永磁直驅風力發電機組的防雷接地保護探討

姚丙義

摘 要： 隨著永磁材料價格的降低，永磁直驅發電技術正發展成為風機大型化，高效化的不二之選。風力發電機組通常是安裝在曠野，山頂及沿海地區，其幾十米的高度使其遠高于周圍的建筑物，自然成為雷電首要的接閃物。特別是隨著風機容量的提升，其輪轂高度和葉片直徑的加大，使其受到雷擊破壞的概率極大。雷閃破壞已成為風機故障和停機的重要因素，甚至直接影響風電場的安全運行。針對永磁直驅風力發電機組的結構特點，對其進行雷電防護區域的劃分;從防雷系統和接地系統兩個角度出發，對機組的各組成部件進行了系統分析，并提出有效的防雷接地方案。

關鍵詞： 永磁直驅;雷電防護;防雷系統;接地系統

中圖分類號： TB????? 文獻標識碼： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.13.092

0 引言

風力發電機通常位置偏遠開闊，規模不斷擴大，所以整個風機極易成為附近最高的建筑結構，且被雷電擊中的概率與其物體的高度的平方值成正比，顯著增加了遭受雷擊的可能性。兆瓦級風力發電機的葉片高度達到150m以上，有數據統計，葉片被擊中率達4%，維修費用很快達到$30，000，并且維修時間曠日持久。加之其他通訊電氣元件被擊中率更高達20%，一旦發生即會給風電場造成直接和間接的巨大的經濟損失。可以說雷擊已成為威脅風力發電機組安全運行的最主要的自然災害。

1 風力發電機組的防雷接地系統設計原則

不像水電和火電機組有龐大的鋼結構廠房，設備一般遠離墻壁和接地引下線等，整個風機是完全暴露在直接雷擊的威脅下，且高度遠超過周圍的建筑，使其任何地方都可能成為雷擊的附著點。另外風機內部集成了大量的電氣、電子設備，無論那一點被雷擊中時，都會導致內部組件遭受外部接閃對象的高電位反擊。因此風力發電機組的防雷設計與一般的建（構）筑物不同，它更是一個集機械，電氣，控制等一體的綜合性防雷系統工程。既然雷擊的發生不可避免，那么我們就需要在風機的整體設計上，搭建一路或多路使雷電流快速導入到大地的泄放通道，最大限度的減少由雷電導入設備的電流，保障人員和設備的安全，將損失最大程度的減免。

1.1 接地系統設計

風電機組的接地系統設計，自底向上來說，主要包括地基和基礎環的連接接地，塔底的連接接地，塔筒內的連接接地和艙內的連接接地等幾部分。地基用于固定整個風電機組，從結構上分為籠式結構和地基環結構，這要根據機組所處的地質條件。但兩者的原理是一致的，均是采用環形接地設計，從基礎環最少有3條接地引線以120度的放射線與外環地網可靠連接。塔筒內的接地設計，主要是指塔筒內部金屬部件，如操作平臺，升降梯，門板等的連接接地。

1.2 防雷系統設計

雷電保護區域理論是風力發電機組防雷保護綜合設計的基礎。根據IEC61400-24或GB/Z 25427-2010的定義，防雷區域的劃分如圖1所示，定義在LPZ1保護區域內包括風機機艙、塔筒、塔底和箱變部分，在LPZ2保護區域內的部分是指物理安裝在LPZ1內部的柜子和元器件。像風速風向儀，葉片是在機艙外部安裝的，定義為在LPZ0B保護區域內。

在不同的保護區域內采用不同的防雷手段，從而減小或消除雷電破壞或電磁干擾，保證風機的電氣及電子設備的正常運行。

1.2.1 風機雷電防護的分類

參考《建筑物防雷設計規范》GB 50057-94（2000版）對建筑物的防雷分類，并結合風機各組成部件的結構空間的相互關系，可將風力發電機的防雷系統分為外部防雷系統和內部防雷系統兩大類，如圖2所示。

