1. 建立風(fēng)力發(fā)電機組防雷系統(tǒng)的必要性
目前，中國國內(nèi)的大部分風(fēng)電場分布于東北、華北和西北地區(qū)。近些年，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟和市場需求的增加，越來越多的南方風(fēng)電場已陸續(xù)建設(shè)起來。而且，南方地區(qū)的雷暴天氣明顯要多于北方地區(qū)，給風(fēng)機制造商和風(fēng)電場建設(shè)方帶來極大的考驗。
下圖為某機組遭雷擊損壞的實例。
——風(fēng)力發(fā)電機組是比周圍物體要高大構(gòu)筑物。
——風(fēng)力發(fā)電機組常常安裝在非常容易受到雷擊的場地。
——風(fēng)力發(fā)電機組的許多暴露部件，如葉片和機艙罩往往由不能承受直擊雷的復(fù)合材料制成。
—— 葉片、輪轂、發(fā)電機與機艙是相對旋轉(zhuǎn)的，不利傳導(dǎo)雷電流。
——雷電流將通過風(fēng)力發(fā)電機組的金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到大地，因此，實際上大部分雷電流將流經(jīng)或靠近所有的機組部件。
——風(fēng)電場的土壤電阻率通常比較高，接地條件不好。
——風(fēng)力發(fā)電機組都設(shè)置在風(fēng)大的地區(qū)，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。通常風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點，并且遠離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。此外，設(shè)置在丘陵和山脊的風(fēng)力發(fā)電機組的接地，這些地區(qū)的土壤導(dǎo)電性能相對較差。
——風(fēng)力發(fā)電機組常常安裝在非常容易受到雷擊的場地。
——風(fēng)力發(fā)電機組的許多暴露部件，如葉片和機艙罩往往由不能承受直擊雷的復(fù)合材料制成。
—— 葉片、輪轂、發(fā)電機與機艙是相對旋轉(zhuǎn)的，不利傳導(dǎo)雷電流。
——雷電流將通過風(fēng)力發(fā)電機組的金屬結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到大地，因此，實際上大部分雷電流將流經(jīng)或靠近所有的機組部件。
——風(fēng)電場的土壤電阻率通常比較高，接地條件不好。
——風(fēng)力發(fā)電機組都設(shè)置在風(fēng)大的地區(qū)，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。通常風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)置在高于周圍地區(qū)的制高點，并且遠離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。此外，設(shè)置在丘陵和山脊的風(fēng)力發(fā)電機組的接地，這些地區(qū)的土壤導(dǎo)電性能相對較差。
2. 風(fēng)力發(fā)電機組的通用防雷措施
風(fēng)力發(fā)電機組的防雷系統(tǒng)包含了從葉片至基礎(chǔ)的各個環(huán)節(jié)，并且每個環(huán)節(jié)都不可或缺。依據(jù)IEC61400-24(2010) 《風(fēng)力發(fā)電機組- 第24 部分: 雷電防護》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)力發(fā)電機組的防雷措施主要有以下幾個方面。
2.1 葉片接閃器及引下線
葉片接閃器應(yīng)位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊。葉片接閃器系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)嚴(yán)格的檢測和試驗來確定。接閃器數(shù)量按照2010 版GL 規(guī)范相關(guān)要求進行設(shè)計。
葉片接閃器應(yīng)位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊。葉片接閃器系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)嚴(yán)格的檢測和試驗來確定。接閃器數(shù)量按照2010 版GL 規(guī)范相關(guān)要求進行設(shè)計。
