機理及其破壞形式。結合開關磁阻風力發電系統特征，劃分雷電防護區域；按照風力發電機組防雷設計應該遵循的原則，通過外部防護和內部防護相結合，提出開關磁阻風力發電系統各部件防雷保護措施。為工程實踐中開關磁阻風力發電系統的雷電防護提供一定的參考。

關鍵詞：綜合雷電防護技術；開關磁阻發電機；屏蔽與隔離；電涌保護器；感應過電壓防護

中圖分類號：TM352；TM614 文獻標識碼：A

Research of Lightning Protection Technology for Variable

Speed Direct Drive SRG Wind Power System

DAI Jian-li1，YI Ling-zhi1，LONG Xin2，ZHU Guang-hui3，ZHANG Long-wei1，ZHAN Ling-li1

（1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing （Xiangtan University）， Ministry of Education，

Xiangtan，Hunan 411105，China； 2. XEMC Wind power Co. Ltd.， Xiangtan，Hunan 411101，China；

3. Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co. Ltd， Xiangtan，Hunan 411101，China）

Abstract：By using the research results on lightning protection of wind power units， and the lightning protection standards for the relevant industry， the formation， failure mechanism and the damage form of lightning is analyzed. Combined with the feature of SRG wind power system， the lightning protection area is divided； According to the principles that should be followed to design the lightning protection system of wind power units， the external lightning protection is combined with internal lightning protection， and the lightning protection measures of SRG wind power system are proposed. For lightning protection of SRG wind power system in the engineering practice， certain reference is provided.

Key words：comprehensive lightning protection technology；Switched Reluctance Generator （SRG）；shielding and isolation；surge protection device；induced overvoltage protection

1 引 言

風能作為重要和最成熟的可再生能源技術，具有蘊藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，已成為可再生能源發展的重要方向。10多年來全球風電穩步發展，2011年累計裝機容量接近240GW，約占全球發電裝機容量的5%[1]。

與其他風力發電系統相比，開關磁阻風力發電系統憑借轉子無繞組無刷、無電磁耦合、容錯性能好、動態響應快、調速范圍寬、性價比高等優勢在風力發電領域受到越來越多的重視[2]。與此同時，隨著風力發電機組的單機容量和風電場的總裝機容量不斷增長，風電場開發不斷向高海拔和沿海雷電多發區拓展，風力發電機組的雷電防護問題也日益突出。大功率風電機組的塔架最高已超過120m，輪轂高度也增加到35～60m，加上風電機組經常佇立在風力強大的高于周圍地區的制高點且遠離其他高大物體，很容易遭到雷擊。雷電已成為影響風電場安全持續運行的重要因素。

2 雷電的形成、破壞機理及破壞形式

2.1 雷電的形成

雷電是空中的塵埃、冰晶等物質在大氣運動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層中某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負電荷形成的云層與云層之間或者云層與大地之間的大氣放電現象，具有沖擊電流大、時間短、變化梯度大、沖擊電壓高等特點。雷電可分為直擊雷、感應雷、和雷電侵入波三大類[3]。

2.2 雷電的破壞機理

雷電的破壞機理與雷擊電流波形及峰值電流、轉移電荷、電流陡度等雷電參數密切相關。當雷電流流過被擊物體時，會導致被擊物溫度升高，還可能產生很大的電磁力使被擊物彎曲；雷電流通道中會出現電弧，發生電弧的地方會出現灼蝕斑點，電弧會產生膨脹過電壓，燃弧過程中驟增的高溫可能導致金屬熔化，對被擊物造成極大的破壞，這是導致許多風機葉片和軸承損壞的主要原因。雷擊過程中產生的雷電電磁脈沖會造成控制系統或電子器件損壞。

2.3 雷電的破壞形式

風力發電機組遭受雷擊損壞通常有4種形式：遭受直擊雷而損壞；雷電電磁脈沖沿著與發電機相連的信號線、電源線侵入設備使其受損；風電機組接地體在雷擊時產生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞；風電機組安裝不當，被雷電空間分布的電磁場影響而受損。

