风电机组的防雷系统分析

文 | 欧梅义

风电机组的防雷系统分析

文 | 欧梅义

随着风电机组容量的增大，遭受雷击的问题也越来越严重，因此采取有效防雷措施，降低机组雷击危害是每个防雷工作者重点关注的内容。

风电机组的直击雷防护

从风电机组的结构来看，风电机组在运行过程中，叶尖经常处于动态的最高点，是最易受到雷击的部位，从滚球法的概念可知，叶片的侧面轮毂、机舱和塔筒上高度大于滚球半径的部分，均可能成为雷击点（见图1）。

在典型叶片空间位置（θ角为90°、30°、0°），雷击叶片的位置θ为90°时，叶片位置最高，雷击叶片尖端概率最高，损坏的维修费用所占额度也最高。

机组的直击雷防护系分区按照 IEC 623054标准防雷分区进行划分,将风电机组的内外部划分成四个防雷保护区，防雷分区图见图2。不同防雷区域采取不同的防护措施，主要包括雷电接受和传导系统、过电压保护和等电位连接、电控系统防雷等措施。

风电机组的雷电流路径见图3。

图1 风电机组雷击点示意图

轮毂与机舱以及机舱与塔架之间采用滑动触点连接，保证了雷击电流的通路；气象桅杆塔架的连接的避雷针保护了测风传感器、以及航空警示灯；在机舱罩壳体内，等间距布置预埋铜地线，与机舱罩龙骨可靠连接，并留出适当引线接头进行短接，构成机舱环形避雷织带。

图2 防雷分区图

图3 风电机组的雷电流路径

根据风电机组的结构特征，直击雷防护应由接闪器，引下线和接地装置组成。安装独立接闪器，对于高大的风电机组是很难实现的，目前通常是将接闪器做成圆盘型装在叶片的尖端部、接闪器与设置在叶片本体内的金属导体作电气连接、金属导体将雷击电流引入叶片跟部轮毂、低速轴承、轴和塔筒本体，再经塔筒本体的接地连线进入接地装置，最终泄入地球大地。

这种单一的接闪器（每个叶片一个）对不超过20m长的叶片的保护是有效的，对于长的叶片就力不从心。由于叶片很长，除尖端受雷击外，叶片表面其他部位也将会受到雷击而毁坏叶片。因此对于较长叶片，可在叶片上面设置多个接闪器，并相应都与本身内的导体作电气连接，这样可以大大地改善防雷装置对直击雷的拦截性能、减小叶片表面受雷击损坏的概率。

在叶片上装设接闪器后，可对机组舱提供一定程度的保护，但从机舱尾部袭来的雷电，叶片上的接闪器是拦截不到的，因此舱尾的风速风向仪需加一接闪器进行保护。大型机组在机舱内需要加入金属网，在叶片及机舱尾部接闪器拦截到雷击时，出于减小雷电流危害的目的，希望雷电流经设置的路径泄入接地装置。主要路径为接闪器安装在靠近每个叶片末梢，接闪器通过叶片内部的电缆连接到轮毂上。雷电电流从轮毂传导到风轮主轴锁紧盘上的防雷碳刷，防雷碳刷由三个碳刷和平行的有间隙的三个放电导板组成，越过旋转轴承转移到主机架。通过另外的三个碳刷和平行的有间隙的三个放电导板联合使雷电电流从主机架传导到安装于塔筒的偏航制动盘上。这个联合作用包括碳刷和放电导板的瞬间放电间隙，因为碳刷是在两个接触区域通过电气连接的，而导板的瞬间放电间隙设置为在雷电冲击时空气隙击穿导通，是电流迅速通过导板放电。偏航制动盘安装在塔筒的上端，使机舱与塔筒导通，使雷电电流顺利流过。塔基的法兰连接到基础建筑的三个接地电极点上，使雷电电流导入地下，减少直接雷击的危害。

外部防雷系统

一、风轮叶片避雷系

叶片属于LPZ0A区，保护等级为I级（按国标为Ⅰ类建筑物）。

风轮叶片装设引下线，以使所要求的保护等级的雷电流安全引导下去。引下线采用铜线时，最小截面积必须大于50mm² 。当风轮半径超过30m，则至少在整个风轮叶片上均匀布置2个避雷器。

