1、風(fēng)力發(fā)電機的防雷保護李濱峰，蔡德強，陳雪梅（廣東省陽江市氣象局，陽江，529500）摘 要： 風(fēng)電是一種非常清潔的可再生能源，我國風(fēng)電發(fā)展勢頭非常強勁。在影響風(fēng)電場安全運行的諸多因素中，對雷電的防護是一個不容忽視的問題，在雷擊過程中，雷電流流過機架和塔筒時會對其中的傳感器件、通信線路甚至電力線路產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，這些暫態(tài)過電壓將對風(fēng)電機組的正常運行造成影響。本文結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機防雷的研究成果，從風(fēng)力發(fā)電機直擊雷防護，風(fēng)輪、機艙、水平軸、和塔身的等電位連接，電磁屏蔽，機艙內(nèi)各種柜的防護，塔底設(shè)備柜的防護，防雷接地等，對風(fēng)力發(fā)電機的雷擊過程、及防雷措施進行了闡述。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機；雷擊保護；防雷接地

2、1 引言風(fēng)力發(fā)電機的高速發(fā)展是全球能源問題的一個表現(xiàn)，隨著人們對可再生能源利用價值認識的提高，以及風(fēng)力發(fā)電機制造、控制和其它相關(guān)技術(shù)的不斷進步，風(fēng)力發(fā)電機在全世界范圍內(nèi)非常迅速的發(fā)展并大規(guī)模的建設(shè)的同時，風(fēng)電場的安全運行問題也越來越受到人們的關(guān)注。影響風(fēng)電場安全運行的因素很多，其中遭受雷擊是一個非常重要的方面。再加上風(fēng)力發(fā)電機一般安裝于開闊地帶或山地，因此風(fēng)力發(fā)電機遭受雷擊的概率也較大。以德國風(fēng)電場遭受雷擊的情況為例。德國風(fēng)電部門對該國風(fēng)力發(fā)電機的故障情況進行了統(tǒng)計，結(jié)果顯示德國風(fēng)電場每百風(fēng)機·年的雷擊率基本在10%左右，在所有引起風(fēng)力發(fā)電機組故障的外部因素（如風(fēng)暴、結(jié)冰、雷擊以及電

3、網(wǎng)故障等）中雷擊約占25%。由于雷電現(xiàn)象具有非常大的隨機性，因此不可能完全避免風(fēng)力發(fā)電機遭受雷擊，為了降低自然災(zāi)害帶來的損失，必須充分了解它，并采取有針對性的防雷措施，使雷擊造成的損失減到最小。本文以某公司在陽西縣上洋鎮(zhèn)試運行風(fēng)力發(fā)電機的情況進行分析及防雷設(shè)計。2 上洋鎮(zhèn)風(fēng)電場概況陽西海岸線長達170多公里，風(fēng)力資源十分豐富，陽西上洋鎮(zhèn)某公司風(fēng)電場已完成項目選址，測風(fēng)數(shù)據(jù)收集分析，日平均風(fēng)力在6.5米每秒以上。并安裝有600KW、50赫茲風(fēng)力發(fā)電機，該風(fēng)力發(fā)電機自重100多噸，安裝在海邊丘陵上，支架高度60米。據(jù)歷年的氣象觀測資料顯示，陽西縣的年雷暴日為92日，屬于高雷暴區(qū)。陽西上洋鎮(zhèn)風(fēng)電場為

4、丘陵、山地地形。3 風(fēng)力發(fā)電機的基本工作原理風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機主要有葉片、機艙、塔身、塔底設(shè)備柜等組成。4 風(fēng)力發(fā)電機的防雷 4.1 風(fēng)力發(fā)電機直擊雷防護  4.1.1 葉片防雷葉片防雷系統(tǒng)的主要目標(biāo)是避免雷電直擊葉片本體而導(dǎo)致本身發(fā)熱膨脹、迸裂葉片損害。研究表明：不管葉片是用碳纖維復(fù)合材料或玻璃纖維制成，雷電導(dǎo)致?lián)p害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險，而且會增加損害的次數(shù)。多數(shù)情況下被雷擊的區(qū)域在葉尖背面（或稱吸力面）。根據(jù)以上研究結(jié)果，本工程風(fēng)機葉片采用專用的防雷系統(tǒng)