3 雷電防護區域劃分和設計原則

開關磁阻風力發電系統主要包括開關磁阻發電機、變槳變速裝置、功率變換器、控制裝置（含功率開關驅動電路、功率開關過壓/過流保護電路、發電機電壓/電流檢測電路、發電機轉子位置檢測電路等）、葉片、支撐塔筒、輔助電源等。

3.1 雷電防護區域劃分

為了減少電磁干擾與可預見的耦合干擾，更好的保護風力發電系統中的元件，開關磁阻風力發電系統依據標準劃分雷電防護區域（見圖1）。國際電工委員會把防雷過電壓保護的防護區域劃分為：LPZ0區（LPZ0A，LPZ0B），LPZi（i=1，2，3…）[4]。

LPZOA區主要包括葉片、變槳變速裝置、機艙罩避雷針系統、架空電力線、塔架等，完全處于電磁場環境中，有遭受直擊雷的危險，可能被雷擊電涌破壞。該區域宜采用外部防雷保護措施為主，內部防雷保護輔助結合的方式進行雷電防護。

LPZOB區主要包括開關磁阻發電機、軸承、傳動系統、功率變換器、控制柜、傳感器、航標燈、未屏蔽的機艙內部等，這些部位沒有遭受直接雷的危險，但雷電電磁場并沒有任何衰減。該區域大部分處于風力發電機組內部，主要針對雷電電磁脈沖采取內部防雷措施、部分設備采用外部防雷措施進行保護。

LPZi區是后續防雷區，主要包括功率變換器驅動電路、發電機電壓/電流檢測電路、發電機轉子位置檢測電路、通訊電纜等，雷電流和電磁場由于屏蔽作用已經減弱，存在電涌破壞的危險。因此該區域主要采取隔離屏蔽、電涌保護等內部防雷措施。

3.2 雷電防護設計原則

在IEC61400-24中，以雷電的5個重要參數，將雷電防護水平分為表1所示的4級。風力發電系統防雷，按照Ⅳ級保護水平設計。

表1 雷電保護水平等級

在進行開關磁阻風力發電系統防雷設計時遵循以下設計原則：1） 用當今主流技術和設備保證系統穩定運行；2） 考慮投資合理性，突出重點；3） 防雷系統使用壽命較長；4） 遵守國際標準和規范，便于維護。

4 開關磁阻風力發電系統綜合防雷技術

開關磁阻風力發電系統防雷保護包括外部防雷保護和內部防雷保護兩大部分。

4.1 外部防雷保護

外部防雷保護主要是直擊雷防護，目前采用最多的仍是傳統的富蘭克林避雷方法，包括葉片防雷保護、機艙防雷保護、軸承防雷保護、塔架和引下線和接地系統。

4.1.1 葉片防雷保護

風力發電機組的葉片幾何結構復雜，且由導電不良的增強型纖維復合材料制成，是風電機組中最暴露的部分。采用滾球法可以看到，葉片的大部分處于LPZOA區（見圖2），受全部電磁場的影響，極易遭受直擊雷。按照由雷擊引起的維修成本，從大到小依次是葉片、發電機、電控系統、通訊系統。因此，葉片的防雷保護是風力發電系統防雷保護中重要的一環。

物體被雷電擊中，雷電流總是會選擇傳導性最好的阻力最小路徑，開關磁阻風力發電系統的葉片應采用具有這防雷路徑的裝置來實現自我保護。針對目前風力發電機組采用的兩種葉片結構，有葉尖阻尼器的葉片是在葉尖部分的纖維復合材料中預置金屬導體作為接閃器，通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動葉尖阻尼器的鋼絲相連接，見圖3；無葉尖阻尼器葉片是在葉尖部分材料表面預置金屬化物作為接閃器，并與置于葉片內的銅導體相連接，當遭到雷擊時，雷電流流經內部金屬導體迅速傳導至葉片法蘭，通過葉片法蘭和變漿軸承傳到輪轂，保護葉片不被破壞， 見圖4。

4.1.2機艙防雷保護

除葉片采取防雷保護措施，實現機艙的直擊雷防護外，還要在機艙頂部設立與機架緊密連接的避雷針、保護風速計和風標。在遭受雷擊時，將雷電流通過接地電纜傳到機艙上層平臺，避免雷電流沿傳動系統傳導。

