变速直驱开关磁阻风力发电系统雷电防护技术研究

戴建利+易灵芝+龙辛+朱广辉+张龙威+詹伶俐

收稿日期：2013-07-08

基金项目：“信息与通信工程”湖南省“十二五”重点学科，国家能源局国家发展改革委发改投资项目2011（1952）号；湖南省自科基金项目（11JJ8004）；中国高等教育学会课题项目（11ZD009）

作者简介：戴建利（1989—）， 男， 湖南娄底人，硕士研究生，研究方向：新能源发电系统与技术。

通讯联系人，E-mail：dj2008l@126.com

文章编号：1003-6199（2014）03-0013-05

摘 要：根据风力发电机组防雷保护的研究成果和相关行业防雷标准，分析雷电的形成、破坏机理及其破坏形式。结合开关磁阻风力发电系统特征，划分雷电防护区域；按照风力发电机组防雷设计应该遵循的原则，通过外部防护和内部防护相结合，提出开关磁阻风力发电系统各部件防雷保护措施。为工程实践中开关磁阻风力发电系统的雷电防护提供一定的参考。

关键词：综合雷电防护技术；开关磁阻发电机；屏蔽与隔离；电涌保护器；感应过电压防护

中图分类号：TM352；TM614 文献标识码：A

Research of Lightning Protection Technology for Variable

Speed Direct Drive SRG Wind Power System

DAI Jian-li1，YI Ling-zhi1，LONG Xin2，ZHU Guang-hui3，ZHANG Long-wei1，ZHAN Ling-li1

（1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing （Xiangtan University）， Ministry of Education，

Xiangtan，Hunan 411105，China； 2. XEMC Wind power Co. Ltd.， Xiangtan，Hunan 411101，China；

3. Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co. Ltd， Xiangtan，Hunan 411101，China）

Abstract：By using the research results on lightning protection of wind power units， and the lightning protection standards for the relevant industry， the formation， failure mechanism and the damage form of lightning is analyzed. Combined with the feature of SRG wind power system， the lightning protection area is divided； According to the principles that should be followed to design the lightning protection system of wind power units， the external lightning protection is combined with internal lightning protection， and the lightning protection measures of SRG wind power system are proposed. For lightning protection of SRG wind power system in the engineering practice， certain reference is provided.

Key words：comprehensive lightning protection technology；Switched Reluctance Generator （SRG）；shielding and isolation；surge protection device；induced overvoltage protection

1 引 言

风能作为重要和最成熟的可再生能源技术，具有蕴藏量丰富、可再生、分布广、无污染等特性，已成为可再生能源发展的重要方向。10多年来全球风电稳步发展，2011年累计装机容量接近240GW，约占全球发电装机容量的5%[1]。

与其他风力发电系统相比，开关磁阻风力发电系统凭借转子无绕组无刷、无电磁耦合、容错性能好、动态响应快、调速范围宽、性价比高等优势在风力发电领域受到越来越多的重视[2]。与此同时，随着风力发电机组的单机容量和风电场的总装机容量不断增长，风电场开发不断向高海拔和沿海雷电多发区拓展，风力发电机组的雷电防护问题也日益突出。大功率风电机组的塔架最高已超过120m，轮毂高度也增加到35～60m，加上风电机组经常伫立在风力强大的高于周围地区的制高点且远离其他高大物体，很容易遭到雷击。雷电已成为影响风电场安全持续运行的重要因素。

2 雷电的形成、破坏机理及破坏形式

2.1 雷电的形成

雷电是空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层中某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷形成的云层与云层之间或者云层与大地之间的大气放电现象，具有冲击电流大、时间短、变化梯度大、冲击电压高等特点。雷电可分为直击雷、感应雷、和雷电侵入波三大类[3]。

2.2 雷电的破坏机理

雷电的破坏机理与雷击电流波形及峰值电流、转移电荷、电流陡度等雷电参数密切相关。当雷电流流过被击物体时，会导致被击物温度升高，还可能产生很大的电磁力使被击物弯曲；雷电流通道中会出现电弧，发生电弧的地方会出现灼蚀斑点，电弧会产生膨胀过电压，燃弧过程中骤增的高温可能导致金属熔化，对被击物造成极大的破坏，这是导致许多风机叶片和轴承损坏的主要原因。雷击过程中产生的雷电电磁脉冲会造成控制系统或电子器件损坏。

