风电机组的雷电防护

刘晓林

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

1 引言

雷电是一种具有极强破坏力的自然现象，雷电灾害是十种最严重的自然灾害之一。

由于风力发电机组都是安装在野外广阔的平原或近海区域，再加上陆上风力发电机组轮毂中心高达70 m左右，主流机型叶片长度在40 m左右，海上风电机组高度更高，导致其极易被雷击并直接成为雷电的接闪物。虽然风力发电设备的机舱外部已经安装了避雷针，可以起到一定的外部防护作用，但由于现在风力发电机组内部塔底控制柜和机舱内含有大量的大规模集成电路的电子设备，其电磁兼容性较弱，而它们都工作在低电压和小电流状态下，绝缘强度低，耐过电压过电流的能力差，更易受到雷电电磁波冲击而损坏，使得国内外的风力发电设备因雷击和过电压冲击而严重损坏的现象时有发生。它不但对风力发电机组的自身硬件造成了一定的损失，而因其损坏造成的供电的不确定对国民经济造成了更大的影响，所以对风力发电设备完善的雷电及过电压防护就显得尤为重要。本文将简要分析对风电机组的雷电防护。

2 风电机组雷电危害分析及防护原则

2.1 风电机组主要的雷电形式及雷害

主要的雷电形式及雷害情况有以下几种情况：

（1） 直击雷是指雷电直接击在建筑物构架、动植物上，因电效应、热效应和机械效应等造成建筑物等损坏以及人员的伤亡。

（2） 感应雷是雷电在雷云之间或雷云对地放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电力线、设备间连接线产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。

（3） 雷电浪涌是近年来由于微电子的不断使用引起人们极大重视的一种雷电危害形式。

2.2 雷电防护原则

■外部防雷——将绝大部分雷电流直接引入地下泄散，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体和法拉第笼。

■内部防雷——快速泄放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压，主要是对易受过电压破坏的电子设备（或室外独立电子设备）加装过压保护装置，内部防雷又可分为电源线路防雷和信号线路防雷。

这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。因此防雷工程是一项系统工程。

2.3 风电机组雷电防护途径

风电机组根据国家标准应按一类防雷建筑物进行防雷设计，我们将风力发电系统的内外部分成了多个保护区，具体形式如图1所示。

图1 风电机组雷电保护分区图

图1中各个防雷区的具体定义如表1所示。

表1 图1 中各个防雷区的具体定义

3 风电机组防雷措施

3.1 外部防雷保护

3.1.1 避雷装置

风电机组在每个叶片的尖部装有接闪器，在机舱尾部装有一只避雷针，可接收来自各方向的雷击。

3.1.2 接地引下线

叶片接闪器接有引下线，引下线连接到轮毂上。雷电流通过风轮主轴锁紧盘上的防雷碳刷，从轮毂流经风轮主轴，引到机舱的接地等电位连接带。从这里，雷电电流经由偏航轴承上的防雷碳刷传入塔架。塔架的基座法兰通过三点与基座接地电极相连，这样能保证将雷电电流安全地传输到地下。

3.2 内部防雷保护

随着机舱控制柜、变频器中芯片等集成电路及通信设备的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足控制系统安全的要求。应从单纯一维防护转为三维防护，包括：防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。

多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程度和所属保护层确定保护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。

风电机组中防雷均压主要是指通过等电位连接减小防雷空间内各金属部件及各系统之间的电位差。接闪装置在接闪雷电时，引下线立即产生高电位，会对防雷系统周围的尚处于地电位的导体产生旁侧闪络，并使其电位升高，进而对人员和设备构成危害。为了减少这种闪络危险，最简单的办法是采用均压环，将处于地电位的导体等电位连接起来，一直到接地装置。风电机组内的金属设施、电气装置和电子设备，如果其与防雷系统的导体，特别是接闪装置的距离达不到规定的安全要求时，则应该用较粗的导线把它们与防雷系统进行等电位连接。这样在闪电电流通过时，室内的所有设施立即形成一个“等电位岛”，保证导电部件之间不产生有害的电位差，不发生旁侧闪络放电。完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。

为了彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差，就特别需要实行等电位连接，电源线、信号线、金属管道等都要通过过压保护器进行等电位连接，各个内层保护区的界面处同样要依此进行局部等电位连接，并最后与等电位连接母排相连。

而设备的等电位连接主要依靠 SPD浪涌保护器来实现。依据 GB50057-1994：2000标准，在LPZ0区和LPZ1区的交界处，我们采用通过I类测试的B级SPD将通过电流、电感和电容耦合三种耦合方式侵入到系统内部的大能量的雷电流（10/350 μs波形）泄放并将残压控制〈4 kV的范围。而对于 LPZ1区与 LPZ2的交界处，我们采用通过II类测试的C级SPD并将残压控制在小于2.5 kV的范围。在LPZ2区与LPZ3区的交界处，采用D级SPD将残压控制在小于1.5 kV的范围内。