1.2.2 外部防雷系統—接閃器

風電機組的接閃裝置一般設置在最外部的五個位置，分別安裝在三個風機葉片、機艙罩項部、氣象站支架上，它們能最先接觸雷電并傳導雷電流。根據IEC61400-24《風力發電機組防雷擊保護》標準的要求，對葉片進行防雷擊設計。葉片自身設計有2處接閃設備，分別為鋁制葉尖接閃器和銅制接閃盤（直徑120mm，安裝在葉片表面），如圖3所示。

葉片引下線與輪轂銅排連通后，然后通過輪轂軸承內圈上安裝的接地電刷實現連通，然后主軸承內圈與定子把合，同時發電機定子與機座主軸承轉子剎車片也裝有碳刷，碳刷安裝在支架上，支架用銅排聯結于發電機定子機座上，發電機與安裝在機艙上的接地銅排之間用接地線連接;接地銅排與塔基進行接地線連接。

機艙項部裝有避雷針兩個，風速風向儀支架上設有圓形接閃器，為了保持地電位，這里也使用平行路徑理念，主要用最小截面積70mm2銅電纜連接于匯流排，從而構成一個完整電纜籠結構。

1.2.3 外部防雷系統—引下線

永磁直驅風機塔筒由四節或多節鋼制塔筒組成。應用平行路徑理念設計有三點（120度均勻布置）連接傳導雷電，即包括不銹鋼穿孔面板與塔筒節法蘭面的孔螺栓連接。在塔底部分連接處在三點（l20度均勻布置）與95mm2銅電纜母線連接，并與預埋的接地扁鋼良好連接，此處要求與接地要求一致。

1.2.4 外部防雷系統—接地系統

結合上面風機各部分的接地系統設計，風力發電機的接地由塔基的基礎接地提供，并與風機整機各部件接地通路共同構成風機遭受雷擊時的雷電流泄流通道，這里給出兩條路徑，如圖4所示。

1.2.5 內部防雷系統—控制系統的電涌保護

依據GB50057-1994的相關規定，浪涌保護器安裝位置及保護等級的不同，可將風機內設備的電涌保護裝置設置在以下六個部分：（1）發電機的保護;（2）機艙控制柜;（3）輪轂控制柜;（4）塔基變頻柜;（5）塔基控制柜;（6）變壓器端的保護，以及各自的弱電線路。圖5給出了SPD在各個不同設備中的配置。

對于電涌保護器的安裝，電源線路的各級SPD應分別安裝在被保護設備電源的前端，SPD各接線端應分別與配電箱內線路同名端連接。SPD的接地端與配電箱的保護接地（PE）端子排連接，配電箱接地端子排應與所處防雷區的等電位接地端子排連接。各級SPD連接導線應平直，其長度不宜超過0.5m。

1.2.6 內部防雷系統—等電位連接及屏蔽與隔離

等電位連接可以有效地抑制雷電引起的電位差，在防雷擊等電位連接系統內，所有導電的部件都相互連接，以減少電位差。包括金屬管線和電源、信號線路、變槳軸承、輪轂、發電機軸承、機艙鑄件、機艙機架、柜體、氣象站、液壓站等所有金屬部件形成一個完整的等電位連接網絡。風機機組消除電磁脈沖的措施一般有空間屏蔽和電纜屏蔽兩種。綜合布線部分主要集中在塔底和機艙，以及其他部件之間的線纜連接，此部分應更多的從電氣系統的角度考慮，結合中低壓電器設備和控制設備的電擊防護以及電磁兼容性EMC的相關標準，設計合理的電氣間隙和走線路徑。

2 結論

隨著科學技術和人類對大自然的認知的不斷發展，風機的防雷設計已經從簡單的安裝外部避雷器來保護發展為多學科，多領域的一項綜合系統工程。本文從永磁直驅風力發電機組的結構入手，對其進行防雷保護區域的劃分;并從接地系統設計和防雷系統設計兩個角度，提出了一套從塔基到葉片等風機機組的各個組成部分的不同的防雷接地系統設計方案。我們應該在進行風電場的系統整體防雷時引進雷電風險評估程序，或可進行針對性的防護設計及產品選型。我們更要從跨學科，跨領域等多角度來考慮防雷保護的設計方案，不斷提高與完善防雷設備的可靠性，最大限度的減小雷電的損害。

參考文獻

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