單支避雷針的保護范圍，按下列方法確定：

當hx≥h2時，rx=h-hxp（1）

當hx

其中， h為避雷針高度，p為高度影響系數，當h<30m時，p=1 ；當30

為防止直擊雷破壞艙內設備，如果機艙外殼為鋼板制成，鋼板厚度必須大于4mm；如果機艙外殼為復合材料，應在機艙外面采用直徑不小于2.5mm的鋼絲敷設30mm×30mm金屬網格，兼做接閃器和屏蔽作用，必要情況下，需通過計算加大鋼絲直徑和網格密度[5]。

4.1.3 軸承防雷保護

由于開關磁阻發電機轉子無繞組、無電磁耦合，與永磁同步風力發電系統、雙饋風力發電系統相比，開關磁阻風力發電系統發電機的轉子與主軸可以承受較大的電流通過，只需采取措施防止雷電流通過時在主軸和轉子表面產生電弧，以致軸承中的機械傳動部件被雷電流灼蝕損壞。按照IEC62305-3的規定，可添加絕緣層改變雷電流路徑，添加與軸承平行的滑環來承受部分雷電流，減少流過偏航軸承、變槳軸承等部件接觸面的電流，延長其使用壽命。

4.1.4 塔架及引下線

按照長度最短、路徑最直接的原則，設置引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，雷電流通過接地線，跨越偏航環、機艙和偏航剎車盤被引入大地。當塔架為金屬制成或者有相互連接的鋼筋網時可作為自然引下線。

4.1.5 接地系統

風力發電機組的接地系統是整個防雷保護系統的關鍵設置，雷電流通過接地裝置流向大地，和其它防雷裝置一起為風機遭受雷擊時提供泄流通道[6]。

根據IEC規范要求：接地電阻必須小于1～2Ω。風電機組的接地裝置一般采用環形接地體、基礎接地體、水平接地體或垂直接地體組合。在風電機組周圍用一個截徑不小于50mm2的實心銅環導體置在離基礎1m，深1m處，圍成半徑不小于6m的環形接地體，每隔一定距離用截徑不小于50mm2實心銅導體與環形接地體連接打入地下，作為銅導電環的補充；銅導電環連接到塔架基礎的2個相反的位置，地面控制器連接到連點之一（見圖5），形成一個小型接地網。如果風電機組所處位置土壤電阻率較高，或者由于地形影響，風電機組無法向外擴張，接地電阻無法滿足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用風電廠內布置的電力電纜和通信電纜的屏蔽層將所有風電機組的接地網連接起來形成一個龐大的接地網來實現；采用降阻劑、深井接地、斜井接地、蜂窩狀接地、增大接地網面積、增加垂直接地體、敷設水下接地網等實現降阻。

4.2 內部防雷保護

開關磁阻風力發電系統內部防雷保護主要針對雷擊產生的雷電電磁脈沖，分別對設備與電源線、信號線進行等電位連接、屏蔽與隔離、感應過電壓防護、添加電涌保護器。

4.2.1 等電位連接

為了把開關磁阻風力發電系統各部分連接為一個電氣整體，使其在遭受雷擊時能夠形成一個快速通道將雷電流引入接地裝置，風輪與機艙間、機艙與機艙底座間、尾舵與水平軸間應單獨使用截面積不小于16mm2的多股銅芯線或采用焊接、螺栓連接等方法做可靠電氣連接，各連接處電阻應不大于0.03Ω。風速計和風標、避雷針一起接地等電位[7]；機艙內部各個部件如主軸承、發電機、軸承等以合適尺寸的接地帶連接到機艙底座作為等電位；功率變換器、控制箱外殼連接到機艙底座設置等電位。

4.2.2 屏蔽與隔離

屏蔽可以減少元件間的電容性耦合。由于開關磁阻發電機轉子無繞組，不存在電磁耦合，所以開關磁阻發電機本身就是一個電磁屏蔽體，只需對發電機以外的設備采取屏蔽措施。由于雷電流具有趨膚效應，金屬塔筒對其中的線路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽電纜可以減少電磁耦合的影響；對于多根電纜，可以考慮捆扎以減少電磁耦合的影響；控制箱采用薄鋼板制作，也可以有效防止電磁脈沖對其內部線路的干擾。

