風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)方案一、概述風(fēng)能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生潔凈能源。風(fēng)能發(fā)電為人與自然和諧發(fā)展提供了基礎(chǔ)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在自然環(huán)境下工作，不可避免的會(huì)受到自然災(zāi)害的影響。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對(duì)的也增加了被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，雷擊成了自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害，并且雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成的危害主要有直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入、地電位反擊等形式。雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要部件按雷擊毀壞率由高到低排列是：電控系統(tǒng)（40%-50%）、葉片（15%-25%）、發(fā)電機(jī)（5%），按雷擊引起的維修成本由大到小排列依次是：葉片、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。為了降低自然災(zāi)害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對(duì)性的防范措二、設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)二、設(shè)計(jì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)1、 GermanischerLioyd;VorschriftenundRichtlinien,KapitelIV:NichtmaritimeTechnik,Abschnitt1:RichtliniefurdieZertifizierungvonWindeenergieanlagen《GL指導(dǎo)文件IV-1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)》2、 IEC61400-24Windturbinegeneratorsystems-Part24:Lightningprotection《IEC61400-24風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)》3、 IEC62305Protectionagainstlightning《IEC62305雷電防護(hù)》《GL指導(dǎo)文件》是風(fēng)機(jī)安裝、測(cè)試和認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)也包含了對(duì)風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)的具體要求，是風(fēng)機(jī)防雷保護(hù)的基礎(chǔ)性文件?！禝EC61400-24》定義和描述了風(fēng)機(jī)防雷保護(hù)裝置及其應(yīng)用?！禝EC62305》具體規(guī)定了防雷保護(hù)裝置的性能指標(biāo)。德國(guó)保險(xiǎn)業(yè)協(xié)會(huì)（GDV）的指導(dǎo)文件《VdS2010雷擊浪涌防護(hù)》規(guī)定風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)級(jí)別至少應(yīng)為第二級(jí)，也就是說，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能夠防護(hù)150KA以上的雷電而不損壞。關(guān)于雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法參見《IEC62305-2》。三、風(fēng)電機(jī)組設(shè)備雷電過電壓損害（1） 、雷電過電壓的各種形式雷電過電壓對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的損害有四種形式：A、 雷電直接擊中設(shè)備造成的直擊雷損害；B、 直擊雷在雷擊空間形成的瞬態(tài)空間電磁場(chǎng)耦合到設(shè)備及線路上的過電壓損害；C、 雷電流流入接地體時(shí)在接地電阻上產(chǎn)生的瞬態(tài)地電位抬高會(huì)機(jī)組設(shè)備造成的地電位反擊損害；D、 雷電過電壓沿著與設(shè)備相連接的電源線、信號(hào)線侵入設(shè)備造成的雷電電源侵入波損害。（2） 、雷電過電壓的損壞機(jī)理雷電流流過物體時(shí)，會(huì)造成物體溫度的升高，即雷電流的熱效應(yīng)。風(fēng)電機(jī)葉的損害很大程度上與此有關(guān)。雷電流流過葉片時(shí)，釋放巨大的能量，使得葉片的溫度急劇升高，分解的氣體高溫膨脹，壓力上升從而造成葉片的爆裂破壞。雷電流流過物體時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生很大的電磁力，造成物體的扭曲變形乃至斷裂，即雷電流的電磁力效應(yīng)，這會(huì)對(duì)葉片等部件造成很多的威脅。雷電流的上升陡度決定控制系統(tǒng)內(nèi)部的電子器件或者是電源設(shè)備及其相應(yīng)傳輸線路上感應(yīng)過電壓的大小。