风力发电机组的防雷设计

风力发电机组的防雷设计庄 严 关键词：风力发电 风机 防雷 接地 风力发电机防雷规范 摘要：风电是新兴的清洁能源，随着全国各地纷纷新建的风场，风电 防雷的问题逐步得到了风电企业和风电配套厂商的重视， 08 年我国 第一份有关风电防雷的行业技术性规范风力发电机组规范由中国 船级社发布，本文通过工程实践结合该行业规范介绍一些风电防雷常 见的问题及解决方案，希望能在工程实践中起到一定作用。1. 风电防雷的组成 风电的防雷主要由雷电电磁脉冲防护系统和直击雷防护系统组 成。雷电电磁脉冲防护系统主要针对风电的控制系统；直击雷防护系统主 要包括风塔、叶片及接地系统的防护。（见图 1）扌空 制 系 统直击雷防护系统图 1 风电防雷系统的组成 从构筑物的角度进行考虑，风塔可以进行 LPZ 进行防雷分区，按 照这种分区方式同样可以确定风塔的不同位置需要采取什么样的防 护措施。按照危险成都进行划分：处于LPZ0区的部分包括叶片、风 速仪，LPZ1区包括：风机（机舱）罩、塔桶内电缆、，LPZ2区包括： 变浆柜、控制柜、等。（见图 2）nacelleLightning Protection Zones (LPZ):Da: Direct I ightning strikes pwaibk unattenuated el ectromagnelic field, e.g. rotating blade皿：No direct lightning strikps possible, nattenuated el ectramagenTic field! e.g. snemofneter1: No direct lightning strikes possible, 皿nudtei electromagnetic field；碍 inside Of the nacelle2: No dirett lightning strike! pcssibit; higlily attenuated electr口mdgnetiu field, .g.: process tomputers, frequency anverler$Qppraiing huildingnoT1 LPZ1LPZ 2outgoing lines图 2 风塔的 LPZ 分区2. 控制系统的防雷设计对于处于野外高雷击风险环境的雷电电磁脉冲防护应重点考虑采 用等电位、屏蔽及在控制线路上安装 SPD。2.1 机舱内的等电位系统设计风电控制机舱内主要有变浆控制柜、制动控制柜、机械箱（齿轮 箱）、液压控制柜、发电机及传动系统，由于各系统之间的链接主要 是靠地板的链接，各金属外壳间存在一定的接触电阻，所以应重点做 好设备之间的等电位链接，可在用紫铜带或者铜编织带进行可靠的等 电位链接。2.2 屏蔽措施屏蔽措施主要针对目前国内一些风机外科采用高强度玻璃钢材料 而言，由于雷电电磁脉冲的冲击是在空间范围内存在的，所以，为了 减少机舱内电子设备受雷电电磁脉冲的冲击，应采用金属的机舱罩， 削弱雷电电磁脉冲对机舱内设备的影响，减小雷电电磁脉冲的强度， 同时也可有效的减少雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。2.3 在不同位置安装相应的 SPD根据国外风场的统计数据表明，风电场因雷击而损坏的主要风电 机部件是控制系统和通讯系统。雷击事故中的40%50%涉及到风 电机控制系统的损坏，15%25%涉及到通讯系统，15%20%涉及 到风机叶片， 5%涉及到发电机。由此可见，雷电对风机系统遭成的 影响是不同的，进行具有针对性的防护是避免和减少事故的重要手 段。按照 IEC61312-3 、61024 和 61400 及 GB500571994 中关于雷电流分配 的推荐计算可计算出风机内部不同系统存在的雷击电流强度。经过公 式简化可得出一下计算：公式1其中：Is为流入单一系统的雷电流；Imax 为预计首次雷击电流，其中入地 50%，整个系统分配 50%，所以本计算中直接按照 50%进行计算；N 为电控系统数量，本计算采用系数2 ，即电源系统（三项4 线制， N 线部分留，非屏蔽屏蔽）、信号通讯控制系统（3 线系统+ 网线，屏蔽）。7 =二=二=m （各系统分量）十=50十11-匚三=4.45-1.37=3.08KA（每线分流强度，有屏蔽层）通过计算得出，分配在电源线上的雷电电磁脉冲电流为16.6KA, 分配到信息系统上的雷电电磁脉冲电流为3.08KA，据此，结合风机 的工作特点进行避雷器的选型设计：2.3.1 电源系统的避雷器选型：电源系统避雷器的选择，首先应符合电源系统的工作电压，并且 最高持续运行电压应是工作电压的1.5-2.2倍，同流量应按照最大计 算同流量增加30%冗余量进行选择，按照1.5MW风机进行设计，定子额定电压690V,通流量按照16.6二（1+30%） =22KA进行产品选型。电机侧的避雷器选型为：DEHN bloc Maxi 1 760FM具体参数如下：项目参数交流最大持续工作电压Uc760v标称放电电流In （8/20）25KA保护水平Up4KV工频续流遮断能力If10KArms轮殼控制器配置电源电涌保护器： DG M TN 275交流最大持续工作电压Uc230400v标称放电电流In (8/20)20KA保护水平Up1.5KV工频续流遮断能力If100KArms2.3.2 信号系统的避雷器选型：信号避雷器的选择与电源避雷器的选择类似，信号线上的避雷器应实现避雷器每线通流量达到5KA,工作电压符合系统运行电压；轮殼控制器的信号避雷器的选择：DEHN BXT ML2 BE C 24项目参数工作电压UcUn2433v标称放电电流In(8/20)20KA保护水平Up90V工作电流0.75A3 叶片系统的防直击雷措施作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目 标，同时叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击 保护至关重要。研究结果表明叶片的完全绝缘不能降低被雷击的风险 而只能增加受损伤的程度，而在很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。国内某风电企业为风力发电机组 的叶片研制开发了专门的防雷系统，T 由雷电接闪器和雷电传导部分组成。 雷电接闪器是一个特殊设计的不锈 钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以 经受多次雷电的袭击，损坏后也可以方便地更换。如图：在叶片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属 法兰，通过轮毂传至机舱。在轮毂的法兰处装有间隙放电组成的保护 将雷电流迅速传至机舱底座，释放雷击过电压。4.结束语针对风电场的防雷是个系统的，多领域的工程；本文介绍的也仅 仅是对特例的一点分析。由于风电场防雷受选址、气象、地质等多因 素条件的影响，建议在进行风电场的系统整体防雷时可引入雷电风险 评估程序，这样可有效的进行针对性的防护设计及产品选型。参考资料：1. 风力发电机组规范-中国船级社2008.62. IEC61312-3电涌保护器要求、级间配合3. GB50057-94/2000建筑物防雷设计规范