同時，與永磁同步風力發電系統、雙饋風力發電系統相比，由于開關磁阻風力發電系統功率變換器主電路和控制電路都處于控制箱內部，強電模塊和弱電模塊之間必須采用光電耦合模塊進行隔離（見圖6），既可以防止雷電電磁脈沖侵入，也可以在風力發電系統正常工作時防止強電與弱電之間相互干擾。此外，在機艙上的處理器和地面控制器之間最好采用光纖通信，處理器和傳感器采用直流電源分開供電，轉子位置檢測電路采用光電編碼盤對位置信號進行轉換后才傳遞給控制電路，亦可以對雷電電磁脈沖進行隔離。

4.2.3 感應過電壓防護

對開關磁阻發電機及其勵磁系統、繼電保護系統、控制系統、通信系統都應安裝相應的過電壓保護裝置。在發電機、控制器電子組件、通信電纜終端等，可以采用避雷器或者壓敏電阻模塊進行過電壓防護；對于暴露在雷區的傳感器采樣信號，采用防雷線圈進行隔離保護，并通過RS485接口保護電路（見圖7）與風電場監控室進行遠程通訊，將數據隔離后進行傳輸。信號線路應盡可能短，并盡可能靠近金屬構件布置；發電機和軸承等部件的敏感線路應布置在兩端固定的線槽中；設置多個平行的電流通路使各路電流最小，盡可能減少感應過電壓的影響。

4.2.4 電涌保護器

雷擊產生的高速變化的電磁場作用于風力發電系統電氣回路和通信線路，產生尖峰電流或電壓，當尖峰電流或電壓持續時間超過3毫秒時稱為電涌[8]。電涌會使回路中的電子設備受到沖擊而損壞。安裝電涌保護器（Surge Protection Device，SPD）能夠限制尖峰電壓、分流電涌電流、有效防護雷電電磁脈沖入侵。

選用SPD必須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。根據該區域內的電氣設備采用相應SPD，實現與共用接地體等電位連接。遵循靠近被保護設備，接地線就近接地原則安裝SPD。

根據開關磁阻風力發電系統雷電防護系統的特點，對系統內電子設備采用三級電涌保護。在電源入口部位裝設第一級SPD，采用開關型SPD將殘壓控制在4kV以下；在發電機處安裝第二級SPD，將限壓型SPD安裝在塔架配電柜及機艙內，進行有效保護；第三級采用限壓型SPD，在前面兩級SPD泄放雷電流后殘壓的基礎上對電氣回路內的雷電流進一步泄放，實現終端避雷。安裝SPD時，第一級SPD應靠近總進線等電位連接端子處，第二、三級SPD應盡量靠近被保護的電氣設備；要用截面積不小于16mm2且短而直的銅芯電纜將SPD進行等電位連接。

5 結 語

雷電是影響風力發電系統乃至整個風電場安全穩定運行的因素之一，作為一種新型發電機組，開關磁阻風力發電系統的雷電防護是一項綜合工程。本文提出的雷電防護措施，可以為開關磁阻風力發電系統提供全方位雷電防護。但是我們應該清楚的認識到雷電防護措施只能減少雷電帶來的損失，并不能完全消除雷擊的危險。本文結合開關磁阻風力發電系統各個部分，為工程實踐中開關系組風力發電系統的雷電防護提供了一定的參考。

參考文獻

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[10]趙永炬. 用IEC的有關標準分析風力發電機組的防雷保護系統[J]. 通用機械 2008，07：70-73.