物體遭受雷擊的時(shí)候，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)而幅值相對(duì)較低的雷電流過程中。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會(huì)在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)，如果雷電流做足夠大還可能導(dǎo)致金屬熔化，這對(duì)風(fēng)電機(jī)組的軸承造成的威脅尤其大，因?yàn)樵谳S承接觸面上很容易電弧，將軸承熔焊在一起，或者是加速起磨損，從而降低壽命。四、風(fēng)電機(jī)組綜合防雷保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)《IEC61400-24風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)》，風(fēng)電機(jī)組防雷區(qū)分為BSZ0A,BSZ0B,BSZl,BSZ2等4區(qū)，其中BSZOA區(qū)易遭受直擊雷擊，BSZOB區(qū)不會(huì)遭受直擊雷，但是該區(qū)的電磁場(chǎng)不會(huì)衰減，這部分包括了風(fēng)輪葉片，輪轂，機(jī)艙罩，測(cè)風(fēng)設(shè)備的風(fēng)況傳感器，無屏蔽措施的操作間和變電站，土壤內(nèi)的電纜連接等部分。BSZ1和BSZ2區(qū)不會(huì)遭受直接雷擊，而且在這兩區(qū)域內(nèi)的電磁場(chǎng)依次衰減，包括采取了有效雷電導(dǎo)引和屏蔽措施的風(fēng)輪葉片內(nèi)部。全金屬網(wǎng)格覆蓋的機(jī)艙罩內(nèi)部，金屬塔架的內(nèi)部，操作間和變電所的內(nèi)部等。防雷保護(hù)區(qū)概念是規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合防雷保護(hù)的基礎(chǔ)。它是一種對(duì)結(jié)構(gòu)空間的設(shè)計(jì)方法，以便在構(gòu)筑物內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電磁兼容性環(huán)境。構(gòu)筑物內(nèi)不同電氣設(shè)備的抗電磁干擾能力的大小決定了對(duì)這一空間電磁環(huán)境的要求。作為一種保護(hù)措施，防雷保護(hù)區(qū)概念當(dāng)然就包括了應(yīng)在防雷保護(hù)區(qū)的邊界處，將電磁干擾（傳導(dǎo)性干擾和輻射性干擾）降低到可接受的范圍內(nèi)，因此，被保護(hù)的構(gòu)筑物的不同部分被細(xì)分為不同的防雷保護(hù)區(qū)。防雷保護(hù)區(qū)的具體劃分結(jié)果與風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且也要考慮這一結(jié)構(gòu)建筑形式和材料。通過設(shè)置屏蔽裝置和安裝電涌保護(hù)器，雷電在防雷保護(hù)區(qū)0A區(qū)的影響在進(jìn)入1區(qū)時(shí)被大大縮減，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的電氣和電子設(shè)備就可以正常工作，不受干擾。按照防雷保護(hù)分區(qū)的概念，一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)包括：（1）外部防雷保護(hù)系統(tǒng)：接閃器、引下線、接地系統(tǒng)。（2）內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)：防雷擊等電位連接、電涌保護(hù)、屏蔽措施。（一）外部防雷保護(hù)系統(tǒng)外部防雷保護(hù)系統(tǒng)由接閃器、引下線和接地系統(tǒng)組成，它的作用是防止雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的損壞以及火災(zāi)危險(xiǎn)。1、接閃器雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)的落雷點(diǎn)一般是在風(fēng)機(jī)的槳葉上，因此接閃器應(yīng)預(yù)先布置在槳葉的預(yù)計(jì)雷擊點(diǎn)處以接閃雷擊電流。為了以可控的方式傳導(dǎo)雷電流入地，槳葉上的接閃器通過金屬連接帶連接到中間部位，金屬連接帶可采用30X3.5mm鍍鋅扁鋼。對(duì)于機(jī)艙內(nèi)的滾珠軸承，為了避免雷電在通過軸承時(shí)引起的焊接效應(yīng)，應(yīng)將其兩端通過碳刷或者放電間隙橋接起來。對(duì)于位于機(jī)艙頂部的設(shè)施（例如風(fēng)速計(jì)）的防雷保護(hù)，采用避雷針的方式安裝在機(jī)艙頂部，保護(hù)該設(shè)備不受直接雷擊。2、 引下線如果是金屬塔，可以直接將塔架作為引下線來使用；如果是混凝土塔身，那么采用內(nèi)置引下線（鍍鋅圓鋼＜p8?10mm，或者鍍鋅扁鋼30X3.5mm）。3、 接地系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地由塔基的基礎(chǔ)接地極提供，塔基的基礎(chǔ)接地網(wǎng)應(yīng)與周圍的操作室的基礎(chǔ)接地極相連構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀接地體，這樣就形成了一個(gè)等電位連接區(qū)，當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)就可以消除不同點(diǎn)的電位差。并且要保證接地系統(tǒng)的接地電阻達(dá)到防雷規(guī)范要求。