风力发电机雷电防护

防雷设计遵循原则
风机的接地电阻值应不大于4 风机的接地电阻值应不大于4欧姆。 与风机结合在一起的所有的金属件都应等电位连接在一起， 并与防雷装置相连。 接地系统有直通大地的连接，等电位连接网不应设单独的 接地装置。 防雷接地、交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地、 防静电接地共用一组接地装置。 接地装置应利用风机的自然接地体，当自然接地体的接地 电阻达不到要求时必须增加人工接地体。 接地设计必须遵守国际标准和规范。
图（11）齿轮箱机座外部接地点 图（11）齿轮箱机座外部接地点
等电位连接
每节塔筒之间以及第一节塔筒与基础环的法兰处用三条 35mm2接地电缆相连。接地电缆在法兰处呈120度分布， 35mm2接地电缆相连。接地电缆在法兰处呈120度分布， 保证塔筒可靠电气连通。塔筒跨接示意图如图（12） 保证塔筒可靠电气连通。塔筒跨接示意图如图（12）
防雷系统的思路
通过外部防雷装置将雷电与雷电电磁脉冲的能量泄放到大 地，并且应符合层次性原则，即尽可能多、尽可能远地将 多余能量在引入通信系统之前泄放入地；层次性就是按照 所设立的防雷保护区分层次对雷电能量进行削弱。 等电位就是保持系统各部分不产生足以致损的电位差。由 可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线和等电位连接 器（防雷器）组成一个电位补偿系统，在瞬态现象存在的 极短时间里，这个电位补偿系统可以迅速地在被保护系统 所处区域内将所有导电部件之间建立起一个等电位区域， 使得所有导电部件之间不存在显著的电位差。
防雷保护级别及其参数
根据IEC61400－24风力发电机系统-防雷保护，结合WEC 根据IEC61400－24风力发电机系统-防雷保护，结合WEC MINGYANG 1.5 MW Lightning Protection（Aerodyn），在 Protection（Aerodyn），在 此我们把明阳风力发电机按照一类防雷进行设计。 参数(防雷保护等级1) 参数(防雷保护等级1)
图（1 图（1）气象桅杆法兰跨接示意图
外部防雷措施
图（2 图（2）机架气象桅杆接线柱位置示意图
外部防雷措施
2、叶片尖端装有雷电捕捉器，捕捉器截面积大约 200~300mm2。雷电捕捉器通过叶片内部的70mm2接地电缆 。雷电捕捉器通过叶片内部的70mm 连接到叶片根部法兰处，每个叶片接地线底部安装有一个 雷电峰值记录卡。如图（3 雷电峰值记录卡。如图（3）所示：
内部防护（1）电源防雷 内部防护（
电源防雷系统主要是为了防止雷电波通过电 源线路而对计算机及相关设备造成危害。为 避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过 大，或因更大的雷电流在击毁避雷器后继续 毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应， 应采取分级保护、逐级泄流原则。一是在电 源的总进线处安装放电电流较大的电源避雷 器，二是在重要设备的进线处加装次级或末 级避雷器。
风力发电机防雷保护方案
设计依据，标准、 设计依据，标准、规范
IEC61024IEC61024-1 建筑物防雷 第一部分 通则 IEC/TR 61400-24 61400风力发电机系统风力发电机系统-防雷保护 IEC61312IEC61312-1 雷电电磁脉冲的防护 第一部 分 通则 GB 50057-2010 建筑物防雷设计规范 50057GB 50343-2004 50343建筑物电子信息系统防雷设 计规范 WEC MINGYANG 1.5 MW Lightning Protection （Aerodyn） Aerodyn）
图（12）各节塔筒法兰跨接示意图 图（12）各节塔筒法兰跨接示意图
等电位连接
