風力發電機組防雷保護研究

王森

(太原重工股份有限公司技術中心，山西太原 030024)

風力發電機組防雷保護研究

王森

(太原重工股份有限公司技術中心，山西太原 030024)

介紹了雷電生成機理及其對風電機組的危害形式，分析了風電機組防雷保護的必要性，依據雷電特點、雷電防護區及防雷保護原理，從外部防雷系統和內部防雷系統兩個方面進行了研究，給出了雷電接收、雷電傳導接地、等電位連接、電涌保護及屏蔽隔離等防雷保護的具體措施。

風力發電機組，防雷系統，等電位連接

隨著近年來風電機組單機容量越來越大，風機的輪轂高度隨之增高，葉片長度也隨之加長，而風電機組又多工作于空曠風大且雷暴日較多的地方，因此它會不可避免的遭受雷電的影響，如果沒有合理的防雷保護措施，雷電釋放的巨大能量會對風力發電機組的機械、電氣及控制設備造成嚴重的損壞，甚至給風機的運行維護人員帶來巨大的生命威脅。因此風力發電機組的防雷保護已日益引起各個風電機組制造廠家和風電機組研發設計人員的重視，為保證風電機組安全運行和人身安全不受危害，風力發電機組必須具備一套合理可靠的防雷保護系統。

1 雷電的形成和危害

雷電是伴有閃電和雷鳴的帶異性電荷的雷云間或帶電荷雷云與大地間的放電現象［1］。對風電機組有較大威脅的往往是雷云與大地間的放電，即帶負電荷的云層向下靠近地面時，地面的凸出物、金屬等會被感應出正電荷，隨著電場的逐步增強，雷云向下形成下行先導，地面的物體形成向上閃流，當云和大地間的電位差達到一定程度(25 kV/cm～30 kV/cm)時，即會發生猛烈對地放電。風力發電機組多安裝于空曠地區，且其葉片、機艙等部件高度較高，在雷雨天氣里很容易成為被雷擊的目標，如果沒有良好的防雷裝置，風電機組很容易被雷擊并造成機械及電氣設備的損壞，不僅損失發電量，而且還需要擔負巨大的維修費用。因此，雷害是威脅風電機組安全經濟運行的嚴重問題，需引起我們的重視，加強對風電機組的防雷保護。雷電發生時產生的雷電流是對風力發電機組的主要破壞源，其危害有直接雷擊、感應雷擊以及由線路引導的侵入雷擊［2］。

2 雷電防護區劃分

雷電防護區的劃分是規劃風力發電機組綜合防雷保護的基礎，它是針對于結構空間的一種設計方法，通過在構筑物內創建一個穩定的電磁兼容性環境以保證風電機組機械及電氣系統等得到足夠的保護［3］。雷電防護區(LPZ)是根據設備是否受直接雷擊以及所受雷電流和雷電磁場的強弱來定義的，如圖1所示，按照雷電對部件所在區域的影響，風力發電機組的雷電防護區大致可分為直擊雷非防護區(LPZ 0A)、直擊雷防護區(LPZ 0B)、第一屏蔽防護區(LPZ 1)及后續防雷區(LPZ n+1)等。

3 防雷保護系統設計

風力發電機組防雷保護系統設計的合理性直接影響著風電機組運行的安全性，在防雷保護設計中，輪轂高度不超過60 m的風力發電機組的保護等級要達到Ⅲ/Ⅳ級，輪轂高度在60 m以上的風力發電機組的保護等級要達到Ⅱ級。為了便于系統維護，風力發電機組防雷保護設計需要遵守相關的標準和設計規范，目前防雷設計主要依據的標準和規范有:IEC 61024—1 Protection of Structures Against Lightning，IEC/TR 61400—24風力發電機系統防雷保護，IEC 61312—1雷電電磁脈沖的防護，GB 50057—2010建筑物防雷設計規范，GB/T 21714.1—2008雷電防護，IEC 61643—1 2005 SPD等。風電機組綜合防雷是一個系統工程，需要從外部防雷和內部防雷兩方面，針對不同的防雷區域采取有效的防護手段，主要包括雷電接收及傳導、等電位連接、電涌保護、電控系統防雷等措施，充分考慮雷電特點，最大限度地防止雷電對風電機組造成破壞［4］。

3.1 外部防雷保護系統

外部防雷保護系統可以有效的將襲擊風電機組的雷電流導入大地，避免風電機組遭到雷電直接破壞。通常情況下，風電機組在遭遇雷電襲擊時，會通過兩條路徑將閃電導向大地。如圖2所示，一條路徑是由葉片頂端的接閃器接收大部分雷電流，通過引下線將電流引到葉片根部進而引到輪轂上，而輪轂與主軸相連，電流可直接導到主軸上，然后通過三個主軸防雷碳刷將雷電電流引流到主機架上。另一條路徑是雷電流由安裝于風速風向儀支架上的避雷針接收，然后通過外部連接線將其導入機艙罩內部預埋的避雷系統，進而導入主機架。通過這兩條路徑將雷電流導入主機架后，再通過三個偏航防雷碳刷將電流導向塔筒，最終使其流入大地，從而起到一定的防雷保護作用。

圖1 風力發電機組雷電防護區劃分

圖2 風電機組整機防雷系統雷電流走向

1)葉片防雷及避雷針。風電機組的葉片、機艙蓋及機艙頂上的風速風向儀由于高度較高，極易遭到雷電直擊破壞，為了能夠有效的接收雷電流并將其可控的導入大地以保護設備，每個葉片都裝備一套完整的內部防雷系統，如圖3所示，該系統由位于葉片頂端鋁制的葉尖接閃器接收雷電，然后通過與葉尖接閃器相連并敷設在葉片內部的金屬網或鋼絲引下線將雷電流引流到葉片根部。對于位于機艙頂部設施(如風速風向儀、航標燈等)的防雷保護，則采用安裝于風速風向儀支架上的避雷針接收雷電。