5、，該系統(tǒng)由雷電接閃器和雷電傳導(dǎo)部分組成(如圖1所示)。在葉尖裝設(shè)接閃器捕捉雷電，通過敷設(shè)在葉片內(nèi)腔連接到葉片根部的導(dǎo)引線導(dǎo)入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂、主軸傳至機艙，再通過偏航軸承和塔架最終導(dǎo)入接地網(wǎng),約束雷電，保護葉片。圖1 葉片防雷示意圖4.1.2 機艙、塔架及引下線防雷如果葉片采取了防雷保護措施，也就相當(dāng)于實現(xiàn)了對機艙的直擊雷防護。雖然如此，也需要在機艙尾部設(shè)立一個80cm避雷針，用作保護風(fēng)速計和風(fēng)標(biāo)免受雷擊。根據(jù)GB 50057-2010規(guī)范要求，按照建筑物的防雷分類，高于滾球半徑的建筑物，應(yīng)設(shè)置水平接閃器。一般大型風(fēng)力發(fā)電機其直擊雷防護應(yīng)按建筑物二類防雷類別來考慮。當(dāng)超過45m時，

6、應(yīng)在45m及以上部分設(shè)置水平接閃器。風(fēng)力發(fā)電機超過45m的塔架部分，根據(jù)GB/T 19072-200X(風(fēng)力發(fā)電機組.塔架) 規(guī)范對塔架主要材料的要求，塔架殼體鋼板厚度遠大于4mm，可作為承受直擊雷的載體。機艙部分，機艙外殼應(yīng)采用鋼板制成，鋼板厚度必須大于4mm，作為承受直擊雷的載體，防止雷電發(fā)生繞擊和側(cè)擊時，穿透機艙，對機艙內(nèi)設(shè)備造成損壞。如果機艙外殼為復(fù)合材料時，應(yīng)在機艙外面敷設(shè)金屬網(wǎng)格，兼作接閃器和屏蔽之用。網(wǎng)孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計算，加大金屬網(wǎng)格的密度和鐵絲的直徑。各網(wǎng)格連接處應(yīng)焊接以保證電氣連接。 接閃器到接地裝置的引

7、下線應(yīng)按有較多并聯(lián)的電流路徑且為直線垂直安裝，使其具有最短、最直接路徑的原則布置；本工程機組采用塔架本體將雷電流傳輸?shù)降撞浚⑼ㄟ^3個接入點傳輸?shù)浇拥鼐W(wǎng)（但應(yīng)注意用于塔架預(yù)應(yīng)力拉樁的螺栓，不應(yīng)用于接地目的）。4.2 等電位連接機艙內(nèi)的金屬設(shè)備如：金屬構(gòu)架、金屬裝置、電氣裝置、通訊裝置和外來的導(dǎo)體作等電位連接，連接母線與接地裝置連接。匯集到機艙底座的雷電流，傳送到塔架，由塔架本體將雷電流傳輸?shù)降撞浚⑼ㄟ^接入點傳輸?shù)浇拥鼐W(wǎng)。線路的所有導(dǎo)體應(yīng)直接或非直接連接。相線應(yīng)采用電涌保護器連到防雷裝置或總接地連接帶上。本工程主配電采用的是TN-C式供電系統(tǒng)，即系統(tǒng)的N線和PE線合為一根PEN線。在TN 系統(tǒng)

8、中，PE 線或PEN 線應(yīng)直接連到防雷裝置或總接地連接帶上。基礎(chǔ)接地體或環(huán)形接地體的端部接線夾應(yīng)進入塔架內(nèi)部，并連接到等電位連接帶。4.3 電磁屏蔽電力和信息回路由機艙到地面并網(wǎng)柜、變壓器、塔底控制柜處應(yīng)利用金屬絲編織網(wǎng)、金屬軟導(dǎo)管、棧橋等實現(xiàn)屏蔽。還應(yīng)穿入接地金屬管（槽），使反擊率降低。屏蔽層的搭接處，即管與管、槽與槽、管與槽、管與接線盒等部位的連接處，均需進行電氣跨接。各回路應(yīng)在柜內(nèi)安裝相應(yīng)防雷裝置，且在穿管每一LPZ交界處時，與該層等電位連接帶連接。這樣各系統(tǒng)在各節(jié)點層層設(shè)防，能有效的防護雷電流的反擊。 4.4 機艙內(nèi)部防雷(過壓保護)變槳控制柜和機艙控制室位于風(fēng)機頂端，雷雨天氣時容易遭

