風力發電廠的防雷工程設計原則和實現途徑

張 強

內蒙古蒙電華能熱電股份白云鄂博風電場，內蒙古呼和浩特 010020

0 引言

風能是現代社會下最具開發規模的可再生資源，風力發電是人與自然和諧發展的重要體現，近些年來，我國的風力發電行業得到了十分迅速的發展，但是，由于發展時間相對較短，與其他發達國家相比，我國風力發電在發展過程中還存在著一些不足之處。風力風電機組工作的環境是風力較大的自然環境下，在運轉的過程中，難免會受到自然災害的影響，在眾多的自然災害中對風力發電廠影響最大的當屬雷擊。在目前，風力發電機組單機的容量不斷的增加，葉輪直徑以及輪轂的高度也隨之增加，雷擊風險也被無形放大，一旦發生雷擊，雷電釋放出的能量不僅會造成發電機絕緣擊穿、發電機組葉片損毀、控制元器件燒毀等后果，還可能會造成工作人員的傷亡，我國很多地區的地形復雜，容易受到雷暴的影響，因此，為了降低雷擊為風力發電廠帶來的影響，必須做好對防雷工程進行科學合理的設計。

1 風力發電廠防雷工程的設計原則和實現途徑

風力發電廠的防雷工程是一個系統的工程，其內容包括直擊雷的防護、感應雷的防護、屏蔽措施、等電位連接措施、電涌保護器的安裝、布線的控制等部分組成，為了實現各個組成部分的防雷要求，風力發電廠的綜合防雷工作必須要有外部防直擊雷系統、等電位連續以及過電壓保護裝置三個系統，在風力發電廠防雷工程的設計中要遵循綜合治理、全面規劃、多重保護的原則，將內部防雷措施與外部防雷措施進行整合，做到技術先進、安全可靠、經濟合理、維護方便。對于具體部分的防雷設計，可以從以下幾個方面進行：

1.1 外部防雷系統的設計

1）葉片的防雷保護

一般情況下，大型風電機組的高度都超過了70m，安裝地域也位于山地、海邊或者曠野處，容易遭受雷擊的危害，葉片處于整個發電機組的頂點，也是最易受到損害的部件，葉片包括無葉尖阻尼器的葉片和有葉尖阻尼器的葉片，對于無葉尖阻尼器的葉片可以在其葉尖部分將金屬導體或者銅網布設置待葉尖部分的玻璃纖維表層，預埋至葉根處金屬法蘭與葉片的銅導線處，形成接閃器，起到防雷保護的作用；對于有葉尖阻尼器結構的葉片，由于其整個葉片被分為兩部分，可以將接閃器通過阻尼器軸與葉尖阻尼器的鋼絲相連，從而發揮防雷保護的作用。

2）機艙的防雷保護

很多風力發電機廠家在設置機艙時都設置和相關的防雷保護裝置，稱之為避雷棒，機艙的主機架直接與頂端避雷棒以及葉片相連，避雷棒可以保護風標以及風速計免受雷擊的傷害，此外，還可以迅速的將接地網中的直擊雷導走，防止機艙受到雷擊的破壞。

3）接地網的防雷設計

接地網處于混泥土基礎周圍，一般接地網中都會包括一定數量的銅環導線，作為銅導電環的相應補充，銅導電環是連接在塔架相反的位置，再將地面控制器連接到連點中，還有一些設計在塔基與銅環導體之間設置了環導體，以便進一步改善跨步電壓，如果風機的位置處于高度電阻區域內，那么地網的延伸必須要符合相關的要求。

1.2 內部防雷系統的設計

1）等電位連接

將風標、風速計以及避雷針一起接入到等電位之中，對于機艙的金屬組件如發電機、主軸承、齒輪箱、液壓站等要選擇適宜尺寸的接地帶，將其連接到機艙主框內，并設置好封閉金屬盒，將其連接到等電位中，防止出現局部電壓過高的情況，保證各點的電位可以均衡。

2）隔離設計

為了更好的起到防雷作用，塔頂控制器以及機艙控制器中的通信部分應該全部使用光纖進行連接，以便實現廣電隔離的效果，對于內部的控制器和傳感器，要使用不同的電流進行供電，實現電源隔離的效果，對于重點電氣部分，要使用隔離變壓器進行供電。

3）過電壓防雷保護

對于開關盤、發電機的電源線路要使用電源防雷器進行保護，在控制其信號電纜終端、模塊電子組件等部位時，要同時使用信號防雷保護對電源爐前進行防雷保護，防雷器的設計要嚴格的按照風力發電機組電氣原理圖以及防雷分區的相關標準進行。

1.3 電磁屏蔽

由于風力發電機組為高聳的塔式結構，緊湊性較強，控制系統、信息系統以及發電機離塔壁很近，因此發電機組的水平軸、風輪、機艙等都會受到雷擊的影響，機艙內的控制系統以及發電機也容易受到機艙高電位反擊的影響，在控制回路和電源沿塔筒引下的過程中，也會受到雷擊的反擊。因此，對于發電機組的繼電保護、控制系統、勵磁系統、計算機系統、通信系統都需要安裝過電壓保護裝置。信息和電力回路的電壓保護裝置應該由機艙到地面的變流器和并網柜之中，塔頂的控制柜除必須使用屏蔽電纜以外，還要將其穿入接地鐵管中，降低電纜的反擊率，保證均壓、分流、接地、屏蔽等系統可以得到較好的防護。

1.4 機艙內部柜的防護

在機艙內部各種各樣柜的出線和進線處必須要嚴格遵照規定要求劃分雷電保護區域，根據評估結果進行設計，根據使用性質確定雷電保護的等級，一般可以在被保護設備處安裝三級浪涌保護器，第一級使用開關型電涌保護器、第二級和第三級則使用限壓型電涌保護器，每個保護器的參數設置必須要符合相關規定的最小值。一級放電電流In ≥15KA，二級放電電流In ≥40KA，三級放電電流≥20KA。

[1]鄭鵬鵬.風力發電廠發電廠防雷的特殊性.福建電力與電工[期刊論文]，2006，12(30).

[2]孫曙光，張德生，林明. 風力發電系統防雷方案分析與探討[期刊論文].黑龍江科技信息，2010，2(25).