（二）內(nèi)部感應(yīng)雷防雷保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)是由所有的在該區(qū)域內(nèi)縮減雷電電磁效應(yīng)的設(shè)施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護(hù)。1、 防雷擊等電位連接防雷擊等電位連接是內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統(tǒng)內(nèi)，所有導(dǎo)電的部件都被相互連接，以減小電位差。在設(shè)計(jì)等電位連接時(shí)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)考慮其最小連接橫截面積。一個(gè)完整的等電位連接網(wǎng)絡(luò)也包括金屬管線和電源、信號(hào)線路的等電位連接，這些線路應(yīng)通過雷電流保護(hù)器與主接地匯流排相連。2、 屏蔽措施屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，如果能在設(shè)計(jì)階段就考慮到屏蔽措施，那么屏蔽裝置就可以以較低成本實(shí)現(xiàn)。機(jī)艙應(yīng)該制成一個(gè)封閉的金屬殼體，相關(guān)的電氣和電子器件都裝在開關(guān)柜，開關(guān)柜和控制柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在塔基和機(jī)艙的不同設(shè)備之間的線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層。對(duì)于干擾的抑制，只有當(dāng)線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時(shí)，屏蔽層對(duì)電磁干擾的抑制才是有效的。3、 電涌保護(hù)除了使用屏蔽措施來抑制輻射干擾源以外，對(duì)于防雷保護(hù)區(qū)邊界處的傳導(dǎo)性干擾也需要有相應(yīng)的保護(hù)措施，這樣才能讓電氣和電子設(shè)備可靠的工作。在防雷保護(hù)區(qū)0A-1的邊界處必須使用防雷器，它可以導(dǎo)走大量的分雷電流而不會(huì)損壞設(shè)備。這種防雷器也稱之為雷電流保護(hù)器（I級(jí)防雷器），它們可以限制接地的金屬設(shè)施和電源、信號(hào)線路之間由雷電引起的高電位差，將其限制在安全的范圍之內(nèi)。雷電流保護(hù)器的最重要的特性是：按照10/350M脈沖波形測(cè)試，可以承受雷擊電流。對(duì)風(fēng)電機(jī)組來說，電源線路0A-1邊界處的防雷保護(hù)是在400/690V電源側(cè)完成的。在防雷保護(hù)區(qū)以及后續(xù)防雷區(qū)，僅有能量較小的脈沖電流存在，這類脈沖電流是由外部的感應(yīng)過電壓產(chǎn)生，或者是從系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的電涌。對(duì)于這一類脈沖電流的保護(hù)設(shè)備叫作電涌保護(hù)器（II級(jí)防雷器）。用8/20M脈沖電流波形進(jìn)行測(cè)試。從能量協(xié)調(diào)的角度來說，電涌保護(hù)器需要安裝在雷電流保護(hù)器的下游。當(dāng)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安裝電涌保護(hù)器時(shí)，與電源系統(tǒng)上安裝的電涌保護(hù)器不同的是：電涌保護(hù)器與測(cè)控系統(tǒng)的兼容性以及測(cè)控系統(tǒng)本身的工作特性需要特別注意。這些保護(hù)器與數(shù)據(jù)線串聯(lián)連接，而且必須將干擾水平限制在被保護(hù)設(shè)備的耐受能力以內(nèi)。從通流量上考慮，例如一條電話線，在導(dǎo)線上的分雷電流應(yīng)按照5%來預(yù)估，對(duì)于III/W級(jí)防雷保護(hù)系統(tǒng)，就是5kA（10/350卩s）。（三）主要部分的防雷設(shè)施細(xì)則：1、直擊雷部分：作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中位置最高的部件，葉片是雷電襲擊的首要目標(biāo)，同時(shí)葉片又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最昂貴的部件，因此葉片的防雷擊保護(hù)至關(guān)重要。研究結(jié)果表明葉片的完全絕緣不能降低被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)而只能增加受損傷的程度，而在很多情況下雷擊的位置在葉尖的背面。國(guó)內(nèi)某風(fēng)電企業(yè)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片研制開發(fā)了專門的防雷系統(tǒng)，由雷電接閃器和雷電傳導(dǎo)部分組成。雷電接閃器是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的不銹鋼螺桿，裝置在葉片尖部，即葉片最可能被襲擊的部位，接閃器可以經(jīng)受多次雷電的襲擊，損壞后也可以方便地更換。在葉片內(nèi)部，雷電傳導(dǎo)部分將雷電從接閃器導(dǎo)入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂傳至機(jī)艙。在輪轂的法蘭處裝有間隙放電組成的保護(hù)將雷電流迅速傳至機(jī)艙底座，釋放雷擊過電壓。