风力发电机组防雷保护研究

王森

(太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 030024)

风力发电机组防雷保护研究

王森

(太原重工股份有限公司技术中心，山西太原 030024)

介绍了雷电生成机理及其对风电机组的危害形式，分析了风电机组防雷保护的必要性，依据雷电特点、雷电防护区及防雷保护原理，从外部防雷系统和内部防雷系统两个方面进行了研究，给出了雷电接收、雷电传导接地、等电位连接、电涌保护及屏蔽隔离等防雷保护的具体措施。

风力发电机组，防雷系统，等电位连接

随着近年来风电机组单机容量越来越大，风机的轮毂高度随之增高，叶片长度也随之加长，而风电机组又多工作于空旷风大且雷暴日较多的地方，因此它会不可避免的遭受雷电的影响，如果没有合理的防雷保护措施，雷电释放的巨大能量会对风力发电机组的机械、电气及控制设备造成严重的损坏，甚至给风机的运行维护人员带来巨大的生命威胁。因此风力发电机组的防雷保护已日益引起各个风电机组制造厂家和风电机组研发设计人员的重视，为保证风电机组安全运行和人身安全不受危害，风力发电机组必须具备一套合理可靠的防雷保护系统。

1 雷电的形成和危害

雷电是伴有闪电和雷鸣的带异性电荷的雷云间或带电荷雷云与大地间的放电现象［1］。对风电机组有较大威胁的往往是雷云与大地间的放电，即带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，当云和大地间的电位差达到一定程度(25 kV/cm～30 kV/cm)时，即会发生猛烈对地放电。风力发电机组多安装于空旷地区，且其叶片、机舱等部件高度较高，在雷雨天气里很容易成为被雷击的目标，如果没有良好的防雷装置，风电机组很容易被雷击并造成机械及电气设备的损坏，不仅损失发电量，而且还需要担负巨大的维修费用。因此，雷害是威胁风电机组安全经济运行的严重问题，需引起我们的重视，加强对风电机组的防雷保护。雷电发生时产生的雷电流是对风力发电机组的主要破坏源，其危害有直接雷击、感应雷击以及由线路引导的侵入雷击［2］。

2 雷电防护区划分

雷电防护区的划分是规划风力发电机组综合防雷保护的基础，它是针对于结构空间的一种设计方法，通过在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境以保证风电机组机械及电气系统等得到足够的保护［3］。雷电防护区(LPZ)是根据设备是否受直接雷击以及所受雷电流和雷电磁场的强弱来定义的，如图1所示，按照雷电对部件所在区域的影响，风力发电机组的雷电防护区大致可分为直击雷非防护区(LPZ 0A)、直击雷防护区(LPZ 0B)、第一屏蔽防护区(LPZ 1)及后续防雷区(LPZ n+1)等。

3 防雷保护系统设计

风力发电机组防雷保护系统设计的合理性直接影响着风电机组运行的安全性，在防雷保护设计中，轮毂高度不超过60 m的风力发电机组的保护等级要达到Ⅲ/Ⅳ级，轮毂高度在60 m以上的风力发电机组的保护等级要达到Ⅱ级。为了便于系统维护，风力发电机组防雷保护设计需要遵守相关的标准和设计规范，目前防雷设计主要依据的标准和规范有:IEC 61024—1 Protection of Structures Against Lightning，IEC/TR 61400—24风力发电机系统防雷保护，IEC 61312—1雷电电磁脉冲的防护，GB 50057—2010建筑物防雷设计规范，GB/T 21714.1—2008雷电防护，IEC 61643—1 2005 SPD等。风电机组综合防雷是一个系统工程，需要从外部防雷和内部防雷两方面，针对不同的防雷区域采取有效的防护手段，主要包括雷电接收及传导、等电位连接、电涌保护、电控系统防雷等措施，充分考虑雷电特点，最大限度地防止雷电对风电机组造成破坏［4］。

3.1 外部防雷保护系统

外部防雷保护系统可以有效的将袭击风电机组的雷电流导入大地，避免风电机组遭到雷电直接破坏。通常情况下，风电机组在遭遇雷电袭击时，会通过两条路径将闪电导向大地。如图2所示，一条路径是由叶片顶端的接闪器接收大部分雷电流，通过引下线将电流引到叶片根部进而引到轮毂上，而轮毂与主轴相连，电流可直接导到主轴上，然后通过三个主轴防雷碳刷将雷电电流引流到主机架上。另一条路径是雷电流由安装于风速风向仪支架上的避雷针接收，然后通过外部连接线将其导入机舱罩内部预埋的避雷系统，进而导入主机架。通过这两条路径将雷电流导入主机架后，再通过三个偏航防雷碳刷将电流导向塔筒，最终使其流入大地，从而起到一定的防雷保护作用。

图1 风力发电机组雷电防护区划分

图2 风电机组整机防雷系统雷电流走向

1)叶片防雷及避雷针。风电机组的叶片、机舱盖及机舱顶上的风速风向仪由于高度较高，极易遭到雷电直击破坏，为了能够有效的接收雷电流并将其可控的导入大地以保护设备，每个叶片都装备一套完整的内部防雷系统，如图3所示，该系统由位于叶片顶端铝制的叶尖接闪器接收雷电，然后通过与叶尖接闪器相连并敷设在叶片内部的金属网或钢丝引下线将雷电流引流到叶片根部。对于位于机舱顶部设施(如风速风向仪、航标灯等)的防雷保护，则采用安装于风速风向仪支架上的避雷针接收雷电。