圖3 葉片防雷系統結構

2)葉根到主機架雷電傳導。葉片引下線可直接敷設到葉根中心位置并與金屬連接件相連，而每個葉片對應輪轂面的中心位置也固定有金屬連接件，兩連接件之間通過編織銅電纜相連，這樣就可以有效的將葉片接收-0的雷電流傳導到輪轂上，見圖4。

輪轂是金屬結構，本身具有良好的導電屏蔽效果，它與主軸之間通過螺栓把合，雷電流可以從輪轂直接傳導到主軸的法蘭盤上，而主軸的轉動部分和主機架的靜止部分之間，通過三個防雷碳刷和與其平行安裝的有間隙的三個放電導板相連接，使得雷電流可越過旋轉軸承轉移到主機架上，如圖5所示。

圖4 葉片與輪轂間防雷設計

圖5 主軸與主機架間防雷設計

3)機艙罩避雷系統。如圖6所示，風速風向儀支架上的避雷針通過外部連線接入機艙罩，機艙罩內部連接線與機艙罩預埋避雷系統相連接，將閃電由機艙罩接入機架及塔筒避雷系統，同時前部機艙罩預埋避雷系統與輪轂及葉片避雷系統相連接，將葉片接閃接入主機架及塔筒避雷系統傳入地下，完成避雷。

圖6 機艙罩避雷系統走線

4)塔筒雷電流傳導。風電機組的塔筒一般由多節組成，為了保證雷電流能良好傳導，根據等電位原理，將相鄰兩節塔筒用平均分布于塔筒端的4根50mm2的銅編織電纜連接起來，而塔基法蘭連接到基礎建筑的3個～4個接地電極點上，從而確保雷電流安全的導入大地。

3.2 內部防雷保護系統

雷電襲擊風電機組時，除對其造成直接破壞以外，雷電流超強的電磁感應會使風機內部的金屬設備間產生局部電勢差，造成局部放電，同時沿電源線、信號線或其他金屬管線侵入到風機內部的高電壓和雷電脈沖，也會導致通訊和電氣設備瞬間燒壞。因此在風機內部各系統需要采取等電位連接、安裝電涌保護器、內部屏蔽及合理綜合布線等措施。

1)等電位連接。為了有效防止雷電感應引起的局部電勢差，風機內部系統須做等電位連接，將輪轂、變槳柜體、主軸承、齒輪箱、發電機、液壓站、主控柜體、變流器、機艙主機架、金屬管線等所有金屬部件利用銅質電纜相互連接，以達到各點電位均衡的目的。同時風機內部所有的金屬設備等電位連接后要與內部防雷系統接地裝置相連接，而內部與外部防雷系統共用同一個接地裝置，從而保證內外防雷系統處于相等的電位上。

2)電涌保護。在風電機組后續防雷區，仍然會存在一定的感應電脈沖，如果不做任何防護可能會對電氣設備造成損壞。在電氣接地裝置與防雷接地裝置共用或相連的情況下，應在低壓電源線路引入的總配電箱、配電柜處裝設Ⅰ級試驗的電涌保護器［5］。電涌保護器一端串入電路另一端接地，可有效吸收電涌過電壓，從而保護電子設備免遭破壞。

3)屏蔽及隔離措施。為了進一步消除電磁脈沖對電子信號的干擾，一方面將主控系統、變槳系統、變流器等電子系統的金屬柜體可靠接地，另一方面對通訊、傳感器信號等采用帶金屬屏蔽層的電纜進行傳輸，且屏蔽層可靠接地。其次，為了達到光電隔離，保證通信質量的目的，機艙柜和塔基柜之間的通信線采用光纖。最后，在合理布線時，須將動力線和信號線分開鋪設，且電纜走線盡量避免出現環狀。

4 結語

合理完整的防雷保護系統是保證風力發電機組安全穩定運行的必要條件。本文從雷電的生成機理和危害入手，闡述防雷保護的必要性。然后劃分風電機組防雷保護區，并從外部防雷和內部防雷兩個方面提出合理的防雷保護措施，為大型風力發電機組整機防雷設計提供參考。

［1］ 黃朝軍.淺析雷電的形成機理及預防［J］.科技信息(科學教研)，2007(25):82-83.

［2］ 劉曉林.風電機組的雷電防護［J］.船電技術，2011(7):136-137.

［3］ 康春華，張小青，王 芳.風電機組的防雷問題［J］.山西電力，2006(6):54-55.

［4］ 元建學，田華軼.大型風力機的防雷保護［J］.延安大學學報(自然科學版)，2008(4):120-122.

［5］ 趙海翔，王曉蓉.風電機組的雷擊過電壓分析［J］.電網技術，2004(4):69-70.

Research of lightning protection for w ind turbine

W ang Sen

(Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co．，Ltd，Taiyuan 030024，China)

This paper introduces the generatingmechanism of lightning and the harm ofwind turbines，and analyses the necessity of lightning protection ofwind turbines.According to the characteristics of lightning，lightning protection zone and lightning protection principle，the thesis does research from two aspects:external lightning protection system and internal lightning protection system，and gives specificmeasures such as lightning intercept，lightning conduction，lightning equipotential bonding，surge protection and shielding and isolation.

wind turbine，lightning protection system，equipotential connection

TM621.3

A

1009-6825(2015)29-0147-02

2015-08-10

王 森(1987-)，男，碩士，助理工程師