1. 建立風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(tǒng)的必要性
目前，中國國內(nèi)的大部分風(fēng)電場分布于東北、華北和西北地區(qū)。近些年，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟和市場需求的增加，越來越多的南方風(fēng)電場已陸續(xù)建設(shè)起來。而且，南方地區(qū)的雷暴天氣明顯要多于北方地區(qū)，給風(fēng)機(jī)制造商和風(fēng)電場建設(shè)方帶來極大的考驗(yàn)。
下圖為某機(jī)組遭雷擊損壞的實(shí)例。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是比周圍物體要高大構(gòu)筑物。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常常安裝在非常容易受到雷擊的場地。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的許多暴露部件，如葉片和機(jī)艙罩往往由不能承受直擊雷的復(fù)合材料制成。
—— 葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)與機(jī)艙是相對(duì)旋轉(zhuǎn)的，不利傳導(dǎo)雷電流。
——雷電流將通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到大地，因此，實(shí)際上大部分雷電流將流經(jīng)或靠近所有的機(jī)組部件。
——風(fēng)電場的土壤電阻率通常比較高，接地條件不好。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都設(shè)置在風(fēng)大的地區(qū)，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)，并且遠(yuǎn)離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。此外，設(shè)置在丘陵和山脊的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地，這些地區(qū)的土壤導(dǎo)電性能相對(duì)較差。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常常安裝在非常容易受到雷擊的場地。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的許多暴露部件，如葉片和機(jī)艙罩往往由不能承受直擊雷的復(fù)合材料制成。
—— 葉片、輪轂、發(fā)電機(jī)與機(jī)艙是相對(duì)旋轉(zhuǎn)的，不利傳導(dǎo)雷電流。
——雷電流將通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到大地，因此，實(shí)際上大部分雷電流將流經(jīng)或靠近所有的機(jī)組部件。
——風(fēng)電場的土壤電阻率通常比較高，接地條件不好。
——風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都設(shè)置在風(fēng)大的地區(qū)，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。通常風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)，并且遠(yuǎn)離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。此外，設(shè)置在丘陵和山脊的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地，這些地區(qū)的土壤導(dǎo)電性能相對(duì)較差。
2. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的通用防雷措施
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷系統(tǒng)包含了從葉片至基礎(chǔ)的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且每個(gè)環(huán)節(jié)都不可或缺。依據(jù)IEC61400-24(2010) 《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組- 第24 部分: 雷電防護(hù)》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷措施主要有以下幾個(gè)方面。
2.1 葉片接閃器及引下線
葉片接閃器應(yīng)位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊。葉片接閃器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)嚴(yán)格的檢測和試驗(yàn)來確定。接閃器數(shù)量按照2010 版GL 規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
葉片接閃器應(yīng)位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊。葉片接閃器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)嚴(yán)格的檢測和試驗(yàn)來確定。接閃器數(shù)量按照2010 版GL 規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