9、受直擊雷，變槳控制柜里電源線等用電設(shè)備進線前端應(yīng)安裝相應(yīng)的100KA三相交流避雷器、100KA單項交流避雷器和5KA 24V直流電源避雷器。從塔底控制室到機艙控制室的Ups進線端（機艙控制室）安裝100KA電源避雷器。機艙到變槳柜通訊線采用雙絞線通訊，雙絞線兩端在進入設(shè)備前應(yīng)安裝信號避雷器。雙絞線必須穿金屬管敷設(shè)或采用屏蔽雙絞線，且金屬管或屏蔽層兩頭接地。 4.5 塔底設(shè)備柜的防護：4.5.1 塔底控制柜到機艙控制室的ups輸出端加裝40KA電源避雷器。4.5.2 變流器到機艙發(fā)電機轉(zhuǎn)子的出線端和進線端分別加裝40KA電源避雷器和100KA電源避雷器。4.5.3 并網(wǎng)柜到發(fā)電機定子之間的出線端

10、和進線端分別加裝40KA電源避雷器和100KA電源避雷器。4.5.4 塔底各機柜的二次儀表線路應(yīng)加裝相應(yīng)的20KA電源避雷器。以上線纜建議采用穿金屬管走線或者采用鎧裝電纜，金屬管或鎧裝電纜必須在進入設(shè)備柜之前接地。電源避雷器的接地宜和風(fēng)機的鋼結(jié)構(gòu)體連接在一起。4.6 風(fēng)力發(fā)電機的接地：  良好的接地是保證雷擊過程中風(fēng)力發(fā)電機安全的必備條件。由于風(fēng)電場通常會布置在丘陵、山地等地型且范圍非常大，而丘陵、山地的土壤電阻率一般較高，因此按照一般電氣設(shè)備的接地方式設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機的接地系統(tǒng)顯然不能滿足其安全要求。風(fēng)電機組的接地裝置一般可采用一種或多種組合:一個或多個環(huán)形接地體、基礎(chǔ)接地體(基礎(chǔ)接

11、地體應(yīng)是可延伸的)、水平接地體或垂直（或斜形）接地體，其所包圍的面積的平均半徑應(yīng)不小于6m。風(fēng)電機組的混凝土基礎(chǔ)內(nèi)互相連接的鋼筋網(wǎng)可作為自然接地體。另外，還可在機組接地網(wǎng)間敷設(shè)金屬導(dǎo)體，當(dāng)遭受雷擊時可顯著降低風(fēng)電場的地電位升高，也可減輕雷擊對電纜絕緣及變壓器高低壓繞組間絕緣的危害程度。 5 結(jié)論雷擊是影響風(fēng)力發(fā)電機乃至整個風(fēng)電場安全運行的因素之一。進行風(fēng)力發(fā)電機防雷保護是風(fēng)電場安全運行不可或缺的組成部分，在做好直擊雷防護、等電位連接、電磁屏蔽的同時，加裝避雷器，并做良好的接地，使設(shè)備得到充分的保護。使雷擊對風(fēng)電機組的影響降低到最低點。我國領(lǐng)土遼闊，南北區(qū)域雷電活動差異大，且地質(zhì)條件迥異，因此，

12、在風(fēng)電機組防雷裝置設(shè)計要求上應(yīng)當(dāng)因地制宜，采用更加經(jīng)濟合理有效的方法，保證風(fēng)電機組的安全運行。參考文獻1 許穎.變電所防雷保護的幾個問題淺見（Some aspects related to lightning protection of substations）J .電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2000，24(4)：12-252 IEC61400-24，風(fēng)機發(fā)電系統(tǒng)，雷電保護第24部分. S .國際電力技術(shù)委員會，2002-73 GB50057-2010， 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(2010年版) S .4 GB50343-2012，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范 S

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