2.3 雷电的破坏形式

风力发电机组遭受雷击损坏通常有4种形式：遭受直击雷而损坏；雷电电磁脉冲沿着与发电机相连的信号线、电源线侵入设备使其受损；风电机组接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；风电机组安装不当，被雷电空间分布的电磁场影响而受损。

3 雷电防护区域划分和设计原则

开关磁阻风力发电系统主要包括开关磁阻发电机、变桨变速装置、功率变换器、控制装置（含功率开关驱动电路、功率开关过压/过流保护电路、发电机电压/电流检测电路、发电机转子位置检测电路等）、叶片、支撑塔筒、辅助电源等。

3.1 雷电防护区域划分

为了减少电磁干扰与可预见的耦合干扰，更好的保护风力发电系统中的元件，开关磁阻风力发电系统依据标准划分雷电防护区域（见图1）。国际电工委员会把防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZ0区（LPZ0A，LPZ0B），LPZi（i=1，2，3…）[4]。

LPZOA区主要包括叶片、变桨变速装置、机舱罩避雷针系统、架空电力线、塔架等，完全处于电磁场环境中，有遭受直击雷的危险，可能被雷击电涌破坏。该区域宜采用外部防雷保护措施为主，内部防雷保护辅助结合的方式进行雷电防护。

LPZOB区主要包括开关磁阻发电机、轴承、传动系统、功率变换器、控制柜、传感器、航标灯、未屏蔽的机舱内部等，这些部位没有遭受直接雷的危险，但雷电电磁场并没有任何衰减。该区域大部分处于风力发电机组内部，主要针对雷电电磁脉冲采取内部防雷措施、部分设备采用外部防雷措施进行保护。

LPZi区是后续防雷区，主要包括功率变换器驱动电路、发电机电压/电流检测电路、发电机转子位置检测电路、通讯电缆等，雷电流和电磁场由于屏蔽作用已经减弱，存在电涌破坏的危险。因此该区域主要采取隔离屏蔽、电涌保护等内部防雷措施。

3.2 雷电防护设计原则

在IEC61400-24中，以雷电的5个重要参数，将雷电防护水平分为表1所示的4级。风力发电系统防雷，按照Ⅳ级保护水平设计。

表1 雷电保护水平等级

在进行开关磁阻风力发电系统防雷设计时遵循以下设计原则：1） 用当今主流技术和设备保证系统稳定运行；2） 考虑投资合理性，突出重点；3） 防雷系统使用寿命较长；4） 遵守国际标准和规范，便于维护。

4 开关磁阻风力发电系统综合防雷技术

开关磁阻风力发电系统防雷保护包括外部防雷保护和内部防雷保护两大部分。

4.1 外部防雷保护

外部防雷保护主要是直击雷防护，目前采用最多的仍是传统的富兰克林避雷方法，包括叶片防雷保护、机舱防雷保护、轴承防雷保护、塔架和引下线和接地系统。

4.1.1 叶片防雷保护

风力发电机组的叶片几何结构复杂，且由导电不良的增强型纤维复合材料制成，是风电机组中最暴露的部分。采用滚球法可以看到，叶片的大部分处于LPZOA区（见图2），受全部电磁场的影响，极易遭受直击雷。按照由雷击引起的维修成本，从大到小依次是叶片、发电机、电控系统、通讯系统。因此，叶片的防雷保护是风力发电系统防雷保护中重要的一环。

物体被雷电击中，雷电流总是会选择传导性最好的阻力最小路径，开关磁阻风力发电系统的叶片应采用具有这防雷路径的装置来实现自我保护。针对目前风力发电机组采用的两种叶片结构，有叶尖阻尼器的叶片是在叶尖部分的纤维复合材料中预置金属导体作为接闪器，通过由碳纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器的钢丝相连接，见图3；无叶尖阻尼器叶片是在叶尖部分材料表面预置金属化物作为接闪器，并与置于叶片内的铜导体相连接，当遭到雷击时，雷电流流经内部金属导体迅速传导至叶片法兰，通过叶片法兰和变浆轴承传到轮毂，保护叶片不被破坏， 见图4。

