风力发电系统雷电综合防护设计方案

高鹏　沙莎

摘 要 风力发电作为一种新型能源，正在受到越来越多的应用。而与风力发电机运行直接相关的防雷问题也就十分突出了。本文阐述了风力发电系统雷电综合防护的具体要求，并给出相对的综合防护设计方案和一些看法，这对风力发电系统的防雷工作有着重要的现实意义。

【关键词】风电 风险评估 接地

1 风电防雷概述

风电机组安装数量的增多以及高度的增加使得雷击破坏发生率比预期的有所扩大，维修费用已达到不可接受的水平。与这些设施不同，风电机组因其实际尺寸和性质上的特点，风电机组有两个或三个直径达百米以上的叶片，叶片在地面之上百米处旋转。

2 设计思想及指导原则

严格按照国家法律法规以及防雷规范的规定该工程的重要性、特殊性、所处地区的雷暴日出发，遵循安全可靠、技术先进、经济合理的原则，进行全面综合系统的防护。

3 数据勘测及结论

3.1 环境状况

内蒙古突泉九龙风电场位于内蒙古自治区兴安盟突泉县境内，风电场场址位于突泉县东北约30km处。场址处为地势起伏平缓的山丘地带，本期工程规划场区内，形地貌属低缓丘陵区，山脊走向近似呈南北向，中部有几处平缓的山丘，在场区范围内地势逐渐升高。

3.2 勘测结论

按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010：“国家级计算中心、国际通讯枢纽等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物”规定，内蒙古突泉九龙风电场为第二类防雷建筑物。

4 雷电环境评估

4.1 雷暴日分区

经资料查询内蒙古突泉九龙得该区Td=31.4d/a，此值介于20～40之间所以确定该建筑物位于多雷区。

4.2 评估风电机组雷击频率

雷击风险分析的第一步是评估雷击频率。IEC 61024-1-1标准对如何估计雷击频率给出指导意见。在评定一建筑物的受雷击频率时，有必要收集局部地面落雷密度（Ng）的详细信息。国家组织机构可能能提供这样的信息。若无法获得地面落雷密度，可使用以下关系式估计：

Nd=Ng×Ad×Cd×10-6 （1）

式中：Nd ：表示建筑物直击雷年平均数；Ng ：表示地面落雷密度年平均数；Ad ：表示建筑物直击雷等值受雷面积；Cd：是环境系数。当风电机组位于平地时，Cd：大约为1，位于山地或小丘时，Cd：大约为2。

4.3 IEC61024-1-1标准

IEC 61024-1-1规定严重事件年容许数量（Nc）必须大于或等于建筑物直击雷年平均数量（Nd）与1减去防雷保护系统效率的差（1-E）的乘积.

Nc ≥Nd × （1-E） （2）

式中，E 表示防雷保护系统效率；Nd 表示建筑物直击雷年平均数；Nc 表示严重事件的年容许数量；

E ≥1-Nc/Nd （3）

所需要的防雷保护系统效率即求得。

E ≥1–Nc/Nd，E ≥（1–10-3/0.046） × 100% （4）

E ≥97.8%

即该地点需要的防雷保护系统效率为97.8%，根据规定需安装B级防雷保护系统。

5 设计方案

5.1 接闪器

利用风电机组叶片作为接闪器，接闪器将雷电流引入并且能够传导全部的雷电流；另外，接闪器必须具备一定尺寸以便牢固地固定在叶片表面，铝的横截面为70mm2；机舱顶端敷设一圈环形的避雷带；在机舱盖后缘安装避雷针，避雷针高1.5m与避雷带相互连接。

5.2 引下线

利用风电机组叶片中金属网格、钢丝及电机组叶片的边角作为引下线，起引下线作用的叶片表面金属导体必须有足够断面才能经受住直击雷，并传导全部的雷电流。内部引下线系统：导体放置在叶片表面是将雷电导体放置在叶片内部。导体的金属固定装置穿过叶片表面起离散的雷电接闪器作用。目前生产的许多叶片使用这种防雷保护系统，离散的雷电接闪器安装在叶片尖端。内部引下线系统将雷电流从位于叶尖的接闪器引到叶片根部；在由叶片根部与塔桶内部圆钢引下Φ25mm线相互连接。

5.3 雷电波侵入

5.3.1 电力电缆

风力发电机组电力电缆线路上应穿金属管道敷设，在进入风机机组与工作接地连接，进入箱变处装电源浪涌保护器接地端直接接于设备的金属外壳上一并接至等电位接地端子板上；风机机舱内部有轮毂与箱变电缆线需进行连接，在连接方式应穿钢管敷设，这样减少了雷电波侵入对设备造成危害，同时在与风力发电机组保持电气连通。

5.3.2 信号电缆

风力发电信号线路缆线路上应穿金属管道敷设，在进入风机机组与工作接地连接，进入箱变处装信号浪涌保护器接地端直接接于设备的金属外壳上一并接至等电位接地端子板上；有箱变引入塔筒时需埋地穿钢管进入，做为屏蔽措施；同时光纤传输保持光纤芯处进行良好接地一次。

5.3.3 等电位连接

以敷设风机基础的一圈水平接地体作为总等电位接地端子板，以及在箱变基础的一圈水平接地体作总等电位连接端子板，最后风机与箱变采用热镀锌扁钢相互连接，设置在风机塔筒内部子上，材料均为铜制并相互连接。采用多股绝缘铜导线从箱变处等电位接地端子板引至风机基础预留的等电位连接。在临近的两个控制箱处采用热镀锌扁钢60*6相互连接，这些等电位连接可在雷击时提供接触电压与跨步电压防护。

5.4 屏蔽

机舱应设计为一个封闭的金属屏蔽体。在机舱内，相对于外部它的电磁场应得到极大的衰减。机舱中的，以及可能存在于在操作间中的开关柜和控制柜，都应由金属制成。与其相连接的电缆也应配备相应的外部连接和屏蔽，并具有雷电流承载能力。此例给出了当电缆以距离变速箱或发电机，近30mm方式布线时的预期电压幅值。这个电流很大，di/dt值也很高，但电缆保护层与管道的保护效果明显。

作者单位

1.兰州资源环境职业技术学院气象系 甘肃省兰州市 730000

2.中国气象局兰州干旱气象研究所 甘肃省兰州市 730020