国内2MW机型叶片长度均大于30m，其避雷系统由叶尖接闪器、叶片中部接闪器和避雷导线构成。叶尖接闪器是用直径33mm的铜质材料制作的圆盘形，避雷导线采用70 mm²的镀锡铜绞线，安装要求是从叶尖到叶根电阻值小于3Ω，根部通过叶片固定法兰固定在叶尖，底部连接法兰通过桁架上敷设的引下线与叶片根部法兰栓连，组成叶片的接闪及导雷通道。中间接闪器嵌入叶片壳体铺层中，随浇注预制在壳体中。中间接闪器见图4。

二、 叶片与轮毂的连接

轮毂与叶片连接采用导线连接及变桨轴承的内外圈的接触。内外圈间的油膜对放电有一定的影响。由于叶片与轮毂的连接出现故障较多，多数厂家开始对此结构进行改进，采用与机舱塔筒连接处同样的放电结构。

三、轮毂的防雷

轮毂为LPZ0B区，防雷等级为I级。

轮毂自身为导体，雷电电流从轮毂传导到主轴的法兰盘上。

四、 轮毂与机舱

转动部分和静止部分连接处使用碳刷传递电流，主轴：在主轴与轴套三组接地碳刷通过碳刷和平行的有间隙的放电导板，越过旋转轴承转移到主机架，碳刷安装位置及碳刷结构见图5 。单一碳刷的截面积为75 mm²，三个碳刷的的总截面积为225 mm²；为了加强转动部分与静止部分的雷电流通过的能力，结构中还有一个放电板，放电板的尖点与静止部分的距离为1mm，在雷电通过时此空气间隙会在瞬间被击穿，为雷电电流提供通路，使其迅速通过。

图4 中间接闪器

五、 机舱的防雷系统

当使用非金属罩，应装置避雷针和相应的外部导体，并连接到机器底座。避雷针和导体的高度与数目取决于机舱罩的尺寸。在决定避雷针高度时，应假定避雷针提供最大45°的保护角，这个保护角必须覆盖整个机舱。

大多数机舱采用图6所示结构, 为了防止机舱骨架内的金属部件因雷击造成闪络放电，如某机型的机舱罩内用28mm×3mm的软编织铜带布置5m×5m的铜带网格。在机舱罩中增加的编织接地线，把机舱罩龙骨，测风杆，机舱罩外栏杆连成一体，使整个机舱罩形成等电位，并最终通过70 mm² 的黄绿接地线接至汇流铜排。

六、测风传感器

轮毂高度60m以上的风电机组的测风传感器应装设“屏蔽型”避雷针和相应的外部导线。气象桅杆上装有避雷针，保护风速风向仪、航空灯及机舱后部不遭受直击雷。

图5 碳刷结构及安装位置

图6 机舱防雷结构图

此种风电机组的测风传感器装设“屏蔽型”避雷针和相应的外部导线，此风电机组采用避雷针及金属保护框架的结构，将测风传感器屏蔽在其中。

七、机舱底盘与塔筒的连接

风电机组在结构上，机舱与塔架之间靠偏航轴承连接，在偏航轴承的刹车盘上放置多组碳刷将旋转机架与塔架进行可靠连接。一个碳刷和平行的有间隙的放电导板联合使雷电电流从主机架传导到安装于塔筒的偏航制动盘上。

八、塔架防雷系统

塔架是圆锥形金属构件，可以作为雷电的自然引下体。

在塔筒与塔筒之间为了保证其等电位，将两节塔筒用70 mm²铜编织电缆连接起来，长度为0.5m，使电流顺利通过。

九、机舱中其他部件的防雷

齿轮箱通过与机器底座的连接螺栓应可靠的连接到机舱底座的金属支撑架上，并用截面70mm2，长度为0.4m的两根铜编织电缆连接到等电位接地母线上；发电机通过连接螺栓固定到机舱底座的金属支撑架上，并用截面70mm2，长度0.4m的4根铜编织电缆连接就近的机架孔上，发电机的冷却器用0.2m截面70mm2铜编织电缆连在电机外壳上；电气柜本体采用并用截面70mm2，4.5m一根铜编织电缆将柜体与机舱等电位体进行可靠连接。