4.1.2机舱防雷保护

除叶片采取防雷保护措施，实现机舱的直击雷防护外，还要在机舱顶部设立与机架紧密连接的避雷针、保护风速计和风标。在遭受雷击时，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传导。

单支避雷针的保护范围，按下列方法确定：

当hx≥h2时，rx=h-hxp（1）

当hx

其中， h为避雷针高度，p为高度影响系数，当h<30m时，p=1 ；当30

为防止直击雷破坏舱内设备，如果机舱外壳为钢板制成，钢板厚度必须大于4mm；如果机舱外壳为复合材料，应在机舱外面采用直径不小于2.5mm的钢丝敷设30mm×30mm金属网格，兼做接闪器和屏蔽作用，必要情况下，需通过计算加大钢丝直径和网格密度[5]。

4.1.3 轴承防雷保护

由于开关磁阻发电机转子无绕组、无电磁耦合，与永磁同步风力发电系统、双馈风力发电系统相比，开关磁阻风力发电系统发电机的转子与主轴可以承受较大的电流通过，只需采取措施防止雷电流通过时在主轴和转子表面产生电弧，以致轴承中的机械传动部件被雷电流灼蚀损坏。按照IEC62305-3的规定，可添加绝缘层改变雷电流路径，添加与轴承平行的滑环来承受部分雷电流，减少流过偏航轴承、变桨轴承等部件接触面的电流，延长其使用寿命。

4.1.4 塔架及引下线

按照长度最短、路径最直接的原则，设置引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，雷电流通过接地线，跨越偏航环、机舱和偏航刹车盘被引入大地。当塔架为金属制成或者有相互连接的钢筋网时可作为自然引下线。

4.1.5 接地系统

风力发电机组的接地系统是整个防雷保护系统的关键设置，雷电流通过接地装置流向大地，和其它防雷装置一起为风机遭受雷击时提供泄流通道[6]。

根据IEC规范要求：接地电阻必须小于1～2Ω。风电机组的接地装置一般采用环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直接地体组合。在风电机组周围用一个截径不小于50mm2的实心铜环导体置在离基础1m，深1m处，围成半径不小于6m的环形接地体，每隔一定距离用截径不小于50mm2实心铜导体与环形接地体连接打入地下，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架基础的2个相反的位置，地面控制器连接到连点之一（见图5），形成一个小型接地网。如果风电机组所处位置土壤电阻率较高，或者由于地形影响，风电机组无法向外扩张，接地电阻无法满足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用风电厂内布置的电力电缆和通信电缆的屏蔽层将所有风电机组的接地网连接起来形成一个庞大的接地网来实现；采用降阻剂、深井接地、斜井接地、蜂窝状接地、增大接地网面积、增加垂直接地体、敷设水下接地网等实现降阻。

4.2 内部防雷保护

开关磁阻风力发电系统内部防雷保护主要针对雷击产生的雷电电磁脉冲，分别对设备与电源线、信号线进行等电位连接、屏蔽与隔离、感应过电压防护、添加电涌保护器。

4.2.1 等电位连接

为了把开关磁阻风力发电系统各部分连接为一个电气整体，使其在遭受雷击时能够形成一个快速通道将雷电流引入接地装置，风轮与机舱间、机舱与机舱底座间、尾舵与水平轴间应单独使用截面积不小于16mm2的多股铜芯线或采用焊接、螺栓连接等方法做可靠电气连接，各连接处电阻应不大于0.03Ω。风速计和风标、避雷针一起接地等电位[7]；机舱内部各个部件如主轴承、发电机、轴承等以合适尺寸的接地带连接到机舱底座作为等电位；功率变换器、控制箱外壳连接到机舱底座设置等电位。

4.2.2 屏蔽与隔离

屏蔽可以减少元件间的电容性耦合。由于开关磁阻发电机转子无绕组，不存在电磁耦合，所以开关磁阻发电机本身就是一个电磁屏蔽体，只需对发电机以外的设备采取屏蔽措施。由于雷电流具有趋肤效应，金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响；对于多根电缆，可以考虑捆扎以减少电磁耦合的影响；控制箱采用薄钢板制作，也可以有效防止电磁脉冲对其内部线路的干扰。

