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1、风力发电机的防雷保护李滨峰，蔡德强，陈雪梅（广东省阳江市气象局，阳江，529500）摘 要： 风电是一种非常清洁的可再生能源，我国风电发展势头非常强劲。在影响风电场安全运行的诸多因素中，对雷电的防护是一个不容忽视的问题，在雷击过程中，雷电流流过机架和塔筒时会对其中的传感器件、通信线路甚至电力线路产生感应过电压，这些暂态过电压将对风电机组的正常运行造成影响。本文结合风力发电机防雷的研究成果，从风力发电机直击雷防护，风轮、机舱、水平轴、和塔身的等电位连接，电磁屏蔽，机舱内各种柜的防护，塔底设备柜的防护，防雷接地等，对风力发电机的雷击过程、及防雷措施进行了阐述。关键词：风力发电机；雷击保护；防雷接地
2、1 引言风力发电机的高速发展是全球能源问题的一个表现，随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风力发电机制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电机在全世界范围内非常迅速的发展并大规模的建设的同时，风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注。影响风电场安全运行的因素很多，其中遭受雷击是一个非常重要的方面。再加上风力发电机一般安装于开阔地带或山地，因此风力发电机遭受雷击的概率也较大。以德国风电场遭受雷击的情况为例。德国风电部门对该国风力发电机的故障情况进行了统计，结果显示德国风电场每百风机年的雷击率基本在 10%左右，在所有引起风力发电机组故障的外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）
3、中雷击约占 25%。由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风力发电机遭受雷击，为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并采取有针对性的防雷措施，使雷击造成的损失减到最小。本文以某公司在阳西县上洋镇试运行风力发电机的情况进行分析及防雷设计。2 上洋镇风电场概况阳西海岸线长达 170 多公里，风力资源十分丰富，阳西上洋镇某公司风电场已完成项目选址，测风数据收集分析，日平均风力在 6.5 米每秒以上。并安装有 600KW、50 赫兹风力发电机，该风力发电机自重 100 多吨，安装在海边丘陵上，支架高度 60 米。据历年的气象观测资料显示，阳西县的年雷暴日为 92 日，属于高雷暴区。阳
4、西上洋镇风电场为丘陵、山地地形。3 风力发电机的基本工作原理风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机主要有叶片、机舱、塔身、塔底设备柜等组成。4 风力发电机的防雷 4.1 风力发电机直击雷防护 4.1.1 叶片防雷叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体而导致本身发热膨胀、迸裂叶片损害。研究表明：不管叶片是用碳纤维复合材料或玻璃纤维制成，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。根据以上研究结果，本工程风机叶片采用专用的防雷系统，该系
5、统由雷电接闪器和雷电传导部分组成(如图 1 所示)。在叶尖装设接闪器捕捉雷电，通过敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网,约束雷电，保护叶片。图 1 叶片防雷示意图4.1.2 机舱、塔架及引下线防雷如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于实现了对机舱的直击雷防护。虽然如此，也需要在机舱尾部设立一个80cm避雷针，用作保护风速计和风标免受雷击。根据 GB 50057-2010 规范要求，按照建筑物的防雷分类，高于滚球半径的建筑物，应设置水平接闪器。一般大型风力发电机其直击雷防护应按建筑物二类防雷类别来考虑。当超过 45
6、m 时，应在 45m 及以上部分设置水平接闪器。风力发电机超过 45m 的塔架部分，根据 GB/T 19072-200X(风力发电机组.塔架) 规范对塔架主要材料的要求，塔架壳体钢板厚度远大于 4mm，可作为承受直击雷的载体。机舱部分，机舱外壳应采用钢板制成，钢板厚度必须大于 4mm，作为承受直击雷的载体，防止雷电发生绕击和侧击时，穿透机舱，对机舱内设备造成损坏。如果机舱外壳为复合材料时，应在机舱外面敷设金属网格，兼作接闪器和屏蔽之用。网孔宜为 30cm30cm，钢丝直径不宜小于 2.5mm。必要情况下，需通过屏蔽计算，加大金属网格的密度和铁丝的直径。各网格连接处应焊接以保证电气连接。 接闪器
7、到接地装置的引下线应按有较多并联的电流路径且为直线垂直安装，使其具有最短、最直接路径的原则布置；本工程机组采用塔架本体将雷电流传输到底部，并通过 3 个接入点传输到接地网（但应注意用于塔架预应力拉桩的螺栓，不应用于接地目的）。4.2 等电位连接机舱内的金属设备如：金属构架、金属装置、电气装置、通讯装置和外来的导体作等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过接入点传输到接地网。线路的所有导体应直接或非直接连接。相线应采用电涌保护器连到防雷装置或总接地连接带上。本工程主配电采用的是 TN-C 式供电系统，即系统的 N 线和 PE 线