引下線應(yīng)長期可靠連接，并能承受雷電流產(chǎn)生的電、熱、電動力的聯(lián)合沖擊。引下線應(yīng)在進行模擬雷擊試驗以前就安裝在葉片上，應(yīng)與葉片一起進行耐受機械應(yīng)力的實驗。
2.2 輪轂
輪轂金屬結(jié)構(gòu)本身具有良好的電磁屏蔽效果，其雷電防護只需采取等電位連接。對延伸到輪轂外部（除去葉片根部或機艙）的電氣和控制系統(tǒng)回路應(yīng)采取雷電防護措施。
2.3 機艙
金屬機艙結(jié)構(gòu)自然成為雷電防護系統(tǒng)的一部分， 應(yīng)能承載IEC62305-1 所規(guī)定雷電防護等級的雷電流。金屬機艙外罩和金屬結(jié)構(gòu)（如機艙底座）應(yīng)與引下線連接。
非金屬機艙外罩（如玻璃鋼外罩）應(yīng)增設(shè)足夠大截面網(wǎng)格條的金屬網(wǎng)格。
2.4 塔筒
金屬塔筒各段落之間應(yīng)有良好的電氣連接。各段落之間除了自然的結(jié)構(gòu)連接以外還應(yīng)有多條直接的電氣連接。金屬塔筒可作為良好的自然引下線，各段端部和底座環(huán)應(yīng)引出接地端子。
2.5 軸承和齒輪箱
2.2 輪轂
輪轂金屬結(jié)構(gòu)本身具有良好的電磁屏蔽效果，其雷電防護只需采取等電位連接。對延伸到輪轂外部（除去葉片根部或機艙）的電氣和控制系統(tǒng)回路應(yīng)采取雷電防護措施。
2.3 機艙
金屬機艙結(jié)構(gòu)自然成為雷電防護系統(tǒng)的一部分， 應(yīng)能承載IEC62305-1 所規(guī)定雷電防護等級的雷電流。金屬機艙外罩和金屬結(jié)構(gòu)（如機艙底座）應(yīng)與引下線連接。
非金屬機艙外罩（如玻璃鋼外罩）應(yīng)增設(shè)足夠大截面網(wǎng)格條的金屬網(wǎng)格。
2.4 塔筒
金屬塔筒各段落之間應(yīng)有良好的電氣連接。各段落之間除了自然的結(jié)構(gòu)連接以外還應(yīng)有多條直接的電氣連接。金屬塔筒可作為良好的自然引下線，各段端部和底座環(huán)應(yīng)引出接地端子。
2.5 軸承和齒輪箱
軸承應(yīng)證明能在整個服務(wù)期間耐受可能流過多次雷電流，否則應(yīng)采取降低雷電流流過軸承的保護措施。對處于雷電流通道的軸承齒輪、軸承與連軸器應(yīng)采用旁路分流和阻斷隔離相結(jié)合的方式。通向發(fā)電機的連軸器應(yīng)采用絕緣隔離，提供所需的絕緣以保護發(fā)電機免遭雷電流侵入發(fā)電機軸。
阻斷隔離是指在軸承或齒輪箱以及其它高速軸到機艙底板的電流通道中插入絕緣層。下圖為減少軸承雷電流措施的示意圖。齒輪箱和發(fā)電機通過機器底座的連接螺栓與接地裝置應(yīng)保持良好的連接。如齒輪箱或發(fā)電機用柔性阻尼元件與機器底座連接，則所有阻尼元件應(yīng)采用有足夠截面積的扁銅帶跨接。
阻斷隔離是指在軸承或齒輪箱以及其它高速軸到機艙底板的電流通道中插入絕緣層。下圖為減少軸承雷電流措施的示意圖。齒輪箱和發(fā)電機通過機器底座的連接螺栓與接地裝置應(yīng)保持良好的連接。如齒輪箱或發(fā)電機用柔性阻尼元件與機器底座連接，則所有阻尼元件應(yīng)采用有足夠截面積的扁銅帶跨接。
2.6 接地裝置
風(fēng)力發(fā)電機組接地裝置可利用
風(fēng)力發(fā)電機組接地裝置可利用
塔筒的鋼筋混凝土基礎(chǔ)作為共用接地裝置，除應(yīng)滿足以下四個基本要求以外，還要符合雷電防護的要求，能將高頻和高能量的雷電流安全引導(dǎo)入地。其工頻接地電阻宜小于4Ω。在高土壤電阻率地區(qū)，應(yīng)采取措施降低接地電阻。本機組的接地裝置應(yīng)與若干其它機組和風(fēng)電場的接地裝置相連。
四個基本要求是：
a) 接地故障出現(xiàn)時，發(fā)生跨步電壓和接觸電壓，需確保人身安全；
b) 防止接地故障引起設(shè)備的損壞；
c) 接地故障時接地裝置耐受熱、電動力；
d) 具有長期的機械強度和耐腐蝕性。
b) 防止接地故障引起設(shè)備的損壞；
c) 接地故障時接地裝置耐受熱、電動力；
d) 具有長期的機械強度和耐腐蝕性。
2.7 電氣系統(tǒng)防雷
2.7.1 風(fēng)力發(fā)電機組中電涌保護器的類型。風(fēng)力發(fā)電機組內(nèi)部系統(tǒng)采用的電涌保護器（簡稱SPD）產(chǎn)品的類型：
a) 低壓電源系統(tǒng)用SPD：用于對低壓電源系統(tǒng)中的電氣部件的保護，產(chǎn)品應(yīng)符合GB 18802.1；
b) 控制與信息系統(tǒng)用SPD：用于對控制和測量、信號回路的保護，產(chǎn)品應(yīng)符合GB/T 18802.21；
c) 低壓主電力電氣系統(tǒng)用SPD：用于對風(fēng)力發(fā)電機、變頻器及有關(guān)部件的保護。