同时，与永磁同步风力发电系统、双馈风力发电系统相比，由于开关磁阻风力发电系统功率变换器主电路和控制电路都处于控制箱内部，强电模块和弱电模块之间必须采用光电耦合模块进行隔离（见图6），既可以防止雷电电磁脉冲侵入，也可以在风力发电系统正常工作时防止强电与弱电之间相互干扰。此外，在机舱上的处理器和地面控制器之间最好采用光纤通信，处理器和传感器采用直流电源分开供电，转子位置检测电路采用光电编码盘对位置信号进行转换后才传递给控制电路，亦可以对雷电电磁脉冲进行隔离。

4.2.3 感应过电压防护

对开关磁阻发电机及其励磁系统、继电保护系统、控制系统、通信系统都应安装相应的过电压保护装置。在发电机、控制器电子组件、通信电缆终端等，可以采用避雷器或者压敏电阻模块进行过电压防护；对于暴露在雷区的传感器采样信号，采用防雷线圈进行隔离保护，并通过RS485接口保护电路（见图7）与风电场监控室进行远程通讯，将数据隔离后进行传输。信号线路应尽可能短，并尽可能靠近金属构件布置；发电机和轴承等部件的敏感线路应布置在两端固定的线槽中；设置多个平行的电流通路使各路电流最小，尽可能减少感应过电压的影响。

4.2.4 电涌保护器

雷击产生的高速变化的电磁场作用于风力发电系统电气回路和通信线路，产生尖峰电流或电压，当尖峰电流或电压持续时间超过3毫秒时称为电涌[8]。电涌会使回路中的电子设备受到冲击而损坏。安装电涌保护器（Surge Protection Device，SPD）能够限制尖峰电压、分流电涌电流、有效防护雷电电磁脉冲入侵。

选用SPD必须按照不同雷击电磁脉冲的严重程度和等电位连接点的位置。根据该区域内的电气设备采用相应SPD，实现与共用接地体等电位连接。遵循靠近被保护设备，接地线就近接地原则安装SPD。

根据开关磁阻风力发电系统雷电防护系统的特点，对系统内电子设备采用三级电涌保护。在电源入口部位装设第一级SPD，采用开关型SPD将残压控制在4kV以下；在发电机处安装第二级SPD，将限压型SPD安装在塔架配电柜及机舱内，进行有效保护；第三级采用限压型SPD，在前面两级SPD泄放雷电流后残压的基础上对电气回路内的雷电流进一步泄放，实现终端避雷。安装SPD时，第一级SPD应靠近总进线等电位连接端子处，第二、三级SPD应尽量靠近被保护的电气设备；要用截面积不小于16mm2且短而直的铜芯电缆将SPD进行等电位连接。

5 结 语

雷电是影响风力发电系统乃至整个风电场安全稳定运行的因素之一，作为一种新型发电机组，开关磁阻风力发电系统的雷电防护是一项综合工程。本文提出的雷电防护措施，可以为开关磁阻风力发电系统提供全方位雷电防护。但是我们应该清楚的认识到雷电防护措施只能减少雷电带来的损失，并不能完全消除雷击的危险。本文结合开关磁阻风力发电系统各个部分，为工程实践中开关系组风力发电系统的雷电防护提供了一定的参考。

参考文献

[1] 李俊峰.中国风电发展报告2012[R].北京：中国环境科学出版社， 2012，9.

[2] Huang zhao， Yi Lingzhi， Peng Hanmei， et al. Research and Control of SRG for Variable Speed Wind Energy Applications[C].IEEE 6th International Power Electronics and Motion control conference. Wuhan China：2009.

[3] 唐治平.供配电技术[M].北京：电子工业出版社，2008.6.

[4] IEC/TC88.IEC/TR61400-24-2002 Wind Turbine Generator Systems.Part24：Lightning Protection [S].Geneva， Switzer-land. IEC Press，2002

[5] IEC62305-3.Protection against lightning-part 3，physical damage to structures and life hazard[S]. 2006.

[6] 王丽广. 风电机组的防雷保护[J]. 变流技术和电力牵引. 2008，31（2）：37-39.

[7] 孙大鹏， 吕跃刚. 风力发电机组防雷保护[J]. 中国电力教育. 2008，3：661-663.

[8] 蔡睿， 史晓鸣. 风力发电机组防雷保护系统电涌保护器的计算和选用[J]. 能源与环境.2010，04：68-69.