4.1.4 塔架及引下線

按照長度最短、路徑最直接的原則，設置引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，雷電流通過接地線，跨越偏航環、機艙和偏航剎車盤被引入大地。當塔架為金屬制成或者有相互連接的鋼筋網時可作為自然引下線。

4.1.5 接地系統

風力發電機組的接地系統是整個防雷保護系統的關鍵設置，雷電流通過接地裝置流向大地，和其它防雷裝置一起為風機遭受雷擊時提供泄流通道[6]。

根據IEC規范要求：接地電阻必須小于1～2Ω。風電機組的接地裝置一般采用環形接地體、基礎接地體、水平接地體或垂直接地體組合。在風電機組周圍用一個截徑不小于50mm2的實心銅環導體置在離基礎1m，深1m處，圍成半徑不小于6m的環形接地體，每隔一定距離用截徑不小于50mm2實心銅導體與環形接地體連接打入地下，作為銅導電環的補充；銅導電環連接到塔架基礎的2個相反的位置，地面控制器連接到連點之一（見圖5），形成一個小型接地網。如果風電機組所處位置土壤電阻率較高，或者由于地形影響，風電機組無法向外擴張，接地電阻無法滿足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用風電廠內布置的電力電纜和通信電纜的屏蔽層將所有風電機組的接地網連接起來形成一個龐大的接地網來實現；采用降阻劑、深井接地、斜井接地、蜂窩狀接地、增大接地網面積、增加垂直接地體、敷設水下接地網等實現降阻。

4.2 內部防雷保護

開關磁阻風力發電系統內部防雷保護主要針對雷擊產生的雷電電磁脈沖，分別對設備與電源線、信號線進行等電位連接、屏蔽與隔離、感應過電壓防護、添加電涌保護器。

4.2.1 等電位連接

為了把開關磁阻風力發電系統各部分連接為一個電氣整體，使其在遭受雷擊時能夠形成一個快速通道將雷電流引入接地裝置，風輪與機艙間、機艙與機艙底座間、尾舵與水平軸間應單獨使用截面積不小于16mm2的多股銅芯線或采用焊接、螺栓連接等方法做可靠電氣連接，各連接處電阻應不大于0.03Ω。風速計和風標、避雷針一起接地等電位[7]；機艙內部各個部件如主軸承、發電機、軸承等以合適尺寸的接地帶連接到機艙底座作為等電位；功率變換器、控制箱外殼連接到機艙底座設置等電位。

4.2.2 屏蔽與隔離

屏蔽可以減少元件間的電容性耦合。由于開關磁阻發電機轉子無繞組，不存在電磁耦合，所以開關磁阻發電機本身就是一個電磁屏蔽體，只需對發電機以外的設備采取屏蔽措施。由于雷電流具有趨膚效應，金屬塔筒對其中的線路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽電纜可以減少電磁耦合的影響；對于多根電纜，可以考慮捆扎以減少電磁耦合的影響；控制箱采用薄鋼板制作，也可以有效防止電磁脈沖對其內部線路的干擾。

同時，與永磁同步風力發電系統、雙饋風力發電系統相比，由于開關磁阻風力發電系統功率變換器主電路和控制電路都處于控制箱內部，強電模塊和弱電模塊之間必須采用光電耦合模塊進行隔離（見圖6），既可以防止雷電電磁脈沖侵入，也可以在風力發電系統正常工作時防止強電與弱電之間相互干擾。此外，在機艙上的處理器和地面控制器之間最好采用光纖通信，處理器和傳感器采用直流電源分開供電，轉子位置檢測電路采用光電編碼盤對位置信號進行轉換后才傳遞給控制電路，亦可以對雷電電磁脈沖進行隔離。

4.2.3 感應過電壓防護

對開關磁阻發電機及其勵磁系統、繼電保護系統、控制系統、通信系統都應安裝相應的過電壓保護裝置。在發電機、控制器電子組件、通信電纜終端等，可以采用避雷器或者壓敏電阻模塊進行過電壓防護；對于暴露在雷區的傳感器采樣信號，采用防雷線圈進行隔離保護，并通過RS485接口保護電路（見圖7）與風電場監控室進行遠程通訊，將數據隔離后進行傳輸。信號線路應盡可能短，并盡可能靠近金屬構件布置；發電機和軸承等部件的敏感線路應布置在兩端固定的線槽中；設置多個平行的電流通路使各路電流最小，盡可能減少感應過電壓的影響。

