谭辉

摘要：根据中国可再生能源学会风能专业委员会的数据，我国中东部和南部地区的低风速风资源可开发量可达10亿千瓦，目前已开发的资源量约为6000 万千瓦，不到7%，未来还有93%的资源量有待进一步开发。中东部低风速区，资源分布不連续，土地资源稀缺，充分利用风资源的需求下，分散式风电在中东部地区将成为集中式的重要补充。截至2017年底，我国分散式装机占比不足2%，而我国18省市适合分散式开发模式，市场空间广阔，分散式风电未来是具有一定市场前景的。进一步做好风力发电机系统设备的防雷研究，对于风力发电公司能减少风力发电机的停机时间及能量的损失，有明显的社会经济效益。

关键词：风力发电；防雷；保护

引言

在当前环境下，发展分散式风电具有重要意义。一是有助于解决风电介入对大电网的安全问题；二是分散式风电都位于负荷中心附近，利于消纳，避免了“弃风”问题；三是解决了远距离输送带来的能源损耗问题。随着发电技术水平的不断提高，单机容量大型化成为风力发电的趋势，为了获取更多的能量，风力发电机的塔架也建造的越来越高，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的雷电防护措施。

1 风力发电机组的介绍

风力发电基本原理是：风机叶片在风力的作用下旋转，并通过传动轴和变速箱带动发电机旋转，产生电力，然后经过变压、调频等，再通过电缆送到外部电网。

风力发电机系统接地由几大部分组成：由风机叶片、轮毂、机舱弯头、偏航系统、变浆系统、塔架及控制系统组成的，能将风能转换成电能的装置。

（1）、轮毂和叶片部分

负责吸收风能，产生转动的动力。一般叶片由复合材料制成，重量轻，直接接触雷云。

（2）、机舱部分

内置变速箱、发电机组、和发电机电气控制箱部分。电气部分控制发电机的转动，偏航对风，紧急情况下的刹车等。

（3）、塔筒和地基部分

为机舱、叶片等提供支撑，同时也是电缆走线和维修调试人员的通道，塔底开关柜控制电力的输入和输出。

2 风力发电机设备防雷的特殊性

风力发电机的防雷不同于普通的建筑物，它具有一定的特殊性，具体表现为下面的几个特点：

2.1 所处的环境恶劣

风机分散安置在旷野、山顶区域，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达60～100 m，遭受雷击概率高；风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件）。因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。

2.2 风力发电机成本高

风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。若其遭受雷击（特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击），除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。

2.3 停工期损失大

风力发电机在正常发电运行期间，如遭受雷击带来的不仅仅是设备的损坏，还会造成大量的停工时间。根据实际工作统计表明，由于雷击造成的风力发电机停工时间（这个停工时间主要是由电气系统的检修期、配件的定购期和运输期等造成的），是风力发电机各种故障中停工期最长的故障。

3 雷电对风力发电机组的危害

风力发电机通常位于开阔的区域，而且很高，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁之下，被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备，例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构，以及相应的总线系统等。这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问，雷电感应及过电压可以给风电机组带来相当严重的损坏。

4 风力发电机组的雷电防护

风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害等。

4.1直击雷防护措施

在金属塔架接地良好的情况下，叶片、机舱的外部（包括机舱）、塔架外部（包括塔架）、箱式变压器应属于LPZ0 区，这些部位是遭受直击雷（绕击）或不遭受直击雷但电磁场没有衰减的部位。

根据风力发电机的使用性质及其重要性，参照《建筑物防雷设计规范》50057-2010）关于建筑物的防雷分类，可以将风力发电机划分为二类防雷建筑。

参照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010 及《微波站防雷与接地设计规范》YD2011-93 相关条款，风力发电机防雷接地电阻不能小于5Ω。

4.1.1叶片的防雷保护

直击雷的防护在没有技术突破的前提下仍然沿用传统的防雷方法：利用自身的高度使雷云下的电场发生畸变，从而将雷电吸引，以自身代替被保护物受雷击，以达到保护。这就要求风机的叶片的制作及其材料提出很高的要求，即叶片必须能够承受足够大的电流，并且在叶片上添加导电性能良好、自身重量轻的类似于碳纤维的材料，用单独的线缆将叶片与塔身连接在一起，为雷电流泄放提供一个良好的通道。

4.1.2机舱的防雷保护

机舱主机架除了与叶片相连，还连接机舱顶上接闪杆，接闪杆用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网，有接闪杆的保护，可以迅速导走直击雷，避免机舱遭到直击雷的袭击。

4.1.3塔架及引下线

专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，因此，雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。此外，设计下引线时，应考虑到，雷电流的传输不应使叶片的温度超过允许值。

