风力发电厂的防雷工程设计原则和实现途径

张 强

内蒙古蒙电华能热电股份白云鄂博风电场，内蒙古呼和浩特 010020

0 引言

风能是现代社会下最具开发规模的可再生资源，风力发电是人与自然和谐发展的重要体现，近些年来，我国的风力发电行业得到了十分迅速的发展，但是，由于发展时间相对较短，与其他发达国家相比，我国风力发电在发展过程中还存在着一些不足之处。风力风电机组工作的环境是风力较大的自然环境下，在运转的过程中，难免会受到自然灾害的影响，在众多的自然灾害中对风力发电厂影响最大的当属雷击。在目前，风力发电机组单机的容量不断的增加，叶轮直径以及轮毂的高度也随之增加，雷击风险也被无形放大，一旦发生雷击，雷电释放出的能量不仅会造成发电机绝缘击穿、发电机组叶片损毁、控制元器件烧毁等后果，还可能会造成工作人员的伤亡，我国很多地区的地形复杂，容易受到雷暴的影响，因此，为了降低雷击为风力发电厂带来的影响，必须做好对防雷工程进行科学合理的设计。

1 风力发电厂防雷工程的设计原则和实现途径

风力发电厂的防雷工程是一个系统的工程，其内容包括直击雷的防护、感应雷的防护、屏蔽措施、等电位连接措施、电涌保护器的安装、布线的控制等部分组成，为了实现各个组成部分的防雷要求，风力发电厂的综合防雷工作必须要有外部防直击雷系统、等电位连续以及过电压保护装置三个系统，在风力发电厂防雷工程的设计中要遵循综合治理、全面规划、多重保护的原则，将内部防雷措施与外部防雷措施进行整合，做到技术先进、安全可靠、经济合理、维护方便。对于具体部分的防雷设计，可以从以下几个方面进行：

1.1 外部防雷系统的设计

1）叶片的防雷保护

一般情况下，大型风电机组的高度都超过了70m，安装地域也位于山地、海边或者旷野处，容易遭受雷击的危害，叶片处于整个发电机组的顶点，也是最易受到损害的部件，叶片包括无叶尖阻尼器的叶片和有叶尖阻尼器的叶片，对于无叶尖阻尼器的叶片可以在其叶尖部分将金属导体或者铜网布设置待叶尖部分的玻璃纤维表层，预埋至叶根处金属法兰与叶片的铜导线处，形成接闪器，起到防雷保护的作用；对于有叶尖阻尼器结构的叶片，由于其整个叶片被分为两部分，可以将接闪器通过阻尼器轴与叶尖阻尼器的钢丝相连，从而发挥防雷保护的作用。

2）机舱的防雷保护

很多风力发电机厂家在设置机舱时都设置和相关的防雷保护装置，称之为避雷棒，机舱的主机架直接与顶端避雷棒以及叶片相连，避雷棒可以保护风标以及风速计免受雷击的伤害，此外，还可以迅速的将接地网中的直击雷导走，防止机舱受到雷击的破坏。

3）接地网的防雷设计

接地网处于混泥土基础周围，一般接地网中都会包括一定数量的铜环导线，作为铜导电环的相应补充，铜导电环是连接在塔架相反的位置，再将地面控制器连接到连点中，还有一些设计在塔基与铜环导体之间设置了环导体，以便进一步改善跨步电压，如果风机的位置处于高度电阻区域内，那么地网的延伸必须要符合相关的要求。

1.2 内部防雷系统的设计

1）等电位连接

将风标、风速计以及避雷针一起接入到等电位之中，对于机舱的金属组件如发电机、主轴承、齿轮箱、液压站等要选择适宜尺寸的接地带，将其连接到机舱主框内，并设置好封闭金属盒，将其连接到等电位中，防止出现局部电压过高的情况，保证各点的电位可以均衡。

2）隔离设计

为了更好的起到防雷作用，塔顶控制器以及机舱控制器中的通信部分应该全部使用光纤进行连接，以便实现广电隔离的效果，对于内部的控制器和传感器，要使用不同的电流进行供电，实现电源隔离的效果，对于重点电气部分，要使用隔离变压器进行供电。

3）过电压防雷保护

对于开关盘、发电机的电源线路要使用电源防雷器进行保护，在控制其信号电缆终端、模块电子组件等部位时，要同时使用信号防雷保护对电源炉前进行防雷保护，防雷器的设计要严格的按照风力发电机组电气原理图以及防雷分区的相关标准进行。

1.3 电磁屏蔽

由于风力发电机组为高耸的塔式结构，紧凑性较强，控制系统、信息系统以及发电机离塔壁很近，因此发电机组的水平轴、风轮、机舱等都会受到雷击的影响，机舱内的控制系统以及发电机也容易受到机舱高电位反击的影响，在控制回路和电源沿塔筒引下的过程中，也会受到雷击的反击。因此，对于发电机组的继电保护、控制系统、励磁系统、计算机系统、通信系统都需要安装过电压保护装置。信息和电力回路的电压保护装置应该由机舱到地面的变流器和并网柜之中，塔顶的控制柜除必须使用屏蔽电缆以外，还要将其穿入接地铁管中，降低电缆的反击率，保证均压、分流、接地、屏蔽等系统可以得到较好的防护。

1.4 机舱内部柜的防护

在机舱内部各种各样柜的出线和进线处必须要严格遵照规定要求划分雷电保护区域，根据评估结果进行设计，根据使用性质确定雷电保护的等级，一般可以在被保护设备处安装三级浪涌保护器，第一级使用开关型电涌保护器、第二级和第三级则使用限压型电涌保护器，每个保护器的参数设置必须要符合相关规定的最小值。一级放电电流In ≥15KA，二级放电电流In ≥40KA，三级放电电流≥20KA。

[1]郑鹏鹏.风力发电厂发电厂防雷的特殊性.福建电力与电工[期刊论文]，2006，12(30).

[2]孙曙光，张德生，林明. 风力发电系统防雷方案分析与探讨[期刊论文].黑龙江科技信息，2010，2(25).