图3 叶片防雷系统结构

2)叶根到主机架雷电传导。叶片引下线可直接敷设到叶根中心位置并与金属连接件相连，而每个叶片对应轮毂面的中心位置也固定有金属连接件，两连接件之间通过编织铜电缆相连，这样就可以有效的将叶片接收-0的雷电流传导到轮毂上，见图4。

轮毂是金属结构，本身具有良好的导电屏蔽效果，它与主轴之间通过螺栓把合，雷电流可以从轮毂直接传导到主轴的法兰盘上，而主轴的转动部分和主机架的静止部分之间，通过三个防雷碳刷和与其平行安装的有间隙的三个放电导板相连接，使得雷电流可越过旋转轴承转移到主机架上，如图5所示。

图4 叶片与轮毂间防雷设计

图5 主轴与主机架间防雷设计

3)机舱罩避雷系统。如图6所示，风速风向仪支架上的避雷针通过外部连线接入机舱罩，机舱罩内部连接线与机舱罩预埋避雷系统相连接，将闪电由机舱罩接入机架及塔筒避雷系统，同时前部机舱罩预埋避雷系统与轮毂及叶片避雷系统相连接，将叶片接闪接入主机架及塔筒避雷系统传入地下，完成避雷。

图6 机舱罩避雷系统走线

4)塔筒雷电流传导。风电机组的塔筒一般由多节组成，为了保证雷电流能良好传导，根据等电位原理，将相邻两节塔筒用平均分布于塔筒端的4根50mm2的铜编织电缆连接起来，而塔基法兰连接到基础建筑的3个～4个接地电极点上，从而确保雷电流安全的导入大地。

3.2 内部防雷保护系统

雷电袭击风电机组时，除对其造成直接破坏以外，雷电流超强的电磁感应会使风机内部的金属设备间产生局部电势差，造成局部放电，同时沿电源线、信号线或其他金属管线侵入到风机内部的高电压和雷电脉冲，也会导致通讯和电气设备瞬间烧坏。因此在风机内部各系统需要采取等电位连接、安装电涌保护器、内部屏蔽及合理综合布线等措施。

1)等电位连接。为了有效防止雷电感应引起的局部电势差，风机内部系统须做等电位连接，将轮毂、变桨柜体、主轴承、齿轮箱、发电机、液压站、主控柜体、变流器、机舱主机架、金属管线等所有金属部件利用铜质电缆相互连接，以达到各点电位均衡的目的。同时风机内部所有的金属设备等电位连接后要与内部防雷系统接地装置相连接，而内部与外部防雷系统共用同一个接地装置，从而保证内外防雷系统处于相等的电位上。

2)电涌保护。在风电机组后续防雷区，仍然会存在一定的感应电脉冲，如果不做任何防护可能会对电气设备造成损坏。在电气接地装置与防雷接地装置共用或相连的情况下，应在低压电源线路引入的总配电箱、配电柜处装设Ⅰ级试验的电涌保护器［5］。电涌保护器一端串入电路另一端接地，可有效吸收电涌过电压，从而保护电子设备免遭破坏。

3)屏蔽及隔离措施。为了进一步消除电磁脉冲对电子信号的干扰，一方面将主控系统、变桨系统、变流器等电子系统的金属柜体可靠接地，另一方面对通讯、传感器信号等采用带金属屏蔽层的电缆进行传输，且屏蔽层可靠接地。其次，为了达到光电隔离，保证通信质量的目的，机舱柜和塔基柜之间的通信线采用光纤。最后，在合理布线时，须将动力线和信号线分开铺设，且电缆走线尽量避免出现环状。

4 结语

合理完整的防雷保护系统是保证风力发电机组安全稳定运行的必要条件。本文从雷电的生成机理和危害入手，阐述防雷保护的必要性。然后划分风电机组防雷保护区，并从外部防雷和内部防雷两个方面提出合理的防雷保护措施，为大型风力发电机组整机防雷设计提供参考。

［1］ 黄朝军.浅析雷电的形成机理及预防［J］.科技信息(科学教研)，2007(25):82-83.

［2］ 刘晓林.风电机组的雷电防护［J］.船电技术，2011(7):136-137.

［3］ 康春华，张小青，王 芳.风电机组的防雷问题［J］.山西电力，2006(6):54-55.

［4］ 元建学，田华轶.大型风力机的防雷保护［J］.延安大学学报(自然科学版)，2008(4):120-122.

［5］ 赵海翔，王晓蓉.风电机组的雷击过电压分析［J］.电网技术，2004(4):69-70.

Research of lightning protection for w ind turbine

W ang Sen

(Technology Center，Taiyuan Heavy Industry Co．，Ltd，Taiyuan 030024，China)

This paper introduces the generatingmechanism of lightning and the harm ofwind turbines，and analyses the necessity of lightning protection ofwind turbines.According to the characteristics of lightning，lightning protection zone and lightning protection principle，the thesis does research from two aspects:external lightning protection system and internal lightning protection system，and gives specificmeasures such as lightning intercept，lightning conduction，lightning equipotential bonding，surge protection and shielding and isolation.

wind turbine，lightning protection system，equipotential connection

TM621.3

A

1009-6825(2015)29-0147-02

2015-08-10

王 森(1987-)，男，硕士，助理工程师