防雷接地电缆应有2 根接地引下电缆，即为叶片防雷接地电缆，直接从主轴滑环引入塔筒地基的2 个相邻接地点；机舱防雷及 PE，直接从主轴滑环引入塔筒地基的其余的2个相邻接地点。

4.1.4接地網

接地网设在混凝土基础的周围，并在塔基四周设置4个接地点，并应在接地导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。风机一般放置在高地电阻区域，地网要延伸保证接地电阻达到设备本身要求及规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电迅速入地，为人员和设备提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。

4.2等电位连接

等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。风机中的各个部分需要有一个等电位连接。这些等电位可以防止发生雷击时产生接触电压和跨步电压，设备的等电位连接可以减少雷电对电气和电子系统的损坏。

机舱外壳应采用钢板制成，作为承受直击雷的载体，在机舱的上方安装几支接闪杆，防止雷电发生绕击和侧击时，穿透机舱，对机舱内设备造成损坏。如果机舱外壳为复合材料时，应在机舱外面敷设金属网格，兼作接闪器和屏蔽之用。网孔宜为30cm×30cm，钢丝直径不宜小于2.5mm。必要情况下，需通过屏蔽计算，加大金属网格的密度和铁丝的直径。

风轮与机舱间、机舱与塔柱间、尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接，也可以通过单独的多股塑铜线（截面不小于16mm2），各连接过度电阻尽量小，一般不大于0.03Ω。以上各部件连接为一个电气的整体，使之遭受雷击时，能有一个快速的通道沿塔身引入接地装置。

4.3 屏蔽措施

屏蔽装置可以消弱电磁干扰。机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关的电气和电子器件都装在开关柜，开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层，且金属屏蔽层的两端均应与等电位连接端子相连接。

由于风力发电机为高耸塔式结构，非常紧凑，发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁，无论风轮、机舱、水平轴、还是尾舵受到雷击，机舱内的发电机及控制系统等设备可能受到机舱的高电位反击，在电源和控制回路沿塔筒引下过程中，也可能受到反击。电力和信息回路由机舱到地面并网柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆外，还应穿入金属接地套管，使反击率降低。

各电气柜采用金属薄板制作，可以有效地防止电磁脉冲干扰，在电源控制系统的输入端，处于暂态过电压防护的目的，采用压敏电阻或暂态抑制二极管等保护设备与屏蔽系统连接，每个电控柜用不小于16mm2的多股塑铜线与接地端子连接。

4.4 过电压保护

对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能让电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区的边界处必须使用浪涌保护器，它不仅可以泄走大部分的雷电流而不会损坏设备，也可以将金属设施和电源、信号线路之间由雷电引起的高电位差限制在安全的范围之内。

根据建筑物信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级，风力发电机组设备可以定为B级防护。在被保护的设备处加装三级浪涌保护器。第一级采用开关型的电涌保护器，第二级和第三级采用限压型的电涌保护器。

在发电机、开关盘等电源线路采用电源浪涌保护器保护。在控制器模块电子组件、信号电缆终端等，采用信号浪涌保护器保护。风力发电机组的机舱弯头内部的机舱柜、液压站、电气控制柜、塔筒内底部的箱变、风速风向仪、变频控制柜、变浆控制柜、发电机的转子侧、发电机的定子侧等部位都必须安装浪涌保护器。

1）箱变的电源进线端与出线端应安装浪涌保护器；相关的传感器二端应安装浪涌保护器；

2）变频控制柜的电源线路上应安装浪涌保护器；相关的通信线路的二端应安装浪涌保护器；

3）机舱弯头内部所有电气控制柜内部的电源及信号线均应安装浪涌保护器；

4）变浆控制柜内的电源及信号均应安装浪涌保护器；

5）风速、风向仪的电源及信号二端均应安装浪涌保护器；

6）机舱外部的吊装设备的电源及信号二端均应安装浪涌保护器；

7）发电机的定子侧、转子侧及至变频柜端均应安装浪涌保护器。

为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备，供电回路建议采用TN-S供电方式。

以上防护采用三级防护的原则，在易遭受直击雷的部位加装通过Ⅰ级分类试验的电源浪涌保护器，在舱底的设备柜内加装通过Ⅱ级分类试验的浪涌保护器，在弱点设备的电源处还应加装通过Ⅲ级分类试验的浪涌保护器，使设备得到充分的保护。

5 结语

雷电能量非常巨大，雷击方式是复杂的，采用合理适当的防雷措施只能减少损失，只有更多新技术的突破和应用才能对雷电进行完全防护并加以利用。通过风力发电机系统设备的防雷研究，为进一步做好风力发电机系统的防雷以及对于制定风力发电机的雷电灾害防御、应急预案，制作防雷设计方案等有指导和实际意义。

参考文献：

[1]建筑物防雷设计规范GB50057-2010

[2]建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2012

[3]《微波站防雷与接地设计规范》YD2011-93