風力發(fā)電機組防雷的研究分析

薛成亮

風力發(fā)電是當前世界可再生清潔能源利用中技術相對較成熟，同時應用實際規(guī)模較大的一種方式。而根據(jù)風力發(fā)電機組的特點的多年運行以來的總結(jié)，雷電災害是風力發(fā)電受影響的重大自然災害之一，因此，必須為風力發(fā)電機組內(nèi)的電氣、電子元件采取有效的防雷措施。通過采取有效的防雷保護措施，機組設備得到了保護，不僅降低了維護時間和維修費用，并且可以顯著提高設備利用小時。這里，我們拿SL1500/82型風力發(fā)電機組為例，對采取防雷措施進行分析和研究。

一、機組雷擊導致機組停機的原因

1）由于凸輪編碼器距控制柜較遠，編碼器電纜沿主機架布線，而且編碼器側(cè)沒有防雷保護，使雷擊導致的電涌很容易沖擊損壞凸輪編碼器。

2）現(xiàn)有剎車壓力開關為電子式壓力開關，其電纜位于齒輪箱表面，非常容易受電涌沖擊，導致燒毀。且其電纜較長，無法受到浪涌保護器保護，并且在主系統(tǒng)中，主控只接受壓力有無信號，只要能感受到制動器打壓正常即可，所以此開關選型也不夠科學。

3）制動器保險回路及急停復位回路使用的浪涌保護器均為差模型浪涌保護器。通過圖紙原理分析，制動器保險回路和急停復位回路均采用為24VDC電源線，而差模型浪涌保護器只能使用于小信號，所以當雷擊產(chǎn)生高頻信號不能通過大地釋放掉，只能實現(xiàn)高低電勢之間互串，導致多功能繼電器死機或其他期間損壞；共模浪涌適合于電源信號，當雷電引發(fā)的高頻信號造成電位提升時，可以通過放電管和反向二極管將電流放到保護地。

4）Bachmann機組中，缺少很多由柜外進入柜內(nèi)電纜的防雷保護，其中風速風向儀模塊的電纜當帶有高壓電涌時，由于沒有浪涌保護，會直接導致風速風向儀模塊燒毀，此問題發(fā)生較頻繁。

5）滑環(huán)編碼器接線由控制柜引出，經(jīng)過主機架等雷電泄放回路，接至滑環(huán)編碼器，在編碼器端無任何保護，常因高壓感應電涌導致編碼器燒毀，因為滑環(huán)編碼器和滑環(huán)是一體結(jié)構(gòu)，不能更換，所以只能通過更換滑環(huán)來解決，不僅導致機組運行成本增高，而且嚴重影響機組可利用率。

6）SL1500原有防雷設計中，缺少很多由柜外進入柜內(nèi)電纜的防雷保護，這些接至PLC點、偏航變頻器電纜當帶有高壓電涌時，會導致PLC和偏航變頻器死機甚至損壞，導致機組失控，不僅影響可利用率，而且也存在機組失控的隱患。

二、機組電氣電子元件的防雷措施

1）凸輪編碼器。SL1500機組凸輪編碼器的作用是在機組偏航過程中監(jiān)視和記錄機艙偏移的角度，防止機艙工作時超出工作位置對電纜產(chǎn)生傷害。在SL1500機組中，安裝在機艙底部，和偏航大齒圈相嚙合，凸輪編碼器的浪涌保護安裝在NCC310控制柜中，但是由于機艙控制柜浪涌位置與凸輪編碼器位置較遠，并且之間連接線通過主機架。

通過凸輪編碼器在雷電中損壞的電氣原理，符合防雷規(guī)范50cm以內(nèi)準則，只要在編碼器近端加浪涌保護，就能徹底解決此此問題，因此可通過更換加有浪涌保護的電路板替換之前的電路板的方式對編碼器進行防雷保護。

2）制動壓力開關。目前SL1500機組使用壓力開關為電子式壓力開關，雖然NCC310控制柜已經(jīng)安裝浪涌保護器，但是其電纜位于齒輪箱表面，距離浪涌保護距離較長，容易受電涌沖擊，導致燒毀。通過壓力開關損壞原因分析，所以選取無源壓力開關，其結(jié)構(gòu)完全有機械機構(gòu)構(gòu)成，反應靈敏，并且無需要電源，既滿足機器測壓需求又降低了雷電損壞的隱患。

3）機組安全鏈。SL1500機組在雷電天氣經(jīng)常出現(xiàn)K230.6安全鏈保險燒壞、安全繼電器死機及急停按鈕不能復位問題，通過現(xiàn)場調(diào)研分析，機組安全鏈回路及制動器保險回路使用的浪涌保護器均為差模保護型浪涌保護器。