引下線應(yīng)長期可靠連接，并能承受雷電流產(chǎn)生的電、熱、電動(dòng)力的聯(lián)合沖擊。引下線應(yīng)在進(jìn)行模擬雷擊試驗(yàn)以前就安裝在葉片上，應(yīng)與葉片一起進(jìn)行耐受機(jī)械應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)。
2.2 輪轂
輪轂金屬結(jié)構(gòu)本身具有良好的電磁屏蔽效果，其雷電防護(hù)只需采取等電位連接。對(duì)延伸到輪轂外部（除去葉片根部或機(jī)艙）的電氣和控制系統(tǒng)回路應(yīng)采取雷電防護(hù)措施。
2.3 機(jī)艙
金屬機(jī)艙結(jié)構(gòu)自然成為雷電防護(hù)系統(tǒng)的一部分， 應(yīng)能承載IEC62305-1 所規(guī)定雷電防護(hù)等級(jí)的雷電流。金屬機(jī)艙外罩和金屬結(jié)構(gòu)（如機(jī)艙底座）應(yīng)與引下線連接。
非金屬機(jī)艙外罩（如玻璃鋼外罩）應(yīng)增設(shè)足夠大截面網(wǎng)格條的金屬網(wǎng)格。
2.4 塔筒
金屬塔筒各段落之間應(yīng)有良好的電氣連接。各段落之間除了自然的結(jié)構(gòu)連接以外還應(yīng)有多條直接的電氣連接。金屬塔筒可作為良好的自然引下線，各段端部和底座環(huán)應(yīng)引出接地端子。
2.5 軸承和齒輪箱
2.2 輪轂
輪轂金屬結(jié)構(gòu)本身具有良好的電磁屏蔽效果，其雷電防護(hù)只需采取等電位連接。對(duì)延伸到輪轂外部（除去葉片根部或機(jī)艙）的電氣和控制系統(tǒng)回路應(yīng)采取雷電防護(hù)措施。
2.3 機(jī)艙
金屬機(jī)艙結(jié)構(gòu)自然成為雷電防護(hù)系統(tǒng)的一部分， 應(yīng)能承載IEC62305-1 所規(guī)定雷電防護(hù)等級(jí)的雷電流。金屬機(jī)艙外罩和金屬結(jié)構(gòu)（如機(jī)艙底座）應(yīng)與引下線連接。
非金屬機(jī)艙外罩（如玻璃鋼外罩）應(yīng)增設(shè)足夠大截面網(wǎng)格條的金屬網(wǎng)格。
2.4 塔筒
金屬塔筒各段落之間應(yīng)有良好的電氣連接。各段落之間除了自然的結(jié)構(gòu)連接以外還應(yīng)有多條直接的電氣連接。金屬塔筒可作為良好的自然引下線，各段端部和底座環(huán)應(yīng)引出接地端子。
2.5 軸承和齒輪箱
軸承應(yīng)證明能在整個(gè)服務(wù)期間耐受可能流過多次雷電流，否則應(yīng)采取降低雷電流流過軸承的保護(hù)措施。對(duì)處于雷電流通道的軸承齒輪、軸承與連軸器應(yīng)采用旁路分流和阻斷隔離相結(jié)合的方式。通向發(fā)電機(jī)的連軸器應(yīng)采用絕緣隔離，提供所需的絕緣以保護(hù)發(fā)電機(jī)免遭雷電流侵入發(fā)電機(jī)軸。
阻斷隔離是指在軸承或齒輪箱以及其它高速軸到機(jī)艙底板的電流通道中插入絕緣層。下圖為減少軸承雷電流措施的示意圖。齒輪箱和發(fā)電機(jī)通過機(jī)器底座的連接螺栓與接地裝置應(yīng)保持良好的連接。如齒輪箱或發(fā)電機(jī)用柔性阻尼元件與機(jī)器底座連接，則所有阻尼元件應(yīng)采用有足夠截面積的扁銅帶跨接。
阻斷隔離是指在軸承或齒輪箱以及其它高速軸到機(jī)艙底板的電流通道中插入絕緣層。下圖為減少軸承雷電流措施的示意圖。齒輪箱和發(fā)電機(jī)通過機(jī)器底座的連接螺栓與接地裝置應(yīng)保持良好的連接。如齒輪箱或發(fā)電機(jī)用柔性阻尼元件與機(jī)器底座連接，則所有阻尼元件應(yīng)采用有足夠截面積的扁銅帶跨接。
2.6 接地裝置
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地裝置可利用
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地裝置可利用
塔筒的鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為共用接地裝置，除應(yīng)滿足以下四個(gè)基本要求以外，還要符合雷電防護(hù)的要求，能將高頻和高能量的雷電流安全引導(dǎo)入地。其工頻接地電阻宜小于4Ω。在高土壤電阻率地區(qū)，應(yīng)采取措施降低接地電阻。本機(jī)組的接地裝置應(yīng)與若干其它機(jī)組和風(fēng)電場的接地裝置相連。
四個(gè)基本要求是：
a) 接地故障出現(xiàn)時(shí)，發(fā)生跨步電壓和接觸電壓，需確保人身安全；
b) 防止接地故障引起設(shè)備的損壞；
c) 接地故障時(shí)接地裝置耐受熱、電動(dòng)力；
d) 具有長期的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。
b) 防止接地故障引起設(shè)備的損壞；
c) 接地故障時(shí)接地裝置耐受熱、電動(dòng)力；
d) 具有長期的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。
2.7 電氣系統(tǒng)防雷
2.7.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電涌保護(hù)器的類型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部系統(tǒng)采用的電涌保護(hù)器（簡稱SPD）產(chǎn)品的類型：
a) 低壓電源系統(tǒng)用SPD：用于對(duì)低壓電源系統(tǒng)中的電氣部件的保護(hù)，產(chǎn)品應(yīng)符合GB 18802.1；
b) 控制與信息系統(tǒng)用SPD：用于對(duì)控制和測量、信號(hào)回路的保護(hù)，產(chǎn)品應(yīng)符合GB/T 18802.21；
