風電機組振動監測儀防雷設計

王青華 徐 軍

（1.上海明華電力技術工程有限公司，上海200090；2.上海電力新能源發展有限公司，上海200010）

0 引言

隨著風力發電的迅猛發展，風電機組的安全運行日益受到重視，風力發電機組振動監測系統應用也越來越廣泛。國家已出臺相關標準，2 MW 及以上機組要求安裝風電振動故障監測系統，風電振動故障監測系統在實際運行中遭受雷擊損害的案例也越來越多，防雷成了風電振動監測儀設計的一個重要方面。風電振動監測儀的防雷設計必須與風力發電機組本體的防雷系統相結合，才能更有效地防止雷擊的損害。

1 風電機組防雷系統簡介

1.1 防雷保護區域劃分

根據風電機組和風場各部分空間受雷擊電磁脈沖的嚴重程度不同，將需要保護的空間劃分為不同的防雷區，圖1 為防雷區示意圖，通常防雷區序號越高，其電磁環境參數越低。

圖1 風電防雷區示意圖

LPZ0：本區內物體易受直接雷擊，必須傳導全部的雷電流，電磁場沒有衰減。

LPZ1：本區內物體不易遭受直接雷擊，所有導電部件上的雷電流都比LPZ0小，電磁場被衰減。

LPZ2：本區內物體所有導電部件的電流和電磁場進一步減少。

1.2 風電防雷方案

風電機組防雷系統包括葉片防雷、避雷針、輪轂與機架連接、齒輪箱與發電機絕緣、發電機與機架絕緣、各電氣設備接地，控制柜屏蔽、電氣線路加裝電涌保護器和接地系統等。

當葉片受雷擊后，將雷擊電流從雷擊點安全地傳導到輪轂，經由碳刷、偏航軸承、塔架至接地網（圖2）。在雷電流通過主軸承的地方增加抵抗層或設置絕緣層，齒輪箱和發電機組與支架絕緣，齒輪箱和發電機組就不會有雷電流直接通過，但會有較大雷擊感應電磁場。

圖2 機艙內防雷設計

電氣系統和控制系統處于LPZ2區，主要的防護措施有等電位連接、電涌防護、屏蔽等。

2 風電振動監控系統防雷設計

風電振動監控系統由主機、傳感器、通訊模塊等組成。主機位于控制箱內，屬于LPZ2區。傳感器安裝于齒輪箱和發電機組上，屬于LPZ1區域。通訊模塊由網線、光纖收發器、光纖組成。網線和光纖收發器均在控制箱內，屬于LPZ2區；光纖從控制箱內引出，經由塔筒至塔底控制柜，處于LPZ1區。

2.1 風電振動監測儀受雷擊分析

風電振動監測儀受雷擊損害主要通過以下幾個途徑：（1）通過電源的地電位反擊；（2）通過雷電產生的電磁場對風電振動監測主機進行損害；（3）通過雷電產生的電磁場影響傳感器線路信號，產生感應電流，損害風電振動監測系統的主機。

2.2 風電振動監測系統的電源防護策略

風電振動故障監測儀電源端需防止地電位反擊對主機造成的傷害。目前大多數風電振動監測主機采用220V 供電，在設備內部再進行交直流轉換。這種做法直接把交流干擾引入設備內部，另外交直轉換會釋放大量熱能，提升電路內部工作溫度，降低了安全性。

建議風電振動監測儀采用外部直流源供電。在電源進線處進行多級SPD 防護。開關電源前端220V 接入SPD，開關電源選用內部配置有SPD 的產品，設備內部電源接口做電源限壓分流電路。同時需做好開關電源、風電振動監測儀與風電機組電控系統的等電位連接，這樣就可以最大限度地降低地電位反擊對風電振動故障監測主機的損害。

2.3 風電振動監測系統的雷電電磁干擾防護策略

目前的風電振動監測儀外殼一般是和電源地連接在一起的，這種設計雷擊時外殼產生的電流會直接影響到內部電路板，容易對主機內部電路板造成損害。

本文介紹了一種特殊的設計來實現雷電電磁干擾的防護。圖3為風電振動監測儀主機的結構簡圖，電路板裝在一個全鋁機殼上，電路板電源地與內層機殼相連，內層機殼通過絕緣裝置安裝在一個全鋁封閉機殼上。

圖3 風電振動監測主機防雷電電磁干擾簡圖

首先采用雙全鋁機殼設計，外層機殼厚度3mm，內層機殼厚度4mm。雷電電磁脈沖為高頻脈沖，在通過金屬時會嚴重衰減，經過7mm 的衰減，可極大地減少雷電電磁干擾。

另外，這種設計外層機殼連地，內層機殼連接電路板電源地，形成了機殼接地、其他懸浮的理想抗干擾狀態。

2.4 風電振動監測儀的信號端防雷策略

風機用加速度傳感器的有效電壓一般是10V 以內。目前大多數風電振動主機的采集系統量程一般設計為±10V，超過10V，就很容易燒壞內部采集電路。

本文介紹的風電振動監測系統采用±30V 的大量程設計，并在主機信號接口板上對信號做防浪涌電路，如圖4所示。第一級電路采用氣體放電管作為高能量泄放元件，能夠泄放較大的浪涌電流。大部分的雷擊浪涌首先在第一級電路上泄放，但是第一級電路存在殘壓高、響應慢等缺陷。為了避免由此帶來的影響，圖4中采用了逐級降低殘壓、逐級提高響應速度的復合浪涌抑制辦法。

圖4 信號端防雷電路圖

另外，雷擊對傳感器線路的影響與線路長度有關。通過合理走線，傳感器至主機的距離控制在10 m 以內。選擇有屏蔽線的傳感器，屏蔽線接到主機機殼上。

3 結語

本文主要結合風電機組的整體防雷系統，分析了雷擊影響風電振動監測系統的三個主要途徑——地電壓反擊、雷擊電磁干擾、傳感器信號接口，并從這三個方面分析了現有防雷策略，提出了不足之處和改進方案。風電振動監測儀的工作環境惡劣，防雷措施必須結合現場實際情況來合理實施。

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