風電機組的雷電防護

劉曉林

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

1 引言

雷電是一種具有極強破壞力的自然現(xiàn)象，雷電災害是十種最嚴重的自然災害之一。

由于風力發(fā)電機組都是安裝在野外廣闊的平原或近海區(qū)域，再加上陸上風力發(fā)電機組輪轂中心高達70 m左右，主流機型葉片長度在40 m左右，海上風電機組高度更高，導致其極易被雷擊并直接成為雷電的接閃物。雖然風力發(fā)電設備的機艙外部已經安裝了避雷針，可以起到一定的外部防護作用，但由于現(xiàn)在風力發(fā)電機組內部塔底控制柜和機艙內含有大量的大規(guī)模集成電路的電子設備，其電磁兼容性較弱，而它們都工作在低電壓和小電流狀態(tài)下，絕緣強度低，耐過電壓過電流的能力差，更易受到雷電電磁波沖擊而損壞，使得國內外的風力發(fā)電設備因雷擊和過電壓沖擊而嚴重損壞的現(xiàn)象時有發(fā)生。它不但對風力發(fā)電機組的自身硬件造成了一定的損失，而因其損壞造成的供電的不確定對國民經濟造成了更大的影響，所以對風力發(fā)電設備完善的雷電及過電壓防護就顯得尤為重要。本文將簡要分析對風電機組的雷電防護。

2 風電機組雷電危害分析及防護原則

2.1 風電機組主要的雷電形式及雷害

主要的雷電形式及雷害情況有以下幾種情況：

（1） 直擊雷是指雷電直接擊在建筑物構架、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。

（2） 感應雷是雷電在雷云之間或雷云對地放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電力線、設備間連接線產生電磁感應并侵入設備，使串聯(lián)在線路中間或終端的電子設備遭到損害。

（3） 雷電浪涌是近年來由于微電子的不斷使用引起人們極大重視的一種雷電危害形式。

2.2 雷電防護原則

■外部防雷——將絕大部分雷電流直接引入地下泄散，其技術措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網等金屬接閃器）、引下線、接地體和法拉第籠。

■內部防雷——快速泄放沿著電源或信號線路侵入的雷電波或各種危險過電壓，主要是對易受過電壓破壞的電子設備（或室外獨立電子設備）加裝過壓保護裝置，內部防雷又可分為電源線路防雷和信號線路防雷。

這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。因此防雷工程是一項系統(tǒng)工程。

2.3 風電機組雷電防護途徑

風電機組根據國家標準應按一類防雷建筑物進行防雷設計，我們將風力發(fā)電系統(tǒng)的內外部分成了多個保護區(qū)，具體形式如圖1所示。

圖1 風電機組雷電保護分區(qū)圖

圖1中各個防雷區(qū)的具體定義如表1所示。

表1 圖1 中各個防雷區(qū)的具體定義

3 風電機組防雷措施

3.1 外部防雷保護

3.1.1 避雷裝置

風電機組在每個葉片的尖部裝有接閃器，在機艙尾部裝有一只避雷針，可接收來自各方向的雷擊。

3.1.2 接地引下線

葉片接閃器接有引下線，引下線連接到輪轂上。雷電流通過風輪主軸鎖緊盤上的防雷碳刷，從輪轂流經風輪主軸，引到機艙的接地等電位連接帶。從這里，雷電電流經由偏航軸承上的防雷碳刷傳入塔架。塔架的基座法蘭通過三點與基座接地電極相連，這樣能保證將雷電電流安全地傳輸?shù)降叵隆?/p>

3.2 內部防雷保護

隨著機艙控制柜、變頻器中芯片等集成電路及通信設備的大規(guī)模使用，雷電以及操作瞬間過電壓造成的危害越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足控制系統(tǒng)安全的要求。應從單純一維防護轉為三維防護，包括：防直擊雷，防感應雷電波侵入，防雷電電磁感應，防地電位反擊以及操作瞬間過電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮。

多級分級（類）保護原則：即根據電氣、微電子設備的不同功能及不同受保護程度和所屬保護層確定保護要點作分類保護；根據雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道從電源線到數(shù)據通信線路都應做多級層保護。

風電機組中防雷均壓主要是指通過等電位連接減小防雷空間內各金屬部件及各系統(tǒng)之間的電位差。接閃裝置在接閃雷電時，引下線立即產生高電位，會對防雷系統(tǒng)周圍的尚處于地電位的導體產生旁側閃絡，并使其電位升高，進而對人員和設備構成危害。為了減少這種閃絡危險，最簡單的辦法是采用均壓環(huán)，將處于地電位的導體等電位連接起來，一直到接地裝置。風電機組內的金屬設施、電氣裝置和電子設備，如果其與防雷系統(tǒng)的導體，特別是接閃裝置的距離達不到規(guī)定的安全要求時，則應該用較粗的導線把它們與防雷系統(tǒng)進行等電位連接。這樣在閃電電流通過時，室內的所有設施立即形成一個“等電位島”，保證導電部件之間不產生有害的電位差，不發(fā)生旁側閃絡放電。完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產生的反擊。

為了徹底消除雷電引起的毀壞性的電位差，就特別需要實行等電位連接，電源線、信號線、金屬管道等都要通過過壓保護器進行等電位連接，各個內層保護區(qū)的界面處同樣要依此進行局部等電位連接，并最后與等電位連接母排相連。

而設備的等電位連接主要依靠 SPD浪涌保護器來實現(xiàn)。依據 GB50057-1994：2000標準，在LPZ0區(qū)和LPZ1區(qū)的交界處，我們采用通過I類測試的B級SPD將通過電流、電感和電容耦合三種耦合方式侵入到系統(tǒng)內部的大能量的雷電流（10/350 μs波形）泄放并將殘壓控制〈4 kV的范圍。而對于 LPZ1區(qū)與 LPZ2的交界處，我們采用通過II類測試的C級SPD并將殘壓控制在小于2.5 kV的范圍。在LPZ2區(qū)與LPZ3區(qū)的交界處，采用D級SPD將殘壓控制在小于1.5 kV的范圍內。