基础环与塔内接地环焊接引出的三条扁钢可靠相连，三条 扁钢呈120 扁钢呈1200均匀分布，保证基础环可靠接地。 塔内接地环的制作 塔内接地环是由布置在塔筒内部的热镀锌圆钢连接而成的， 接地环与塔基防雷基础的预留钢筋3 接地环与塔基防雷基础的预留钢筋3点连接，连接点应均 匀分布。 塔内接地环连接了以下电缆 ： 一条机架接地电缆 一条变频器接地电缆 三条基础环接地电缆
风力发电机雷电防护区域 的划分
LPZ 1 可选择SPD保护设备，存在电涌破坏的危险，电磁场由于 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：轮毂内部；机舱电控柜内部；发电机接线 盒内部；照明系统；机舱与塔筒的线缆；塔筒内部；箱式 变电站内部； LPZ 2…n 电涌破坏进一步减弱，电磁破坏影响更小 2… 这类区域包括：变桨控制箱内部；塔基控制柜内部；箱式 变电站开关柜内部；
外部防雷措施
1、气象桅杆做成避雷针的形状。在气象桅杆的合叶连接 的上端面通过35 的上端面通过35 mm2导线以最短连接方式连接到机架接地 点上，接地电缆应保持一定的松紧度，不宜拉的太紧，以 免因为热胀冷缩而损坏。接地电缆安装尽量做到短、直。 气象桅杆避雷针的连接法兰采用35mm 气象桅杆避雷针的连接法兰采用35mm2接地电缆跨接，跨 接前应将接线端子与法兰的接触面的油漆去掉。
10 −3 3.58
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风力发电机雷电损坏风险评估
雷击大地的年平均密度 Ng＝0.1× Ng＝0.1×Td Td—年平均雷暴日。这里根据湛江气象站资料，为96次/年。 Td—年平均雷暴日。这里根据湛江气象站资料，为96次 Ng＝0.1× Ng＝0.1×96 ＝9.6 雷电直接击中平地上风机的年平均频率 Nd＝Ng× Nd＝Ng×9πh2×10-6 ＝9.6×9π×1002×10-6 9.6×9π×1002× ＝2.71 在小山或者丘陵的风力发电机遭受雷击的概率为平地风机的 2倍。 防雷保护系统效率 E ≥（1－ 10-3/3.58 ）×100％ ≥（ ）×100％ E≥99.7％ E≥99.7％
图（8 图（8）机架接地点示意图
等电位连接
机舱柜 门和侧板使用6mm 门和侧板使用6mm2的电缆进行跨接。 控制柜带有一个可靠的外部接地点，这一点通过35mm2的 控制柜带有一个可靠的外部接地点，这一点通过35mm2的 电缆与机架接地点进行最短距离连接。控制柜外部接地点 如图（9 如图（9）所示。
图（7 图（7）偏航轴承刹车制动盘碳刷装配示意图
外部防雷措施
从塔内接地环预留端子引出一条240mm2接地电缆，与机 从塔内接地环预留端子引出一条240mm2接地电缆，与机 架接线柱可靠相连，使机架可靠接地。接地电缆要求最短。 此电缆通过解缆系统时，在保证安全的情况下保持最短的 线路和最小的感应率。机架接地点如图（8 线路和最小的感应率。机架接地点如图（8）中红色接线 柱。
防雷设计时引入保护区概念
从空间上看，雷电作用的区域可以人为的划分成几个不同的保护区：0级防 雷区（LPZ0）、1级防雷区（LPZ1）、2级防雷区（LPZ2）等等最外层是0级防 雷区（LPZ0），此区域是雷电可以直接击中的区域，危险性最高，越往里，遇 受直击雷的危险程度降低。防雷保护区的界面由钢筋混凝土墙等构成的屏蔽层形 成。电气通道或穿墙金属管路往往穿越各界面，将雷电电磁脉冲导入其它防雷区 域。 LPZ 0A──易造受直接雷击，因而可能必须传导全部的雷电流。LEMP无衰减 0A──易造受直接雷击，因而可能必须传导全部的雷电流。LEMP无衰减 （例如大楼外部，而且不在避雷针保护范围内的部分）。 LPZ 0B──不易造受直接雷击，但 LEMP* 无衰减（例如大楼外部，但在避雷针保 0B──不易造受直接雷击，但 护范围以内的部分）。 LPZ 1──不易造受直接雷击，但 LEMP* 比LPZ 0B区 有衰减（例如钢筋水泥框架 1──不易造受直接雷击，但 0B区 结构大楼内部）。 LPZ 2──后续防雷区2，较LPZ 1区进一步减小传导电流或电磁场 （例如大楼内 2──后续防雷区2，较LPZ 部的屏蔽机房）。 LPZ 3──后续防雷区3，随着要求可以进一步设立防雷分区 （例如屏蔽机房内的 3──后续防雷区3 屏蔽接地的主机柜）。
