風電機組振動監(jiān)測儀防雷設計

王青華 徐 軍

（1.上海明華電力技術工程有限公司，上海200090；2.上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海200010）

0 引言

隨著風力發(fā)電的迅猛發(fā)展，風電機組的安全運行日益受到重視，風力發(fā)電機組振動監(jiān)測系統(tǒng)應用也越來越廣泛。國家已出臺相關標準，2 MW 及以上機組要求安裝風電振動故障監(jiān)測系統(tǒng)，風電振動故障監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行中遭受雷擊損害的案例也越來越多，防雷成了風電振動監(jiān)測儀設計的一個重要方面。風電振動監(jiān)測儀的防雷設計必須與風力發(fā)電機組本體的防雷系統(tǒng)相結合，才能更有效地防止雷擊的損害。

1 風電機組防雷系統(tǒng)簡介

1.1 防雷保護區(qū)域劃分

根據(jù)風電機組和風場各部分空間受雷擊電磁脈沖的嚴重程度不同，將需要保護的空間劃分為不同的防雷區(qū)，圖1 為防雷區(qū)示意圖，通常防雷區(qū)序號越高，其電磁環(huán)境參數(shù)越低。

圖1 風電防雷區(qū)示意圖

LPZ0：本區(qū)內(nèi)物體易受直接雷擊，必須傳導全部的雷電流，電磁場沒有衰減。

LPZ1：本區(qū)內(nèi)物體不易遭受直接雷擊，所有導電部件上的雷電流都比LPZ0小，電磁場被衰減。

LPZ2：本區(qū)內(nèi)物體所有導電部件的電流和電磁場進一步減少。

1.2 風電防雷方案

風電機組防雷系統(tǒng)包括葉片防雷、避雷針、輪轂與機架連接、齒輪箱與發(fā)電機絕緣、發(fā)電機與機架絕緣、各電氣設備接地，控制柜屏蔽、電氣線路加裝電涌保護器和接地系統(tǒng)等。

當葉片受雷擊后，將雷擊電流從雷擊點安全地傳導到輪轂，經(jīng)由碳刷、偏航軸承、塔架至接地網(wǎng)（圖2）。在雷電流通過主軸承的地方增加抵抗層或設置絕緣層，齒輪箱和發(fā)電機組與支架絕緣，齒輪箱和發(fā)電機組就不會有雷電流直接通過，但會有較大雷擊感應電磁場。

圖2 機艙內(nèi)防雷設計

電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)處于LPZ2區(qū)，主要的防護措施有等電位連接、電涌防護、屏蔽等。

2 風電振動監(jiān)控系統(tǒng)防雷設計

風電振動監(jiān)控系統(tǒng)由主機、傳感器、通訊模塊等組成。主機位于控制箱內(nèi)，屬于LPZ2區(qū)。傳感器安裝于齒輪箱和發(fā)電機組上，屬于LPZ1區(qū)域。通訊模塊由網(wǎng)線、光纖收發(fā)器、光纖組成。網(wǎng)線和光纖收發(fā)器均在控制箱內(nèi)，屬于LPZ2區(qū)；光纖從控制箱內(nèi)引出，經(jīng)由塔筒至塔底控制柜，處于LPZ1區(qū)。

2.1 風電振動監(jiān)測儀受雷擊分析

風電振動監(jiān)測儀受雷擊損害主要通過以下幾個途徑：（1）通過電源的地電位反擊；（2）通過雷電產(chǎn)生的電磁場對風電振動監(jiān)測主機進行損害；（3）通過雷電產(chǎn)生的電磁場影響傳感器線路信號，產(chǎn)生感應電流，損害風電振動監(jiān)測系統(tǒng)的主機。

2.2 風電振動監(jiān)測系統(tǒng)的電源防護策略

風電振動故障監(jiān)測儀電源端需防止地電位反擊對主機造成的傷害。目前大多數(shù)風電振動監(jiān)測主機采用220V 供電，在設備內(nèi)部再進行交直流轉(zhuǎn)換。這種做法直接把交流干擾引入設備內(nèi)部，另外交直轉(zhuǎn)換會釋放大量熱能，提升電路內(nèi)部工作溫度，降低了安全性。

建議風電振動監(jiān)測儀采用外部直流源供電。在電源進線處進行多級SPD 防護。開關電源前端220V 接入SPD，開關電源選用內(nèi)部配置有SPD 的產(chǎn)品，設備內(nèi)部電源接口做電源限壓分流電路。同時需做好開關電源、風電振動監(jiān)測儀與風電機組電控系統(tǒng)的等電位連接，這樣就可以最大限度地降低地電位反擊對風電振動故障監(jiān)測主機的損害。

2.3 風電振動監(jiān)測系統(tǒng)的雷電電磁干擾防護策略

目前的風電振動監(jiān)測儀外殼一般是和電源地連接在一起的，這種設計雷擊時外殼產(chǎn)生的電流會直接影響到內(nèi)部電路板，容易對主機內(nèi)部電路板造成損害。

本文介紹了一種特殊的設計來實現(xiàn)雷電電磁干擾的防護。圖3為風電振動監(jiān)測儀主機的結構簡圖，電路板裝在一個全鋁機殼上，電路板電源地與內(nèi)層機殼相連，內(nèi)層機殼通過絕緣裝置安裝在一個全鋁封閉機殼上。

圖3 風電振動監(jiān)測主機防雷電電磁干擾簡圖

首先采用雙全鋁機殼設計，外層機殼厚度3mm，內(nèi)層機殼厚度4mm。雷電電磁脈沖為高頻脈沖，在通過金屬時會嚴重衰減，經(jīng)過7mm 的衰減，可極大地減少雷電電磁干擾。

另外，這種設計外層機殼連地，內(nèi)層機殼連接電路板電源地，形成了機殼接地、其他懸浮的理想抗干擾狀態(tài)。

2.4 風電振動監(jiān)測儀的信號端防雷策略

風機用加速度傳感器的有效電壓一般是10V 以內(nèi)。目前大多數(shù)風電振動主機的采集系統(tǒng)量程一般設計為±10V，超過10V，就很容易燒壞內(nèi)部采集電路。

本文介紹的風電振動監(jiān)測系統(tǒng)采用±30V 的大量程設計，并在主機信號接口板上對信號做防浪涌電路，如圖4所示。第一級電路采用氣體放電管作為高能量泄放元件，能夠泄放較大的浪涌電流。大部分的雷擊浪涌首先在第一級電路上泄放，但是第一級電路存在殘壓高、響應慢等缺陷。為了避免由此帶來的影響，圖4中采用了逐級降低殘壓、逐級提高響應速度的復合浪涌抑制辦法。

圖4 信號端防雷電路圖

另外，雷擊對傳感器線路的影響與線路長度有關。通過合理走線，傳感器至主機的距離控制在10 m 以內(nèi)。選擇有屏蔽線的傳感器，屏蔽線接到主機機殼上。

3 結語

本文主要結合風電機組的整體防雷系統(tǒng)，分析了雷擊影響風電振動監(jiān)測系統(tǒng)的三個主要途徑——地電壓反擊、雷擊電磁干擾、傳感器信號接口，并從這三個方面分析了現(xiàn)有防雷策略，提出了不足之處和改進方案。風電振動監(jiān)測儀的工作環(huán)境惡劣，防雷措施必須結合現(xiàn)場實際情況來合理實施。

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