3.2.1 電源部分防護

（1） 發(fā)電系統(tǒng)電源線的保護

根據以上分析的對不同電磁兼容性保護區(qū)的劃分和應用SPD的原理，應在塔底的控制柜內主進線安裝 B+C級 SPD。由于主配電采用的是TN-C制式，線電壓690 VAC，相電壓400 VAC，根據 IEC60364-5-534的要求，用在其上的 SPD的最大工作耐壓為Uc=1.10 U（U=400 V）。故選用三相對 PEN線間分別并聯(lián)一只 FLT PLUS CTRL-2.5和一只VAL-MS 500的保護模式。具體用法如圖2所示。此保護模式可以達到泄放每相50 kA（10/350 μs）雷電流的能力，并將殘壓限制在〈2.5 kV。使其后端的設備處在安全的狀態(tài)下。

圖2 塔基控制柜主進線保護

（2） 在機艙內發(fā)電機的前端安裝的三個C級防雷器 VAL-MS 500，它采用“3+0”的保護模式（如圖3所示），可以達到泄放每相20 kA（8/20 μs）浪涌電流的能力，并將殘壓限制在＜2.5 kV。這就可以使得當雷擊發(fā)生時由電源線串入機艙內的雷電流被有效地泄放并將過壓限制在發(fā)電設備允許的范圍內，保證發(fā)電機的正常工作。

圖3 發(fā)電機過壓保護

弱電設備的電源雷電侵害主要是通過線路侵入。高壓部分有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電壓限制到小于 6000 V（1EEEEC62.41），而線對線則無法控制。所以，對380 V低壓線路應進行過電壓保護，按國家規(guī)范應有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設備的總配電盤間的電纜內芯線兩端應對地加避雷器或保護器，作一級保護；在二次低壓設備的總配電盤至二次低壓設備的配電箱間電纜內芯線兩端應對地加裝避雷器保護器，作二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝避雷器或保護器，作為三級保護。

在機艙內部控制柜內 PLC或開關電源前分別加裝一只D級電源防雷器，用以對開關電源進行三級保護。

3.2.2 信號部分保護

對于電子系統(tǒng)，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區(qū)的級別確定，精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定。

從塔筒到機艙控制柜內一般都采用各種現(xiàn)場總線如西門子Profibus總線系統(tǒng)進行控制。如兩端間采用金屬導線進行傳輸，則在線路的兩端（靠近D-SUB接口處）分別安裝浪涌保護器進行信號保護。如從機艙內控制柜到塔筒主控柜中用的是光纖傳輸。由于光纖不導雷，所以兩端不用加裝防雷器，但應對光纖鎧裝金屬層或內部加強金屬芯進行接地處理。

對于經 LPZ0區(qū)進入 LPZ1區(qū)的通訊信號線路，必須在線路的兩端終端設備處裝信號防雷器。如塔內到外界主控室的RS485通訊線路的兩端分別加裝一只信號保護器進行保護，確保護重要信號的傳輸。

對于從 LPZ0區(qū)進入 LPZ1區(qū)的測控信號線路，如在機艙外部的風向標、風速儀、加熱器和環(huán)境溫度傳感器的線路，可分別采用模擬量信號保護器和開關量信號保護器安裝在控制柜內進行保護。

從主控柜到機艙控制柜間的安全鏈路需在兩端柜內分別加裝一只浪涌保護器進行保護。

3.2.3 接地處理

必須有一個良好的接地系統(tǒng)，因所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄人大地，從而保護設備和人身安全。另外還有防干擾的屏蔽問題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。

風電機組由地基作為接地體，至少其80%的長度在土里。接地體至少埋入地下0.5 m深。

陸上主流機型（1 MW以上功率）的接地電阻不大于2 Ω。

3.2.4 空間屏蔽

當雷電流流入風電機組時會產生強大的磁場，穿過環(huán)路的磁場不斷變化就會產生感應電流。屏蔽就是利用金屬網、箔、殼或管子等導體把需要保護的對象包圍起來，使雷電電磁脈沖波入侵的通道全部截斷。所有的屏蔽套、殼等均需要接地。屏蔽是防止雷電電磁脈沖輻射對電子設備影響的最有效方法。

我們利用金屬柜體，屏蔽線，管道，雙絞線等方法，通過減少穿過環(huán)路的磁通量和減小環(huán)路面積的來降低感應電壓。

同時要注意在開關柜中，應將400/690 V系統(tǒng)與230/400 V系統(tǒng)防雷器分開（或滿足一定的電氣安全間隙）布放。以防止在相位相差時，400 V相線與230 V相線之間壓差過高發(fā)生放電（如圖4所示，這時400 V與 230 V相線壓差為630 V）。

不可將已被保護的線路與未保護的線路并行敷設。

圖4 400 V相線與230 V相線間壓差過高

通過以上的措施可以對風電機組的電源系統(tǒng)和信號系統(tǒng)進行良好的保護。

4 結論

風電機組的防雷保護比較復雜，只有認真分析機組本身特點，才能從外部和內部進行多級防護，對電子控制系統(tǒng)感應過電壓的防護要引起足夠重視，同時還要建立對各類防雷措施和設備的在線狀態(tài)檢測，做到出現(xiàn)故障及時報警，機組維護人員及時處理和更換，才能確保風電機組運行安全和正常工作。

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[2] 梁小冰. 直擊雷對變電站控制室內弱電設備的影響.電網技術，1999，23（3）.

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