[9] 胡海燕. 开关磁阻风力发电系统研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[10]赵永炬. 用IEC的有关标准分析风力发电机组的防雷保护系统[J]. 通用机械 2008，07：70-73.

4.1.4 塔架及引下线

按照长度最短、路径最直接的原则，设置引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，雷电流通过接地线，跨越偏航环、机舱和偏航刹车盘被引入大地。当塔架为金属制成或者有相互连接的钢筋网时可作为自然引下线。

4.1.5 接地系统

风力发电机组的接地系统是整个防雷保护系统的关键设置，雷电流通过接地装置流向大地，和其它防雷装置一起为风机遭受雷击时提供泄流通道[6]。

根据IEC规范要求：接地电阻必须小于1～2Ω。风电机组的接地装置一般采用环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直接地体组合。在风电机组周围用一个截径不小于50mm2的实心铜环导体置在离基础1m，深1m处，围成半径不小于6m的环形接地体，每隔一定距离用截径不小于50mm2实心铜导体与环形接地体连接打入地下，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架基础的2个相反的位置，地面控制器连接到连点之一（见图5），形成一个小型接地网。如果风电机组所处位置土壤电阻率较高，或者由于地形影响，风电机组无法向外扩张，接地电阻无法满足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用风电厂内布置的电力电缆和通信电缆的屏蔽层将所有风电机组的接地网连接起来形成一个庞大的接地网来实现；采用降阻剂、深井接地、斜井接地、蜂窝状接地、增大接地网面积、增加垂直接地体、敷设水下接地网等实现降阻。

4.2 内部防雷保护

开关磁阻风力发电系统内部防雷保护主要针对雷击产生的雷电电磁脉冲，分别对设备与电源线、信号线进行等电位连接、屏蔽与隔离、感应过电压防护、添加电涌保护器。

4.2.1 等电位连接

为了把开关磁阻风力发电系统各部分连接为一个电气整体，使其在遭受雷击时能够形成一个快速通道将雷电流引入接地装置，风轮与机舱间、机舱与机舱底座间、尾舵与水平轴间应单独使用截面积不小于16mm2的多股铜芯线或采用焊接、螺栓连接等方法做可靠电气连接，各连接处电阻应不大于0.03Ω。风速计和风标、避雷针一起接地等电位[7]；机舱内部各个部件如主轴承、发电机、轴承等以合适尺寸的接地带连接到机舱底座作为等电位；功率变换器、控制箱外壳连接到机舱底座设置等电位。

4.2.2 屏蔽与隔离

屏蔽可以减少元件间的电容性耦合。由于开关磁阻发电机转子无绕组，不存在电磁耦合，所以开关磁阻发电机本身就是一个电磁屏蔽体，只需对发电机以外的设备采取屏蔽措施。由于雷电流具有趋肤效应，金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响；对于多根电缆，可以考虑捆扎以减少电磁耦合的影响；控制箱采用薄钢板制作，也可以有效防止电磁脉冲对其内部线路的干扰。

同时，与永磁同步风力发电系统、双馈风力发电系统相比，由于开关磁阻风力发电系统功率变换器主电路和控制电路都处于控制箱内部，强电模块和弱电模块之间必须采用光电耦合模块进行隔离（见图6），既可以防止雷电电磁脉冲侵入，也可以在风力发电系统正常工作时防止强电与弱电之间相互干扰。此外，在机舱上的处理器和地面控制器之间最好采用光纤通信，处理器和传感器采用直流电源分开供电，转子位置检测电路采用光电编码盘对位置信号进行转换后才传递给控制电路，亦可以对雷电电磁脉冲进行隔离。

4.2.3 感应过电压防护

对开关磁阻发电机及其励磁系统、继电保护系统、控制系统、通信系统都应安装相应的过电压保护装置。在发电机、控制器电子组件、通信电缆终端等，可以采用避雷器或者压敏电阻模块进行过电压防护；对于暴露在雷区的传感器采样信号，采用防雷线圈进行隔离保护，并通过RS485接口保护电路（见图7）与风电场监控室进行远程通讯，将数据隔离后进行传输。信号线路应尽可能短，并尽可能靠近金属构件布置；发电机和轴承等部件的敏感线路应布置在两端固定的线槽中；设置多个平行的电流通路使各路电流最小，尽可能减少感应过电压的影响。