2、感應(yīng)雷浪涌保護(hù)部分：直擊雷發(fā)生時(shí)快速變化的電磁場(chǎng)易在包括才、機(jī)艙內(nèi)部和穿過偏航軸承的地方以及連接到控制室和配電室的電纜中產(chǎn)生雷電感應(yīng)過電壓，顧位于這些區(qū)域任何一端的電氣控制設(shè)備，都要加裝以氣體放電管，壓敏電阻等為核心器件的浪涌保護(hù)器(SPD)，具體包括了電源，信號(hào)等類型，以此抑制可能出現(xiàn)的雷電過電壓，對(duì)于690V/380V的風(fēng)電機(jī)組供電線路，為防止沿低電源侵入的雷電過電壓，供電線路應(yīng)采用TN-S供電方式。整個(gè)供電線路采用三級(jí)保護(hù)原理：一二級(jí)采用浪涌保護(hù)器(SPD)，第三級(jí)采用終端設(shè)備保護(hù)器。根據(jù)風(fēng)機(jī)內(nèi)設(shè)備的不同以及電涌保護(hù)器安裝位置的不同，將風(fēng)機(jī)內(nèi)設(shè)備的電涌保護(hù)分成7個(gè)部分，以下具體介紹電涌保護(hù)器在各個(gè)不同設(shè)備中的配置。分別是：發(fā)電機(jī)的保護(hù)應(yīng)在發(fā)電機(jī)定子端、轉(zhuǎn)子端設(shè)置相應(yīng)的電源防雷器。機(jī)艙開關(guān)柜的保護(hù)從塔基控制柜到機(jī)艙開關(guān)柜的線纜，應(yīng)在線路進(jìn)入開關(guān)柜的入口端安裝相應(yīng)的防雷器。從測(cè)風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入開關(guān)柜的信號(hào)線，應(yīng)在進(jìn)入開關(guān)柜的入口端安裝信號(hào)線保護(hù)器。從遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)進(jìn)入開關(guān)柜的信息線，應(yīng)在進(jìn)入開關(guān)柜的入口端安裝信號(hào)線保護(hù)器。輪轂變槳系統(tǒng)的保護(hù)變槳系統(tǒng)是控制風(fēng)機(jī)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其電源與信號(hào)線路與機(jī)艙開關(guān)柜連接。應(yīng)在這些線路進(jìn)入變槳系統(tǒng)的入口端安裝相應(yīng)的保護(hù)器。塔基變頻柜的保護(hù)位于塔基的變頻柜與機(jī)艙發(fā)電機(jī)相連，從發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子來的電源線路在進(jìn)入變頻柜時(shí)，應(yīng)安裝相應(yīng)的保護(hù)器塔基控制柜的保護(hù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的避雷器選型：信號(hào)避雷器的選擇與電源避雷器的選擇類似，信號(hào)線上的避雷器應(yīng)實(shí)現(xiàn)避雷器每線通流量達(dá)到5KA,工作電壓符合系統(tǒng)運(yùn)行電壓；塔基控制柜需要保護(hù)的線路有兩個(gè)部分：從機(jī)艙開關(guān)柜到塔基控制柜的線纜,應(yīng)在線路進(jìn)入控制柜的入口端安裝相應(yīng)的防雷器。從變壓器室進(jìn)入控制柜的電源線,應(yīng)在進(jìn)入控制柜的入口端安裝電源線保護(hù)器。遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)傳送的監(jiān)控中心,例如給出了使用電話線的例子。應(yīng)在電話線路的入口端、到開關(guān)柜的出口端以及到控制柜的出口端安裝相應(yīng)的保護(hù)器。變壓器端的保護(hù)在變壓器低壓側(cè)安裝第一級(jí)電源保護(hù)器,在變壓器高壓側(cè)安裝相應(yīng)的高壓避雷器五、接地系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)是其防雷保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),雷電流是通過風(fēng)機(jī)組本身的防雷裝置引入地下,故要有良好的防雷接地系統(tǒng)來抑制可能出現(xiàn)的地電位抬高以及高電位反擊,從而保證雷擊時(shí)風(fēng)機(jī)組的安全。風(fēng)電場(chǎng)一般設(shè)置在高山,海島等空曠的地方,這些地方的土壤電阻率差異很大,即使是在同一區(qū)域,其土壤電阻率差異也可能很大。這就需要采取合理的接地地網(wǎng)設(shè)計(jì),可以利用銅包鋼、角鋼、或者是低電阻接地極配合降助劑使用,也可以用離子接地極做為地網(wǎng)的接地極制作接地地網(wǎng)。通過合理的設(shè)計(jì)(每個(gè)接地極之間要間隔3米以上),合理的施工確保風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)的接地電阻達(dá)到防雷接地的要求。風(fēng)機(jī)防雷接地電阻要在2歐姆以下,并且每個(gè)地網(wǎng)之間不能存在電位差。附件：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷解決方案示意圖鳳葉挨旳昭川鳳葉梯刃昭機(jī)能控制柜可詢用f-;*^at莎\設(shè)計(jì)說明jL、本陽4■窮飯方第示頂厠牛菲代譽(yù)現(xiàn)代器祁方第抽風(fēng)力曲厄聒嫌.口址■它坐出J■也應(yīng)商陸滬的誼計(jì)址潤(rùn)就：鳳力烷吒鬲嫌摘禮應(yīng)屮閔滬片iJi*?E.耳金訶推出J■鳳力膻吒鬲址恤亢住笛哈聒時(shí)陝?chuàng)寫?yīng)4-產(chǎn)幷.2,授11■吐為腳測(cè)由應(yīng)社e.閔屮炸衣叱牧簡(jiǎn)單.整牛皿專於城LPZ07?.風(fēng)」茶內(nèi)^LPZLT?.怎內(nèi)加機(jī)掙屈LPZ，.4鳳力破