b) 控制與信息系統(tǒng)用SPD：用于對控制和測量、信號回路的保護，產(chǎn)品應(yīng)符合GB/T 18802.21；
c) 低壓主電力電氣系統(tǒng)用SPD：用于對風(fēng)力發(fā)電機、變頻器及有關(guān)部件的保護。
2.7.2 風(fēng)力發(fā)電機組中電涌保護器的安裝位置。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機組電氣電子系統(tǒng)框圖和防雷區(qū)（簡稱LPZ）劃分原則，應(yīng)在如下位置安裝SPD：
a) 在每個LPZ 的線路入口處安裝SPD：
在LPZ0B 進入LPZ1 區(qū)處：應(yīng)選用用Iimp 測試的SPD（Ⅰ類試驗），安裝在離LPZ1 邊界盡可能近的地方；在LPZ1 進入LPZ2 區(qū)或更高區(qū)處：應(yīng)選用用In 測試的SPD（Ⅱ類試驗），安裝在離LPZ2 邊界或更高區(qū)盡可能近的地方。
b) 在部分電氣設(shè)備端部安裝SPD：
非常敏感的設(shè)備，與LPZ 入口處SPD 距離太遠的設(shè)備，內(nèi)部干擾源產(chǎn)生的電磁場有威脅的設(shè)備。下圖顯示了雙饋式風(fēng)力發(fā)電機主電力電氣回路和低壓電源回路中電涌保護器安裝位置例。
3. 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組防雷措施
永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的防雷措施除跟上述的風(fēng)力發(fā)電機組通用措施相同外，還應(yīng)具有以下防護措施。
3.1風(fēng)力發(fā)電機組的雷電保護系統(tǒng)
3.1.1 永磁直驅(qū)機組防雷接地設(shè)計依據(jù)。永磁直驅(qū)機組防雷接地參照以下標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。
GB 50057-94（2010） 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范
IEC 61400-24-2010 風(fēng)力發(fā)電機組- 第24 部分: 雷電防護
IEC 62305-1 -2006 雷電防護- 第1 部分：總則
IEC 62305-3 -2006 雷電防護- 第3 部分：建筑物的實體損害和生命危險
IEC 62305-4 -2006 雷電防護- 第4 部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)
GL（2010） 風(fēng)力發(fā)電機組認證指南（2010）
IEC 61400-24-2010 風(fēng)力發(fā)電機組- 第24 部分: 雷電防護
IEC 62305-1 -2006 雷電防護- 第1 部分：總則
IEC 62305-3 -2006 雷電防護- 第3 部分：建筑物的實體損害和生命危險
IEC 62305-4 -2006 雷電防護- 第4 部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)
GL（2010） 風(fēng)力發(fā)電機組認證指南（2010）
考慮機組的結(jié)構(gòu)特點，從其自身價值及遭受雷擊后可能產(chǎn)生的直接和間接損失，結(jié)合國外對機組防雷等級的劃分，風(fēng)力發(fā)電機組參照最嚴(yán)酷等級進行防雷，并適應(yīng)與所有的雷暴區(qū)域。依據(jù)IEC 62305.1—2006《雷電防護 第1 部分：總則》第八章的規(guī)定，采用雷電防護水平雷電防護等級Ⅰ的防護標(biāo)準(zhǔn)進行保護。
3.1.2 綜合防雷體系。風(fēng)力發(fā)電機組的防雷保護是個綜合的防雷系統(tǒng)。包括外部、內(nèi)部防雷系統(tǒng)，針對不同防雷區(qū)域采取有效的防護手段，主要包括雷電截收和傳導(dǎo)系統(tǒng)、過電壓保護和等電位連接、電控系統(tǒng)防雷等措施，這些防護措施都充分考慮了雷電的特點，實踐證明這一方法簡單而有效。防雷系統(tǒng)的組成見下圖6 所示。
3.2 機艙頂部接閃器的設(shè)計
機艙的頂部，設(shè)置有風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀。為了減少因側(cè)擊雷造成風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機艙內(nèi)設(shè)備的損壞，應(yīng)在機艙頂部裝設(shè)接閃器，保護風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機艙內(nèi)的設(shè)備。