4.2.4 电涌保护器

雷击产生的高速变化的电磁场作用于风力发电系统电气回路和通信线路，产生尖峰电流或电压，当尖峰电流或电压持续时间超过3毫秒时称为电涌[8]。电涌会使回路中的电子设备受到冲击而损坏。安装电涌保护器（Surge Protection Device，SPD）能够限制尖峰电压、分流电涌电流、有效防护雷电电磁脉冲入侵。

选用SPD必须按照不同雷击电磁脉冲的严重程度和等电位连接点的位置。根据该区域内的电气设备采用相应SPD，实现与共用接地体等电位连接。遵循靠近被保护设备，接地线就近接地原则安装SPD。

根据开关磁阻风力发电系统雷电防护系统的特点，对系统内电子设备采用三级电涌保护。在电源入口部位装设第一级SPD，采用开关型SPD将残压控制在4kV以下；在发电机处安装第二级SPD，将限压型SPD安装在塔架配电柜及机舱内，进行有效保护；第三级采用限压型SPD，在前面两级SPD泄放雷电流后残压的基础上对电气回路内的雷电流进一步泄放，实现终端避雷。安装SPD时，第一级SPD应靠近总进线等电位连接端子处，第二、三级SPD应尽量靠近被保护的电气设备；要用截面积不小于16mm2且短而直的铜芯电缆将SPD进行等电位连接。

5 结 语

雷电是影响风力发电系统乃至整个风电场安全稳定运行的因素之一，作为一种新型发电机组，开关磁阻风力发电系统的雷电防护是一项综合工程。本文提出的雷电防护措施，可以为开关磁阻风力发电系统提供全方位雷电防护。但是我们应该清楚的认识到雷电防护措施只能减少雷电带来的损失，并不能完全消除雷击的危险。本文结合开关磁阻风力发电系统各个部分，为工程实践中开关系组风力发电系统的雷电防护提供了一定的参考。

参考文献

[1] 李俊峰.中国风电发展报告2012[R].北京：中国环境科学出版社， 2012，9.

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[6] 王丽广. 风电机组的防雷保护[J]. 变流技术和电力牵引. 2008，31（2）：37-39.

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[9] 胡海燕. 开关磁阻风力发电系统研究[D].杭州：浙江大学，2005.

[10]赵永炬. 用IEC的有关标准分析风力发电机组的防雷保护系统[J]. 通用机械 2008，07：70-73.

4.1.4 塔架及引下线

按照长度最短、路径最直接的原则，设置引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，雷电流通过接地线，跨越偏航环、机舱和偏航刹车盘被引入大地。当塔架为金属制成或者有相互连接的钢筋网时可作为自然引下线。

4.1.5 接地系统

风力发电机组的接地系统是整个防雷保护系统的关键设置，雷电流通过接地装置流向大地，和其它防雷装置一起为风机遭受雷击时提供泄流通道[6]。

根据IEC规范要求：接地电阻必须小于1～2Ω。风电机组的接地装置一般采用环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直接地体组合。在风电机组周围用一个截径不小于50mm2的实心铜环导体置在离基础1m，深1m处，围成半径不小于6m的环形接地体，每隔一定距离用截径不小于50mm2实心铜导体与环形接地体连接打入地下，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架基础的2个相反的位置，地面控制器连接到连点之一（见图5），形成一个小型接地网。如果风电机组所处位置土壤电阻率较高，或者由于地形影响，风电机组无法向外扩张，接地电阻无法满足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用风电厂内布置的电力电缆和通信电缆的屏蔽层将所有风电机组的接地网连接起来形成一个庞大的接地网来实现；采用降阻剂、深井接地、斜井接地、蜂窝状接地、增大接地网面积、增加垂直接地体、敷设水下接地网等实现降阻。