當雷電引起的暫態(tài)電壓進入浪涌器件，保護器中1點到3點線路的暫態(tài)電勢通過放電管會匯總到2點和4點之間的線路上，最終導通到大地，所以有一個暫態(tài)時刻落到2點、4點線路的暫態(tài)電勢會很大，如果2點接輸入N線，那么殘壓會匯總到N線上最后和PE形成回路放掉，不會對線路造成傷害，但是如果2點和4點構(gòu)成的線路為信號線，那么這條回路所連接的元器件很容易受到高壓，造成損壞。

所以當差模浪涌保護器只能對電源信號起到保護作用，對反饋信號或模擬信號不能起到保護作用，而共模浪涌在雷電侵襲時會雙線路對地放電，不會導致此危害，因此這兩個回路均需使用共模型浪涌保護器，否則會導致保險燒毀或安全繼電器死機。

4）偏航變頻器、風速風向儀模塊及PLC模塊。此幾種電器元件有很多信號線由柜外接至柜內(nèi)，無任何浪涌保護或元器件選型錯誤，在雷電工況下，外部信號線會受感應磁場影響生成電泳，并導致偏航變頻器燒毀，因此針對相關回路也需要增加浪涌保護。

5）滑環(huán)編碼器。在SL1500機組中，對于滑環(huán)編碼器的防雷浪涌保護器安裝在NCC310控制柜內(nèi)，但是機艙控制柜與滑環(huán)安轉(zhuǎn)距離較遠，遠遠大于50cm安全距離，所以對滑環(huán)編碼器根本起不到保護作用。我們對滑環(huán)內(nèi)部進行分析，滑環(huán)內(nèi)部550VDC、230VAC及24VDC均有浪涌保護器對相關線路進行保護，但是滑環(huán)變頻器是通過滑環(huán)接頭，直接連接到機艙控制柜中，無任何保護措施，所以在雷電天氣下，很容易受到感應雷影響，燒壞滑環(huán)編碼器。

針對SL1500 風機損壞原因及GB 16895.22-2004中的相關要求。可采取一種專門研制的專用浪涌保護模塊，通過在滑環(huán)進線口處加裝防雷模塊，保證了浪涌保護的安全距離，能夠徹底解決滑環(huán)編碼器損壞問題。

6）PT100。雷電天氣下，測溫PT線路暴露在高頻感應磁場中，線路中形成的電泳容易導致測溫PT燒毀，經(jīng)現(xiàn)場實際探查，機組部分未安裝浪涌保護器，個別線路沒有屏蔽層，并且PT100涉及線路較長，本次技改將PT電纜更換為雙絞屏蔽電纜，可降低PT燒毀情況，并且在未加裝浪涌的元器件上添加浪涌保護。

7）屏蔽線等其他防范措施。當雷電工況時，在機艙內(nèi)部，金屬柜體及金屬器件都需要進行等電位聯(lián)接，防止在雷擊過程中由于跨步電壓的產(chǎn)生導致的導線兩端器件損壞，控制柜間若無等電位連接電流將從電壓較高的1 柜流向電壓較低的2 柜，因此會損壞信號線兩端連接的器件。很多PLC信號線由柜外接入并直接接至PLC點，進入控制柜時沒有浪涌保護器對起保護，當線路中攜帶高壓電泳時，會導致PLC模塊燒毀。

因未經(jīng)防護的PLC信號點較多，從成本角度考慮，對所有信號點增加防雷保護并不現(xiàn)實。通過對以往損壞的PLC模塊進行分析，發(fā)現(xiàn)大部分問題發(fā)生在PTAI216模塊上，可對此模塊增加防雷保護，以此在成本合適的情況下，避免大部分PLC模塊燒毀問題。之前bachmann機組模擬量信號無浪涌保護，所以此次技改把相關信號加浪涌保護器，保證機組在雷電天氣下PTAI216不受雷電侵害，所以本項技改對A243.1模塊和A244.1模塊進行改造，此次選型浪涌保護器為共模浪涌保護器。

三、實踐中的應用實例

通過此種風機防雷的措施分析，有效降低了占SL1500機組累積故障率的90%以上，解決了因雷擊導致的凸輪編碼器燒毀、剎車壓力開關燒毀、多功能繼電器死機、柜內(nèi)3.15A等保險燒毀、風速風向儀模塊燒毀的問題。通過在SL1500機組上試驗運行后，取得的效果明顯。

[1]GB 50057-94 建筑物防雷設計規(guī)范

[2]GB 50343-94 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范

[3]GB T21431-2008 建筑物防雷裝置檢測技術規(guī)范

[4]DL/T620 《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》

[5]GB/T 11024.1-2001《放電器》

[6]IEEE 《Standard for Neutral Grounding Devices》