8、合为一根 PEN 线。在 TN 系统中，PE 线或 PEN 线应直接连到防雷装置或总接地连接带上。基础接地体或环形接地体的端部接线夹应进入塔架内部，并连接到等电位连接带。4.3 电磁屏蔽 电力和信息回路由机舱到地面并网柜、变压器、塔底控制柜处应利用金属丝编织网、金属软导管、栈桥等实现屏蔽。还应穿入接地金属管（槽） ，使反击率降低。屏蔽层的搭接处，即管与管、槽与槽、管与槽、管与接线盒等部位的连接处，均需进行电气跨接。各回路应在柜内安装相应防雷装置，且在穿管每一LPZ交界处时，与该层等电位连接带连接。这样各系统在各节点层层设防，能有效的防护雷电流的反击。 4.4 机舱内部防雷(过压保护)变桨控制柜
9、和机舱控制室位于风机顶端，雷雨天气时容易遭受直击雷，变桨控制柜里电源线等用电设备进线前端应安装相应的100KA三相交流避雷器、100KA单项交流避雷器和5KA 24V直流电源避雷器。从塔底控制室到机舱控制室的Ups进线端（机舱控制室）安装100KA电源避雷器。机舱到变桨柜通讯线采用双绞线通讯，双绞线两端在进入设备前应安装信号避雷器。双绞线必须穿金属管敷设或采用屏蔽双绞线，且金属管或屏蔽层两头接地。 4.5 塔底设备柜的防护：4.5.1 塔底控制柜到机舱控制室的ups输出端加装40KA电源避雷器。4.5.2 变流器到机舱发电机转子的出线端和进线端分别加装40KA电源避雷器和100KA电源避雷器。
10、4.5.3 并网柜到发电机定子之间的出线端和进线端分别加装 40KA 电源避雷器和 100KA 电源避雷器。4.5.4 塔底各机柜的二次仪表线路应加装相应的 20KA 电源避雷器。以上线缆建议采用穿金属管走线或者采用铠装电缆，金属管或铠装电缆必须在进入设备柜之前接地。电源避雷器的接地宜和风机的钢结构体连接在一起。4.6 风力发电机的接地： 良好的接地是保证雷击过程中风力发电机安全的必备条件。由于风电场通常会布置在丘陵、山地等地型且范围非常大，而丘陵、山地的土壤电阻率一般较高，因此按照一般电气设备的接地方式设计风力发电机的接地系统显然不能满足其安全要求。风电机组的接地装置一般可采用一种或多种组合
11、:一个或多个环形接地体、基础接地体(基础接地体应是可延伸的)、水平接地体或垂直（或斜形）接地体，其所包围的面积的平均半径应不小于 6m。风电机组的混凝土基础内互相连接的钢筋网可作为自然接地体。另外，还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受雷击时可显著降低风电场的地电位升高，也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。 5 结论雷击是影响风力发电机乃至整个风电场安全运行的因素之一。进行风力发电机防雷保护是风电场安全运行不可或缺的组成部分，在做好直击雷防护、等电位连接、电磁屏蔽的同时，加装避雷器，并做良好的接地，使设备得到充分的保护。使雷击对风电机组的影响降低到最低点。我国领土辽阔，南
12、北区域雷电活动差异大，且地质条件迥异，因此，在风电机组防雷装置设计要求上应当因地制宜，采用更加经济合理有效的方法，保证风电机组的安全运行。参考文献参考文献1 许颖.变电所防雷保护的几个问题浅见（Some aspects related to lightning protection of substations）J .电网技术（Power System Technology） ，2000，24(4)：12-252 IEC61400-24，风机发电系统，雷电保护第 24 部分. S .国际电力技术委员会，2002-73 GB50057-2010， 建筑物防雷设计规范(2010 年版) S .4
13、GB50343-2012，建筑物电子信息系统防雷技术规范 S .5 李晶，宋家骅，王伟胜. 大型变速恒频风力发电机组建模与仿真J. 中国电机工程学报, 2004, 24(6): 100-1056蔡成坤，张树勇. 南澳县风机防雷技术探讨J.广东气象，1999（增刊 2）：20217 叶平. 防雷电电磁脉冲(LEMP)的基本原则和方法J.广东气象，2001（增刊 1）：26298 Global wind energy market reportDB/OL2002，3.9 Chunting Mi, Mariano Filippa, John Shen, Natarashim Natarajan.Modeling and control of a variable-speed constant-frequencysynchronous generator with brushless exciterJ. IEEE Transactionon Industry Application, 2004, 40(2): 565-573作者简介：李滨峰（1970 年生） ，男，汉族，助理工程师。大气科学（防雷方向）学士， 从事防雷检测、防雷工程验收和地面观测等工作。联系地址：广东省阳江市高凉路阳江市气象局 邮编：529500 E-mail：J 电话：13725638986