发电机定子与变频柜接地连接采用240mm 发电机定子与变频柜接地连接采用240mm2电缆。 变频器与塔内接地环采用240mm 变频器与塔内接地环采用240mm2接地电缆可靠相连，保证 变频器可靠接地。
等电位连接
齿轮箱机座与机架接地点相连。选用35mm 齿轮箱机座与机架接地点相连。选用35mm2接地电缆。齿 轮箱机座接地点如图（11）所示。 轮箱机座接地点如图（11）所示。
图（5 图（5）主轴接地示意图
外部防雷措施
图（6 图（6）机架接线柱位置示意图
外部防雷措施
机架与塔筒的连接采用碳刷与防雷引弧爪并联方式，连接 点为2处，碳刷数量共4 点为2处，碳刷数量共4个。碳刷通过偏航制动器防雷支架 固定在偏航制动器的支座上，安装后与偏航制动器的压力 大约150N。安装前需将偏航制动器内圆周面的油漆与污渍 大约150N。安装前需将偏航制动器内圆周面的油漆与污渍 清理干净。装配示意图如图（7 清理干净。装配示意图如图（7）：
图（9 图（9）机舱控制控制柜外部接地点
等电位连接
发电机转子接地点与机架接地点相连。选用95mm 发电机转子接地点与机架接地点相连。选用95mm2电缆进 行连接。发电机转子外部接地点如图（10）所示 行连接。发电机转子外部接地点如图（10）所示
图（10）发电机转子外部接地点 图（10）发电机转子外部接地点
如图（3 如图（3）叶片正面形状及防雷电结构示意图
外部防雷措施
通过70mm 通过70mm2铜编织带缠绕硅胶条柔性连接的方式将叶片和 轮毂等电位连接。如图（4 轮毂等电位连接。如图（4）所示。 图（4 图（4）叶片至轮毂的连接
外部防雷措施
风机的主轴接地利用与锁紧盘连接的两个接地铜刷通过 70mm2铜编织带连接到机架。接地示意图如图（5 70mm2铜编织带连接到机架。接地示意图如图（5）。 具体装配方法及要求详见图纸1 MF－660－000－ 具体装配方法及要求详见图纸1－MF－660－000－A、图 纸1－MF－670－000－A。机架的接线柱如下图（6）所 MF－670－000－ 。机架的接线柱如下图（6 示。
风力发电机雷电防护区域 的划分
雷电防护区的提出，是为保护风机系统里的元件。风机系 统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耦合干扰。 LPZ 0A 有直击雷侵袭的危险，完全处在电磁场环境中，完全具有 雷击电涌破坏的可能。 这个区域包括：叶片；机舱罩；气象桅杆避雷针系统；塔 架 LPZ 0B 没有直接遭受雷击的危险，但电磁场环境与雷电电涌没有 任何减低。 这类区域包括：风向仪；风速仪；航标灯；机舱内部；发 电机；齿轮箱；液压系统；传动系统；电气控制柜；
基于综合防护的七点防雷措施
①选取适宜的接闪方式：雷电能量有50%可直接流入大地，还有50%的能量将通过各种 选取适宜的接闪方式：雷电能量有50%可直接流入大地，还有50%的能量将通过各种 感应方式，平均流入外露的各电气通道（如电源线、信号线和金属管道等）。 ②安全引导雷电入地：作好雷击电流引下工作，避免雷击电流旁向闪击，最大限度的 消除雷电流对电子设备的感应作用。 ③完善的共地措施：达到电源地、防雷地、保护地和信号地之间的电位平衡，形成共 地系统，防止雷电通过接地系统对设备的反击。减少感应雷击对弱电设备的感应损坏。 对重要的电子系统构造“等电位” ④对重要的电子系统构造“等电位”电位浮岛：在对电子设备的电源、数据、通讯及 信号线路进行感应雷防护时，使用直接电气联结或避雷器进行等电位连接，形成水涨 船高式的等电位浮岛，雷电侵入时，整个系统的电位同时升降。其目的是防止强大雷 电流流经之处的局部高电位与周围设备发生雷电反击（旁侧闪络放电），同时可消除 因地电位骤然升高而产生的“地电位反击” 因地电位骤然升高而产生的“地电位反击”事故。 ⑤迅速分流雷电流：把通过各种线路引入电子系统的雷击电流，通过精心安装的分流 系统，安全迅速的分流入地，降低系统的高电压，高速箝位电压达到安全值。 ⑥定期检测防雷装置：对防雷装置作定期检测。发现问题，及时整改