3.2.1 电源部分防护

（1） 发电系统电源线的保护

根据以上分析的对不同电磁兼容性保护区的划分和应用SPD的原理，应在塔底的控制柜内主进线安装 B+C级 SPD。由于主配电采用的是TN-C制式，线电压690 VAC，相电压400 VAC，根据 IEC60364-5-534的要求，用在其上的 SPD的最大工作耐压为Uc=1.10 U（U=400 V）。故选用三相对 PEN线间分别并联一只 FLT PLUS CTRL-2.5和一只VAL-MS 500的保护模式。具体用法如图2所示。此保护模式可以达到泄放每相50 kA（10/350 μs）雷电流的能力，并将残压限制在〈2.5 kV。使其后端的设备处在安全的状态下。

图2 塔基控制柜主进线保护

（2） 在机舱内发电机的前端安装的三个C级防雷器 VAL-MS 500，它采用“3+0”的保护模式（如图3所示），可以达到泄放每相20 kA（8/20 μs）浪涌电流的能力，并将残压限制在＜2.5 kV。这就可以使得当雷击发生时由电源线串入机舱内的雷电流被有效地泄放并将过压限制在发电设备允许的范围内，保证发电机的正常工作。

图3 发电机过压保护

弱电设备的电源雷电侵害主要是通过线路侵入。高压部分有专用高压避雷装置，电力传输线把对地的电压限制到小于 6000 V（1EEEEC62.41），而线对线则无法控制。所以，对380 V低压线路应进行过电压保护，按国家规范应有三部分：建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或保护器，作一级保护；在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器保护器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器或保护器，作为三级保护。

在机舱内部控制柜内 PLC或开关电源前分别加装一只D级电源防雷器，用以对开关电源进行三级保护。

3.2.2 信号部分保护

对于电子系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

从塔筒到机舱控制柜内一般都采用各种现场总线如西门子Profibus总线系统进行控制。如两端间采用金属导线进行传输，则在线路的两端（靠近D-SUB接口处）分别安装浪涌保护器进行信号保护。如从机舱内控制柜到塔筒主控柜中用的是光纤传输。由于光纤不导雷，所以两端不用加装防雷器，但应对光纤铠装金属层或内部加强金属芯进行接地处理。

对于经 LPZ0区进入 LPZ1区的通讯信号线路，必须在线路的两端终端设备处装信号防雷器。如塔内到外界主控室的RS485通讯线路的两端分别加装一只信号保护器进行保护，确保护重要信号的传输。

对于从 LPZ0区进入 LPZ1区的测控信号线路，如在机舱外部的风向标、风速仪、加热器和环境温度传感器的线路，可分别采用模拟量信号保护器和开关量信号保护器安装在控制柜内进行保护。

从主控柜到机舱控制柜间的安全链路需在两端柜内分别加装一只浪涌保护器进行保护。

3.2.3 接地处理

必须有一个良好的接地系统，因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄人大地，从而保护设备和人身安全。另外还有防干扰的屏蔽问题，防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。

风电机组由地基作为接地体，至少其80%的长度在土里。接地体至少埋入地下0.5 m深。

陆上主流机型（1 MW以上功率）的接地电阻不大于2 Ω。

3.2.4 空间屏蔽

当雷电流流入风电机组时会产生强大的磁场，穿过环路的磁场不断变化就会产生感应电流。屏蔽就是利用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，使雷电电磁脉冲波入侵的通道全部截断。所有的屏蔽套、壳等均需要接地。屏蔽是防止雷电电磁脉冲辐射对电子设备影响的最有效方法。

我们利用金属柜体，屏蔽线，管道，双绞线等方法，通过减少穿过环路的磁通量和减小环路面积的来降低感应电压。

同时要注意在开关柜中，应将400/690 V系统与230/400 V系统防雷器分开（或满足一定的电气安全间隙）布放。以防止在相位相差时，400 V相线与230 V相线之间压差过高发生放电（如图4所示，这时400 V与 230 V相线压差为630 V）。

不可将已被保护的线路与未保护的线路并行敷设。

图4 400 V相线与230 V相线间压差过高

通过以上的措施可以对风电机组的电源系统和信号系统进行良好的保护。

4 结论

风电机组的防雷保护比较复杂，只有认真分析机组本身特点，才能从外部和内部进行多级防护，对电子控制系统感应过电压的防护要引起足够重视，同时还要建立对各类防雷措施和设备的在线状态检测，做到出现故障及时报警，机组维护人员及时处理和更换，才能确保风电机组运行安全和正常工作。

[1] 解广润. 电力系统过电压. 北京：水利水电出版社，1985.

[2] 梁小冰. 直击雷对变电站控制室内弱电设备的影响.电网技术，1999，23（3）.

[3] 李祥超等. 雷电防护系列教材防雷工程设技与实践.北京: 气象出版社, 2010

[4] 肖稳安, 张小青等. 雷电与防护技术基础. 北京: 气象出版社, 2006.

[5] IEC 61400-24 Wind Turbine Generator Systems[z].Lightning Protection.