十、基础防雷

风电机组的基础接地系统，基础环上焊有接地连接板，每块板上打七 个直径为12 mm的孔，共28 个。设备接地电缆与基础环接地连接板通过铜鼻子连接。接地扁钢的伸出位置必须与基础环接地连接板的位置一致，以便于基础环连接。

整个接地系统电阻施工完成后测量值必须小于4Ω，且保证一年四季小于4Ω。

基础接地电极采用不小于直径10mm 的钢条或截面积不小于120 mm²的镀锌扁钢，基础接地每隔2m 与钢筋完全机械连接或焊接（焊接要求不破坏主受力筋）接地扁钢连接处采用合金搭接焊，接头做防腐处理。

风电机组内部防雷

内部防雷的作用是预防电气系统的雷电感应过电压的危害。 风电机组电控系统控制元件分为三部分，一部分在轮毂电气柜内，一部分在机舱电气柜内，另一部分在塔底电气柜内。由于电控系统容易受到雷电感应过电压的危害，采取的措施主要包括：等电位连接、电磁屏蔽、电缆布置和屏蔽、电涌保护装置。

一、等电位连接

风电机组内部的等电位连接采用网状等电位连接，将所有的金属部件，结构，支架及设备机柜用编织铜导线多次连接，防止风电机组内不同平面上的电气、电子设备之间出现电位差，铜编织电缆截面70 mm²。

二、屏蔽

风电机组的钢制塔筒是一个结构屏蔽(从LPZ 0到LPZ 1的过渡。由直接遭受雷击或靠近雷击引起的磁场 H0会被大量削弱，从而减弱后磁场 H1 会出现在塔筒内(雷电防护区 1)。

网状等电位连接设施中的金属开关和控制柜可以当作一个空间屏蔽(从LPZ 1 到 LPZ 2的过渡)。这将会近一步把磁场 H1 减弱到不会对电子设备有影响的磁场 H2。

当安装电源和通讯线时，遵循EMC－平衡布线法，留有必要的间距。此外，在雷电防护区的边界，把屏蔽通讯电缆和通讯线纳入等位连接网中，以及使用振荡保护装置。

三、电气系统的电涌保护

风电机组的电气系统主要有风电机组变压器、电力线路及信号用电源系统等。风电场发生雷击时，都可以产生电涌（过电压及大冲击电流），若不采取有效措施防护，会产生雷击事故而损坏设备，影响风电机组的安全运行。变压器的高、低侧应装设电涌保护器进行保护，电涌保护器的接地端应就近与变压器的壳体相连再接地。

在风电机组内，电力线路跨接在筒塔顶部和底部，其空间延伸范围很大，当雷击发生在风电机组本体或附近时，根据其电磁耦合原理，会在其上产生电涌，危害其电气设备，因此在线路两端即筒塔顶和底设置电涌保护器。靠近风电发电机端的电涌保护器，可作为发电机的电涌保护。

风电机组内控制单元和伺服系统所用的交流电源，一般都是从三相系统上取单相电压，经变压器降压来获得220V交流电压。因此电源系统的防雷保护，应在变压器的输入、输出端都加装电涌保护器。而直流电源通常由变压器、整流器、滤波电容、稳定电路和其他配件组成。用3只压敏电组M1M2M3组成全模保护变压器的原边，用雪崩二极管D保护变压器二次侧，用D1和D组合来抑制稳压器的输入和输出端电压的升高，保护稳压器免受电涌危害。

风电机组的信号系统电涌保护、与电源保护相仿，可分单级和多级保护两种，单级保护由气体放电管、暂态抑制二极管和半导体放电管等单个元件组成，可以用在线路屏蔽和等电位连接较完善的场合。但对于风电机组的重要信号回路，采用二级保护较多， 风电机组的计算机通信接口的电涌保护：平衡信号线路的电涌保护等大都采用二级电涌保护器，用单级或三级电涌保护器的地方很少。

结语

雷电对风电机组和整个风电场的影响是很需要引起研究者们注意的，本文通过对风电机组的直击雷防护、外部系统和内部防雷的分析，希望引起相关工作者对这个问题的深入探讨。

（作者单位：广西桂林市恭城县水利电业有限公司）