4.2.4 電涌保護器

雷擊產生的高速變化的電磁場作用于風力發電系統電氣回路和通信線路，產生尖峰電流或電壓，當尖峰電流或電壓持續時間超過3毫秒時稱為電涌[8]。電涌會使回路中的電子設備受到沖擊而損壞。安裝電涌保護器（Surge Protection Device，SPD）能夠限制尖峰電壓、分流電涌電流、有效防護雷電電磁脈沖入侵。

選用SPD必須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。根據該區域內的電氣設備采用相應SPD，實現與共用接地體等電位連接。遵循靠近被保護設備，接地線就近接地原則安裝SPD。

根據開關磁阻風力發電系統雷電防護系統的特點，對系統內電子設備采用三級電涌保護。在電源入口部位裝設第一級SPD，采用開關型SPD將殘壓控制在4kV以下；在發電機處安裝第二級SPD，將限壓型SPD安裝在塔架配電柜及機艙內，進行有效保護；第三級采用限壓型SPD，在前面兩級SPD泄放雷電流后殘壓的基礎上對電氣回路內的雷電流進一步泄放，實現終端避雷。安裝SPD時，第一級SPD應靠近總進線等電位連接端子處，第二、三級SPD應盡量靠近被保護的電氣設備；要用截面積不小于16mm2且短而直的銅芯電纜將SPD進行等電位連接。

5 結 語

雷電是影響風力發電系統乃至整個風電場安全穩定運行的因素之一，作為一種新型發電機組，開關磁阻風力發電系統的雷電防護是一項綜合工程。本文提出的雷電防護措施，可以為開關磁阻風力發電系統提供全方位雷電防護。但是我們應該清楚的認識到雷電防護措施只能減少雷電帶來的損失，并不能完全消除雷擊的危險。本文結合開關磁阻風力發電系統各個部分，為工程實踐中開關系組風力發電系統的雷電防護提供了一定的參考。

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[10]趙永炬. 用IEC的有關標準分析風力發電機組的防雷保護系統[J]. 通用機械 2008，07：70-73.

4.1.4 塔架及引下線

按照長度最短、路徑最直接的原則，設置引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，雷電流通過接地線，跨越偏航環、機艙和偏航剎車盤被引入大地。當塔架為金屬制成或者有相互連接的鋼筋網時可作為自然引下線。

4.1.5 接地系統

風力發電機組的接地系統是整個防雷保護系統的關鍵設置，雷電流通過接地裝置流向大地，和其它防雷裝置一起為風機遭受雷擊時提供泄流通道[6]。

根據IEC規范要求：接地電阻必須小于1～2Ω。風電機組的接地裝置一般采用環形接地體、基礎接地體、水平接地體或垂直接地體組合。在風電機組周圍用一個截徑不小于50mm2的實心銅環導體置在離基礎1m，深1m處，圍成半徑不小于6m的環形接地體，每隔一定距離用截徑不小于50mm2實心銅導體與環形接地體連接打入地下，作為銅導電環的補充；銅導電環連接到塔架基礎的2個相反的位置，地面控制器連接到連點之一（見圖5），形成一個小型接地網。如果風電機組所處位置土壤電阻率較高，或者由于地形影響，風電機組無法向外擴張，接地電阻無法滿足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用風電廠內布置的電力電纜和通信電纜的屏蔽層將所有風電機組的接地網連接起來形成一個龐大的接地網來實現；采用降阻劑、深井接地、斜井接地、蜂窩狀接地、增大接地網面積、增加垂直接地體、敷設水下接地網等實現降阻。

4.2 內部防雷保護

開關磁阻風力發電系統內部防雷保護主要針對雷擊產生的雷電電磁脈沖，分別對設備與電源線、信號線進行等電位連接、屏蔽與隔離、感應過電壓防護、添加電涌保護器。

4.2.1 等電位連接

為了把開關磁阻風力發電系統各部分連接為一個電氣整體，使其在遭受雷擊時能夠形成一個快速通道將雷電流引入接地裝置，風輪與機艙間、機艙與機艙底座間、尾舵與水平軸間應單獨使用截面積不小于16mm2的多股銅芯線或采用焊接、螺栓連接等方法做可靠電氣連接，各連接處電阻應不大于0.03Ω。風速計和風標、避雷針一起接地等電位[7]；機艙內部各個部件如主軸承、發電機、軸承等以合適尺寸的接地帶連接到機艙底座作為等電位；功率變換器、控制箱外殼連接到機艙底座設置等電位。