c) 低壓主電力電氣系統(tǒng)用SPD：用于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變頻器及有關(guān)部件的保護(hù)。
b) 控制與信息系統(tǒng)用SPD：用于對(duì)控制和測量、信號(hào)回路的保護(hù)，產(chǎn)品應(yīng)符合GB/T 18802.21；
c) 低壓主電力電氣系統(tǒng)用SPD：用于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變頻器及有關(guān)部件的保護(hù)。
2.7.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中電涌保護(hù)器的安裝位置。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣電子系統(tǒng)框圖和防雷區(qū)（簡稱LPZ）劃分原則，應(yīng)在如下位置安裝SPD：
a) 在每個(gè)LPZ 的線路入口處安裝SPD：
在LPZ0B 進(jìn)入LPZ1 區(qū)處：應(yīng)選用用Iimp 測試的SPD（Ⅰ類試驗(yàn)），安裝在離LPZ1 邊界盡可能近的地方；在LPZ1 進(jìn)入LPZ2 區(qū)或更高區(qū)處：應(yīng)選用用In 測試的SPD（Ⅱ類試驗(yàn)），安裝在離LPZ2 邊界或更高區(qū)盡可能近的地方。
b) 在部分電氣設(shè)備端部安裝SPD：
非常敏感的設(shè)備，與LPZ 入口處SPD 距離太遠(yuǎn)的設(shè)備，內(nèi)部干擾源產(chǎn)生的電磁場有威脅的設(shè)備。下圖顯示了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)主電力電氣回路和低壓電源回路中電涌保護(hù)器安裝位置例。
3. 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷措施
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷措施除跟上述的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通用措施相同外，還應(yīng)具有以下防護(hù)措施。
3.1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電保護(hù)系統(tǒng)
3.1.1 永磁直驅(qū)機(jī)組防雷接地設(shè)計(jì)依據(jù)。永磁直驅(qū)機(jī)組防雷接地參照以下標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
GB 50057-94（2010） 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范
IEC 61400-24-2010 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組- 第24 部分: 雷電防護(hù)
IEC 62305-1 -2006 雷電防護(hù)- 第1 部分：總則
IEC 62305-3 -2006 雷電防護(hù)- 第3 部分：建筑物的實(shí)體損害和生命危險(xiǎn)
IEC 62305-4 -2006 雷電防護(hù)- 第4 部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)
GL（2010） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證指南（2010）
IEC 61400-24-2010 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組- 第24 部分: 雷電防護(hù)
IEC 62305-1 -2006 雷電防護(hù)- 第1 部分：總則
IEC 62305-3 -2006 雷電防護(hù)- 第3 部分：建筑物的實(shí)體損害和生命危險(xiǎn)
IEC 62305-4 -2006 雷電防護(hù)- 第4 部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)
GL（2010） 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證指南（2010）
考慮機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從其自身價(jià)值及遭受雷擊后可能產(chǎn)生的直接和間接損失，結(jié)合國外對(duì)機(jī)組防雷等級(jí)的劃分，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參照最嚴(yán)酷等級(jí)進(jìn)行防雷，并適應(yīng)與所有的雷暴區(qū)域。依據(jù)IEC 62305.1—2006《雷電防護(hù) 第1 部分：總則》第八章的規(guī)定，采用雷電防護(hù)水平雷電防護(hù)等級(jí)Ⅰ的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行保護(hù)。
3.1.2 綜合防雷體系。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保護(hù)是個(gè)綜合的防雷系統(tǒng)。包括外部、內(nèi)部防雷系統(tǒng)，針對(duì)不同防雷區(qū)域采取有效的防護(hù)手段，主要包括雷電截收和傳導(dǎo)系統(tǒng)、過電壓保護(hù)和等電位連接、電控系統(tǒng)防雷等措施，這些防護(hù)措施都充分考慮了雷電的特點(diǎn)，實(shí)踐證明這一方法簡單而有效。防雷系統(tǒng)的組成見下圖6 所示。
