淺談風力發電機組的雷電防護措施

林品樂 陳光健

【摘要】本文首先講述了雷電的危害，然后介紹了雷擊造成的電力危害最后介紹了防雷保護設計。

【關鍵詞】發電機組，雷電防護，措施

一、前言

隨著社會的不斷發展，國家的發電方式也在不斷地改進。風力發電是利用自然界的力量進行發電的，是符合國家可持續發展的。對于風力發電機組的防雷是確保安全供電的措施。

二、雷電的危害

1、直擊雷

帶電的云層對大地上的某一點發生猛烈的放電現象，稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導致放電通道內的物體、建筑物、設施、人畜遭受嚴重的破壞或損害――火災、建筑物損壞、電子電氣系統摧毀，甚至危及人畜的生命安全。

2、雷電波侵入

雷電不直接放電在建筑和設備本身，而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴散，侵入并危及室內電子設備和自動化控制等各個系統。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設備、控制系統等可能已經損壞。

3、感應過電壓

雷擊在設備設施或線路的附近發生，或閃電不直接對地放電，只在云層與云層之間發生放電現象。閃電釋放電荷時，在電源和數據傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應生成過電壓。

雷擊放電于具有避雷設施的建筑物時，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場，輕則造成電子設備受到干擾，數據丟失，產生誤動作或暫時癱瘓；嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統陷于癱瘓。

4、系統內部操作過電壓

因斷路器的操作、電力重負荷以及感性負荷的投入和切除、系統短路故障等系統內部狀態的變化而使系統參數發生改變，引起的電力系統內部電磁能量轉化，從而產生內部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發生的概率卻遠遠大于雷電感應過電壓。實驗證明，無論是感應過電壓還是內部操作過電壓，均為暫態過電壓（或稱瞬時過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數據庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。

5、地電位反擊

如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設施，接地網的地電位會在數微秒之內被抬高數萬或數十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統或各種網絡信號系統，或者擊穿大地絕緣而流向另一設施的供電系統或各種網絡信號系統，從而反擊破壞或損害電子設備。同時，在未實行等電位連接的導線回路中，可能誘發高電位而產生火花放電的危險。

三、雷擊造成的電力危害

1、降低效益

從當前電力行業的發展狀況看，自然界雷擊問題給風力發電機組帶來的危害表現在安全生產上，如：設備安全、人員安全等，這些都給電力企業造成了較大的經濟損失。此外，在設備維修上也會增加風力發電的成本，不利于電力企業長期的電能生產運行。

2、損壞設備

風力發電機組遭受外在雷擊之后，最直接的則是對整個設備造成強電流刺激。若雷擊電流過小，則一般只會對機組表面輕微損壞；若雷擊電流過大，則容易破壞發電機組內部的線路連接情況，阻礙了機組的正常運行而破壞電力系統的正常性能發揮。

3、意外事故

安全生產是我國電力行業堅持的理念準則，但由于風力發電機組是野外作業，在運行期間電力人員會對發電機組進行維修處理，若受到雷電襲擊很容易造成人員意外事故。此外，風力發電機組受到雷擊破壞后整體性能下降，給安全生產也買下了隱患。

四、防雷保護設計

現代防雷技術涉及到許多行業，其中有使用維護系統、設計施工系統、設備生產制造系統、防雷裝置生產、檢測系統等。從技術角度上看也是一系統工程。系統結構愈合理，系統的各個組成部分（或要素）之間的有機結合就越合理，相互之間的作用就越協調，才能使整個系統在總體上達到最佳的運行狀態。

比如防雷設計首先要從被保護物所在地理、氣象環境出發，要從被保護物的重要性和復雜性以及雷擊的后果嚴重程度出發。在設計中要考慮現有的保護裝置的有效利用，要與供電系統的型式、暴露程度，所有線纜的架設，設備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機配合，以及裝設后對設備的正常工作是否產生不允許的影響，雷擊發生后的反應和自復能力等等復雜的因素進行綜合考慮，當然，還應考慮投資與效益的關系。按照防雷保護分區的概念，一個綜合防雷系統包括：①外部防雷保護系統：接閃器、引下線、接地系統。②內部防雷保護系統：防雷擊等電位連接、電涌保護、屏蔽措施。

1、防雷接地

風力發電機組的特點是整機全部由大部件的鋼構材料組成，如塔筒、發電機、齒輪箱、軸承等，當機組遭到直擊雷時，整機電位瞬態抬升，雷電流通過葉片變槳軸承、輪轂、主軸到偏航齒輪、塔筒、基礎環向大地泄放電荷，這時作為整機參考地面積最大的塔筒上將產生幾千伏甚至上萬伏的瞬態電壓，如果整機中某部分的等電位工藝所采用接地線的阻抗不一致，則有可能造成阻抗較低端因高電位反擊擊穿造成設備損壞。

從防雷觀點出發，風力發電機組宜設一共用接地體，即避雷針與塔架共用接地系統。接地體的布置一般可采用基礎接地體或人工環形接地體。為了防止地電位反擊，引下線與接地裝置連接時，應連接到接地裝置的邊緣部分，形成共地不共線，機組接地電阻的大小直接影響機組在接閃后是否會造成地電位反擊的重要參數。同樣是遭雷擊，接地電阻低的機組電控系統沒有任何損壞；而接地電阻高的機組，大多造成電控設備的損壞。還有一些防雷公司將風場接地全部聯合起來形成大地網，而實際情況確卻是，當這個大地網上的某一機組遭雷擊后，相鄰機組由于接地電阻不同而受到地電位反擊，此類事故在很多采用多機聯合的風場中非常常見。

2、電子信息系統防護

（一）、電磁屏蔽

電力和信息回路線纜由機艙到地面網柜、變流器、塔底控制柜處應采取屏蔽電纜或穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應在柜內采取相應的防雷擊電磁脈沖措施。

對發電機系統，繼電保護和控制系統、通信和信號以及計算機系統都應安裝相應的電涌保護器（SPD）加以保護。各電氣柜應采用金屬薄板制作，并將每個電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接，這樣可以有效地防止電磁脈沖干擾

（二）、機艙內各種機柜的防護

各種機柜內的進線、出線處通過雷擊風險評估后，根據評估結果進行設計，根據建筑物信息系統的重要性和使用性質確定雷電防護等級，風力發電機可以定為B級防護。在被保護的設備處加裝三級浪涌保護器。第一級采用開關型的電涌保護器，第二級和第三級采用限壓型的電涌保護器。且各參數必須符合規范要求的最小值。

（三）、塔底設備柜的防護

在易遭受直擊雷的部位加裝通過一級分類試驗的電源避雷器，在艙底的設備柜內加裝通過二級分類試驗的電源避雷器，在弱點設備的電源處還應加裝通過三級分類試驗的電源避雷器，使設備得到充分的保護。在采取三級保護措施的同時，還應注意各級SPD能力匹配的問題，根據規范要求，當電壓開關型浪涌保護器至限壓型浪涌保護器之間的線路長度小于10m、限壓型浪涌保護器之間的線路長度小于5m時，在兩級浪涌保護器之間應加裝退耦裝置。

五、結束語

風力發電的設備是處于空曠地界的高建筑，容易遭受雷電。本文對雷電的危害以及風力發電機組的防雷措施進行了講解。通過防雷措施來確保放電機組的安全供電。

參考文獻

[1]葉啟明.大型風力發電機組系統結構與特點[J].大眾用電，2012，（7）.

[2]林志遠，黃聰.風力發電機組的防雷問題[J].廣東電力，2011