3.3 等電位連接
等電位連接是風(fēng)力發(fā)電機組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關(guān)鍵。
為了減小各金屬設(shè)備之間的電位差，對機組的所有外露金屬部分，采取等電位連接措施。輪轂、機艙、塔筒內(nèi)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部主要金屬構(gòu)建、金屬管道以及線路屏蔽均應(yīng)采用等電位連接。設(shè)置等電位母排。延伸到機艙、塔筒外部的電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)布設(shè)在金屬管道內(nèi), 金屬管道應(yīng)與引下線系統(tǒng)相連，電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)采取過電壓保護措施。
3.4 沿海及海上的機組防雷措施
針對海上的鹽霧環(huán)境，對防雷、接地裝置的金屬結(jié)構(gòu)件做必要的防腐處理，并且對電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護器均要通過抗鹽霧試驗。
3.5 加強對防雷與接地裝置的檢查與維護
風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計壽命至少為20 年，為保證機組的防雷系統(tǒng)正常工作，要定期對防雷與接地裝置進行檢查，主要檢查的對象有：各電控柜內(nèi)電涌保護器、各零部件及設(shè)備間的等電位連接導(dǎo)線、機組的接地電阻值等。
機艙的頂部，設(shè)置有風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀。為了減少因側(cè)擊雷造成風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機艙內(nèi)設(shè)備的損壞，應(yīng)在機艙頂部裝設(shè)接閃器，保護風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀和機艙內(nèi)的設(shè)備。
3.3 等電位連接
等電位連接是風(fēng)力發(fā)電機組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關(guān)鍵。
為了減小各金屬設(shè)備之間的電位差，對機組的所有外露金屬部分，采取等電位連接措施。輪轂、機艙、塔筒內(nèi)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部主要金屬構(gòu)建、金屬管道以及線路屏蔽均應(yīng)采用等電位連接。設(shè)置等電位母排。延伸到機艙、塔筒外部的電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)布設(shè)在金屬管道內(nèi), 金屬管道應(yīng)與引下線系統(tǒng)相連，電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)采取過電壓保護措施。
3.4 沿海及海上的機組防雷措施
針對海上的鹽霧環(huán)境，對防雷、接地裝置的金屬結(jié)構(gòu)件做必要的防腐處理，并且對電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護器均要通過抗鹽霧試驗。
3.5 加強對防雷與接地裝置的檢查與維護
風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計壽命至少為20 年，為保證機組的防雷系統(tǒng)正常工作，要定期對防雷與接地裝置進行檢查，主要檢查的對象有：各電控柜內(nèi)電涌保護器、各零部件及設(shè)備間的等電位連接導(dǎo)線、機組的接地電阻值等。
4.小結(jié)
“預(yù)防勝于治理”是對防雷工作最好的解釋，即使比較完善的防雷體系已經(jīng)建立，還是不能夠完全抵御雷擊的風(fēng)險。所以，在風(fēng)力發(fā)電機組廣泛采用有效的防雷保護技術(shù)的同時， 為了盡量減少風(fēng)力發(fā)電機組遭受雷擊的危險， 建議在風(fēng)機安裝之前，即進行風(fēng)電場的規(guī)劃設(shè)計及微觀選址時，將風(fēng)機的防雷作為影響因素之一加以考慮，從而確保風(fēng)力發(fā)電機組安全有效的運行。
鄂公網(wǎng)安備 42011202002153號