4.2.2 屏蔽與隔離

屏蔽可以減少元件間的電容性耦合。由于開關磁阻發電機轉子無繞組，不存在電磁耦合，所以開關磁阻發電機本身就是一個電磁屏蔽體，只需對發電機以外的設備采取屏蔽措施。由于雷電流具有趨膚效應，金屬塔筒對其中的線路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽電纜可以減少電磁耦合的影響；對于多根電纜，可以考慮捆扎以減少電磁耦合的影響；控制箱采用薄鋼板制作，也可以有效防止電磁脈沖對其內部線路的干擾。

同時，與永磁同步風力發電系統、雙饋風力發電系統相比，由于開關磁阻風力發電系統功率變換器主電路和控制電路都處于控制箱內部，強電模塊和弱電模塊之間必須采用光電耦合模塊進行隔離（見圖6），既可以防止雷電電磁脈沖侵入，也可以在風力發電系統正常工作時防止強電與弱電之間相互干擾。此外，在機艙上的處理器和地面控制器之間最好采用光纖通信，處理器和傳感器采用直流電源分開供電，轉子位置檢測電路采用光電編碼盤對位置信號進行轉換后才傳遞給控制電路，亦可以對雷電電磁脈沖進行隔離。

4.2.3 感應過電壓防護

對開關磁阻發電機及其勵磁系統、繼電保護系統、控制系統、通信系統都應安裝相應的過電壓保護裝置。在發電機、控制器電子組件、通信電纜終端等，可以采用避雷器或者壓敏電阻模塊進行過電壓防護；對于暴露在雷區的傳感器采樣信號，采用防雷線圈進行隔離保護，并通過RS485接口保護電路（見圖7）與風電場監控室進行遠程通訊，將數據隔離后進行傳輸。信號線路應盡可能短，并盡可能靠近金屬構件布置；發電機和軸承等部件的敏感線路應布置在兩端固定的線槽中；設置多個平行的電流通路使各路電流最小，盡可能減少感應過電壓的影響。

4.2.4 電涌保護器

雷擊產生的高速變化的電磁場作用于風力發電系統電氣回路和通信線路，產生尖峰電流或電壓，當尖峰電流或電壓持續時間超過3毫秒時稱為電涌[8]。電涌會使回路中的電子設備受到沖擊而損壞。安裝電涌保護器（Surge Protection Device，SPD）能夠限制尖峰電壓、分流電涌電流、有效防護雷電電磁脈沖入侵。

選用SPD必須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。根據該區域內的電氣設備采用相應SPD，實現與共用接地體等電位連接。遵循靠近被保護設備，接地線就近接地原則安裝SPD。

根據開關磁阻風力發電系統雷電防護系統的特點，對系統內電子設備采用三級電涌保護。在電源入口部位裝設第一級SPD，采用開關型SPD將殘壓控制在4kV以下；在發電機處安裝第二級SPD，將限壓型SPD安裝在塔架配電柜及機艙內，進行有效保護；第三級采用限壓型SPD，在前面兩級SPD泄放雷電流后殘壓的基礎上對電氣回路內的雷電流進一步泄放，實現終端避雷。安裝SPD時，第一級SPD應靠近總進線等電位連接端子處，第二、三級SPD應盡量靠近被保護的電氣設備；要用截面積不小于16mm2且短而直的銅芯電纜將SPD進行等電位連接。

5 結 語

雷電是影響風力發電系統乃至整個風電場安全穩定運行的因素之一，作為一種新型發電機組，開關磁阻風力發電系統的雷電防護是一項綜合工程。本文提出的雷電防護措施，可以為開關磁阻風力發電系統提供全方位雷電防護。但是我們應該清楚的認識到雷電防護措施只能減少雷電帶來的損失，并不能完全消除雷擊的危險。本文結合開關磁阻風力發電系統各個部分，為工程實踐中開關系組風力發電系統的雷電防護提供了一定的參考。

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