3.2 機(jī)艙頂部接閃器的設(shè)計(jì)
機(jī)艙的頂部，設(shè)置有風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀。為了減少因側(cè)擊雷造成風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的損壞，應(yīng)在機(jī)艙頂部裝設(shè)接閃器，保護(hù)風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備。
3.3 等電位連接
等電位連接是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關(guān)鍵。
為了減小各金屬設(shè)備之間的電位差，對(duì)機(jī)組的所有外露金屬部分，采取等電位連接措施。輪轂、機(jī)艙、塔筒內(nèi)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部主要金屬構(gòu)建、金屬管道以及線路屏蔽均應(yīng)采用等電位連接。設(shè)置等電位母排。延伸到機(jī)艙、塔筒外部的電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)布設(shè)在金屬管道內(nèi), 金屬管道應(yīng)與引下線系統(tǒng)相連，電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施。
3.4 沿海及海上的機(jī)組防雷措施
針對(duì)海上的鹽霧環(huán)境，對(duì)防雷、接地裝置的金屬結(jié)構(gòu)件做必要的防腐處理，并且對(duì)電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護(hù)器均要通過抗鹽霧試驗(yàn)。
3.5 加強(qiáng)對(duì)防雷與接地裝置的檢查與維護(hù)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命至少為20 年，為保證機(jī)組的防雷系統(tǒng)正常工作，要定期對(duì)防雷與接地裝置進(jìn)行檢查，主要檢查的對(duì)象有：各電控柜內(nèi)電涌保護(hù)器、各零部件及設(shè)備間的等電位連接導(dǎo)線、機(jī)組的接地電阻值等。
機(jī)艙的頂部，設(shè)置有風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀。為了減少因側(cè)擊雷造成風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的損壞，應(yīng)在機(jī)艙頂部裝設(shè)接閃器，保護(hù)風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備。
3.3 等電位連接
等電位連接是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關(guān)鍵。
為了減小各金屬設(shè)備之間的電位差，對(duì)機(jī)組的所有外露金屬部分，采取等電位連接措施。輪轂、機(jī)艙、塔筒內(nèi)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部主要金屬構(gòu)建、金屬管道以及線路屏蔽均應(yīng)采用等電位連接。設(shè)置等電位母排。延伸到機(jī)艙、塔筒外部的電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)布設(shè)在金屬管道內(nèi), 金屬管道應(yīng)與引下線系統(tǒng)相連，電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施。
3.4 沿海及海上的機(jī)組防雷措施
針對(duì)海上的鹽霧環(huán)境，對(duì)防雷、接地裝置的金屬結(jié)構(gòu)件做必要的防腐處理，并且對(duì)電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護(hù)器均要通過抗鹽霧試驗(yàn)。
3.5 加強(qiáng)對(duì)防雷與接地裝置的檢查與維護(hù)
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命至少為20 年，為保證機(jī)組的防雷系統(tǒng)正常工作，要定期對(duì)防雷與接地裝置進(jìn)行檢查，主要檢查的對(duì)象有：各電控柜內(nèi)電涌保護(hù)器、各零部件及設(shè)備間的等電位連接導(dǎo)線、機(jī)組的接地電阻值等。
4.小結(jié)
“預(yù)防勝于治理”是對(duì)防雷工作最好的解釋，即使比較完善的防雷體系已經(jīng)建立，還是不能夠完全抵御雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廣泛采用有效的防雷保護(hù)技術(shù)的同時(shí)， 為了盡量減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊的危險(xiǎn)， 建議在風(fēng)機(jī)安裝之前，即進(jìn)行風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計(jì)及微觀選址時(shí)，將風(fēng)機(jī)的防雷作為影響因素之一加以考慮，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全有效的運(yùn)行。
鄂公網(wǎng)安備 42011202002153號(hào)