4.2 内部防雷保护

开关磁阻风力发电系统内部防雷保护主要针对雷击产生的雷电电磁脉冲，分别对设备与电源线、信号线进行等电位连接、屏蔽与隔离、感应过电压防护、添加电涌保护器。

4.2.1 等电位连接

为了把开关磁阻风力发电系统各部分连接为一个电气整体，使其在遭受雷击时能够形成一个快速通道将雷电流引入接地装置，风轮与机舱间、机舱与机舱底座间、尾舵与水平轴间应单独使用截面积不小于16mm2的多股铜芯线或采用焊接、螺栓连接等方法做可靠电气连接，各连接处电阻应不大于0.03Ω。风速计和风标、避雷针一起接地等电位[7]；机舱内部各个部件如主轴承、发电机、轴承等以合适尺寸的接地带连接到机舱底座作为等电位；功率变换器、控制箱外壳连接到机舱底座设置等电位。

4.2.2 屏蔽与隔离

屏蔽可以减少元件间的电容性耦合。由于开关磁阻发电机转子无绕组，不存在电磁耦合，所以开关磁阻发电机本身就是一个电磁屏蔽体，只需对发电机以外的设备采取屏蔽措施。由于雷电流具有趋肤效应，金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响；对于多根电缆，可以考虑捆扎以减少电磁耦合的影响；控制箱采用薄钢板制作，也可以有效防止电磁脉冲对其内部线路的干扰。

同时，与永磁同步风力发电系统、双馈风力发电系统相比，由于开关磁阻风力发电系统功率变换器主电路和控制电路都处于控制箱内部，强电模块和弱电模块之间必须采用光电耦合模块进行隔离（见图6），既可以防止雷电电磁脉冲侵入，也可以在风力发电系统正常工作时防止强电与弱电之间相互干扰。此外，在机舱上的处理器和地面控制器之间最好采用光纤通信，处理器和传感器采用直流电源分开供电，转子位置检测电路采用光电编码盘对位置信号进行转换后才传递给控制电路，亦可以对雷电电磁脉冲进行隔离。

4.2.3 感应过电压防护

对开关磁阻发电机及其励磁系统、继电保护系统、控制系统、通信系统都应安装相应的过电压保护装置。在发电机、控制器电子组件、通信电缆终端等，可以采用避雷器或者压敏电阻模块进行过电压防护；对于暴露在雷区的传感器采样信号，采用防雷线圈进行隔离保护，并通过RS485接口保护电路（见图7）与风电场监控室进行远程通讯，将数据隔离后进行传输。信号线路应尽可能短，并尽可能靠近金属构件布置；发电机和轴承等部件的敏感线路应布置在两端固定的线槽中；设置多个平行的电流通路使各路电流最小，尽可能减少感应过电压的影响。

4.2.4 电涌保护器

雷击产生的高速变化的电磁场作用于风力发电系统电气回路和通信线路，产生尖峰电流或电压，当尖峰电流或电压持续时间超过3毫秒时称为电涌[8]。电涌会使回路中的电子设备受到冲击而损坏。安装电涌保护器（Surge Protection Device，SPD）能够限制尖峰电压、分流电涌电流、有效防护雷电电磁脉冲入侵。

选用SPD必须按照不同雷击电磁脉冲的严重程度和等电位连接点的位置。根据该区域内的电气设备采用相应SPD，实现与共用接地体等电位连接。遵循靠近被保护设备，接地线就近接地原则安装SPD。

根据开关磁阻风力发电系统雷电防护系统的特点，对系统内电子设备采用三级电涌保护。在电源入口部位装设第一级SPD，采用开关型SPD将残压控制在4kV以下；在发电机处安装第二级SPD，将限压型SPD安装在塔架配电柜及机舱内，进行有效保护；第三级采用限压型SPD，在前面两级SPD泄放雷电流后残压的基础上对电气回路内的雷电流进一步泄放，实现终端避雷。安装SPD时，第一级SPD应靠近总进线等电位连接端子处，第二、三级SPD应尽量靠近被保护的电气设备；要用截面积不小于16mm2且短而直的铜芯电缆将SPD进行等电位连接。

5 结 语

雷电是影响风力发电系统乃至整个风电场安全稳定运行的因素之一，作为一种新型发电机组，开关磁阻风力发电系统的雷电防护是一项综合工程。本文提出的雷电防护措施，可以为开关磁阻风力发电系统提供全方位雷电防护。但是我们应该清楚的认识到雷电防护措施只能减少雷电带来的损失，并不能完全消除雷击的危险。本文结合开关磁阻风力发电系统各个部分，为工程实践中开关系组风力发电系统的雷电防护提供了一定的参考。

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