风力发电机组的气象防雷保护

风力发电机组的气象防雷保护

：随着风力发电机组单机容量的不断増大，风机轮毂高度和叶片高点也在不断増高，在旷野、山顶和沿海地区，风机遭受雷击的概率非常大。从各风场反馈的情况来看，雷击不但是造成风机故障停机的重要因素，甚至直接影响风电场的安全运行。本文首先从雷电的破坏机理和形式入手，对雷电的防护区域进行了划分，并提出了风力发电机组的防雷保护设计原则和防雷系统工程方案;而后对风机整机系统的防雷保护进行了系统的分析，并提出了具体的防雷保护方法。

标签：风力发电防雷雷电

1引言

风能是一种绿色、安全的清洁能源，也是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生能源。近年来，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毅高度和叶轮直径不断增高;同时，高原、沿海、海上等新型风力发电机组的开发，使风力发电机组开始大量应用于高原、沿海、海上等地形更为复杂，环境更为恶劣的地区，更加加大了风力发电机组被雷击的风险。据统计，风电机组故障中，由遭遇雷击导致的故障占到4%。电具有极大的破坏力，雷击释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等故障，给风电场带来直接和间接的巨大经济损失，此风力发电机组的防雷保护已日益引起各个风电机组制造厂家和风电机组研发设计人员的重视。风电机组的防雷是一个综合性的工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风电机组在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风电机组内的各种设备不受损害。

2雷电的产生及危害

雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象，电位差可达数兆瓦甚至十兆瓦，放电电流几十千安甚至几百千安。经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷，当雷暴经过大地时，云块下方原本负电荷充电的几公里的雷暴范围内的大地可以变为正极充电。这些正电荷会集中在垂的物体上，比如树木和高耸的建筑物。这些物体向上释放出正极的放电，并试图与从云块发出的向下的负极放电相结合，当正负电荷相结合时，闪电就发生了。

2.1雷电的破坏形式

风力发电机一般都是安装在空旷的地方，并且明显高于附近的建筑物和树木，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁下，尤其是叶片。因被雷击中的概率与该物体高度的平方成正比，况且风力发电机几乎任何地方都可能成为雷击的附着点，当任一点被雷击中时，它都将成为雷电流泄放的通路。风力发电机组的内部有很多的电子电气设备，比如控制柜、驱动装置、传感器、变频器、执行机构，以及相应的总线系统等。设备遭雷击受损通常有4种情况，1.设备直接遭受雷击而损坏;2.雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵人设备使

其受损;3.设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏;4.设备因安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。虽然国际电工委员会（IEC）于2002年已经颁布了风电机组的防雷推荐标准（IEC/TR 61400-24），但该标准仅制定了一套设计导则[5]，只是用于雷电防护的一般情况，其内容多限于一般性和经验性的设计原则，但没有规定量化的设计条款和具体的实施细则，对雷电瞬态过程的防护措施设置尚不够规范[6]。

2.2雷电防护区域的划分

雷电防护区域的提出是为了更好的保护风机系统里的电气部件。风电机组系统利用半径30m的滚球法可以分为几个不同的区域。雷电防护系统依据标准制定划分区域，目的是为了减少电磁干扰与可预见的藕合干扰。国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZO区（LPZA、LPZOB），LPZI区，LPZ2区.

LPZ0A区有直击雷（绕雷）侵袭的危险，完全处在电磁场环境中，具有雷击电涌破坏的可能。这个区域包括：叶片、机舱罩避雷针系统、塔架、架空电力线、风电场通讯电缆;LPZOB区没有直击的危险，但电磁场环境与雷电电涌没有任何减低[5]。这类区域包括叶片加热部分、环境测量传感器、航标灯未平蔽的机舱内部、发电机、齿轮箱、冷却系统、传动系统、电气控制柜、传感器、电缆。以上部位是遭受直击雷（绕雷）或不遭受直击雷，但电磁场没有衰减的部位。

LPZl区可选择SPD保护设备，存在电涌破坏的危险，电磁场由于屏蔽作用已经减弱。这类区域包括机舱内、塔架内的设备如电缆、发电机、齿轮箱等。

LPZ2区电涌破坏进一步减弱，电磁破坏影响更小。这类区域包括塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分。

3 防雷和过电压保护设计

3.1风力发电机组的雷电接受和传导途径

雷电由在叶片表面接闪电极引导，由雷电引下线传到叶片根部，通过叶片根部传给叶片法兰，通过叶片法兰和变桨轴承传到轮毂，通过轮毂法兰和主轴承传到主轴，通过主轴和基座传到偏航轴承，通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。

3.2外部直击雷的保护设计

叶片：叶片防雷系统包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线.雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，受损后也可以更换。雷电传导部分在叶片内部将雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。

3.3機舱

机舱主机架与叶片、机舱顶上避雷棒连接，再连接到塔架和基础的接地网。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统的传导。机舱上层平台为钢结构件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。

3.4塔架及引下线

专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航制动盘通过接地线连接，因此，雷击时将不会受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。3.5接地网

接地网设在混凝土基础的周围[3]。接地网包括1个50平方毫米铜环导体，置在离基础地下1 m 处;每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充;铜导电环连接到塔架 2 个相反位置，地面的控制器连接到连接点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域，地网将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电入地，为人员和动物提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。日本学者利用时域有限差分法对于机组的含接地环的接地体进行了电磁暂态的分析，并得出了环形电极对机组防雷保护的基本特性[7]，[8]。

3.6内部防雷（过电压）保护系统

为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备如：金属构架、金属装置、电气装置、通信装置和外来的导体应作等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过接入点传输到接地网。

3.7等电位汇接和隔离

风速计、风标和环境温度传感器在机舱内一起等电位接地;机舱的所有组件如避雷针、主轴承、发电机、齿轮箱和液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位;主空开进线电缆接地线与控制柜、变压器和电抗器在塔底接地汇流排上作等电位连接;地面开关盘框由一个封闭金属盒，连接到地等电位。在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接;对处理器和传感器，分开供电的直流电源。

4雷电响应

4.1 叶片的雷电暂态响应

首先雷电流从叶片顶端注入，电流源波形为10/350畔，雷电流幅值为lOOkA。