風力發(fā)電雷電防護技術(shù)淺析

1、風力發(fā)電雷電防護技術(shù)淺析張輝（安徽省天長市氣象局，天長市，239300）摘要結(jié)合本地風力發(fā)電場實況，通過對國家現(xiàn)行標準中相關(guān)規(guī)定的理解和相關(guān)雷電知識的掌握，從風力采集風塔、風力發(fā)電機組，升壓站變電所、svg裝置及控制室、35千伏配電裝置，設(shè)備控制室等等風力發(fā)電系統(tǒng)（電力輸送屬高壓端防護，本次不考慮其雷電防護）的雷電防護措施進行具體的闡述。關(guān)鍵詞：風力發(fā)電、風塔、升壓站、繼電保護室、雷電防護、屏蔽、等電位、浪涌保護器、接閃桿1、雷電對風力發(fā)電系統(tǒng)的危害風塔一般分散安裝在野外空曠的平原地帶或山地山頂?shù)貛Щ蜓睾Ｑ睾貛Вㄌ扉L風力發(fā)電處在高郵湖岸邊），風塔高度一般在80米以上，風葉長度一般超過50米，

2、致使風電采集裝置總高度超過100米以上，運行時直徑可達100米以上，根據(jù)雷電選擇性和風塔所處位置（水陸交界、孤立高聳） ，結(jié)合雷電危害形式（直擊雷 、側(cè)擊雷、 雷電波侵入 、 雷電感應(yīng)過電壓）以及發(fā)電機組系統(tǒng)內(nèi)部控制系統(tǒng)耐壓水平和地電位反擊等因素，風電發(fā)電設(shè)施，極易遭受雷擊，會造成風機葉片爆 裂、自動化控制系統(tǒng)擊穿和毀壞 、通信系統(tǒng)件燒毀等危 害 。所以 對風力發(fā)電設(shè)施采取有效的防雷措施是非常必要的。風塔形狀及地理位置2、風力發(fā)電雷電防護區(qū)域的劃分風力發(fā)電設(shè)施雷電防護區(qū)域的劃分：、直擊雷非防護區(qū)（LPZOA）：電磁場沒有衰減，各類物體都可能遭到直接雷擊，屬完全暴露的不設(shè)防區(qū)。、 直擊雷防護區(qū)（

3、LPZOB）：電磁場沒有衰減，各類物體很少遭受直接雷擊，屬充分暴露的直擊雷防護區(qū)。、 第一防護區(qū)（LPZ1）：由于建筑物的屏蔽措施，流經(jīng)各類導(dǎo)體的雷電流比直擊雷防護區(qū)（LPZOB）區(qū)進一步減小，電磁場得到了初步的衰減，各類物體不可能遭受直接雷擊。、 第二防護區(qū)（LPZ2）：進一步減小所導(dǎo)引的雷電流或電磁場而引入的后續(xù)防護區(qū)。、后續(xù)防護區(qū)（LPZn）：需要進一步減小雷電電磁脈沖，以保護敏感度水平高的設(shè)備的后續(xù)防護區(qū)。風電采集裝置防雷防護區(qū)升壓站防雷防護區(qū)3、風塔和風力發(fā)電機組的雷電防護3.1、風葉的雷電防護葉片應(yīng)通過裝設(shè)接閃器（接閃小針），可利用葉片本身或單設(shè)構(gòu)件，引下線可在葉片內(nèi)部通過銅芯導(dǎo)線

4、或直接利用葉片組件，與塔筒形成有效連接，為確保葉片能承受相應(yīng)的雷電流沖擊而不損壞,葉片材料應(yīng)符合下表要求。材料形狀最小截面積8）/mm2備注銅實心帶狀實心圓狀7）絞線實心圓狀3），4）505050200最小厚度 2 mm；直徑 8 mm；絞線每股的最小直徑為 1.7 mm直徑為 16 mm鍍錫銅實心帶狀實心圓狀7）絞線505050最小厚度 2 mm；直徑 8 mm；絞線每股的最小直徑為 1.7 mm鋁實心帶狀實心圓狀絞線705050最小厚度 3 mm；直徑 8 mm；絞線每股的最小直徑為 1.7 mm鋁合金實心帶狀實心圓狀絞線實心圓狀3）505050200最小厚度 2.5 mm；直徑 8 mm

5、；絞線每股的最小直徑為 1.7 mm；直徑為 16 mm熱鍍鋅鋼實心帶狀6）實心圓狀9）絞線實心圓狀3），4），9）505050200最小厚度 2.5 mm；直徑 8 mm；絞線每股的最小直徑為 1.7 mm；直徑為 16 mm不銹鋼實心帶狀6）實心圓狀6）絞線實心圓狀3），4)505070200最小厚度 2.5 mm；直徑 8 mm；絞線每股的最小直徑為 1.7 mm；直徑為 16 mm3.2、風塔的雷電防護金屬鋼構(gòu)組成的塔筒，可視為完善的法拉第籠，需進行等電位聯(lián)結(jié)，對進入塔內(nèi)以及引出到塔外部的電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)采取過電壓保護措施。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

6、結(jié)構(gòu)連接以外還應(yīng)有多條直接的電氣連接。為預(yù)防側(cè)擊雷的危害可在塔筒內(nèi)設(shè)置附加的垂直接地干線，此接地干線應(yīng)在塔筒鋼構(gòu)各段和底座處與塔筒相連并連接接地端子。塔筒內(nèi)各金屬構(gòu)件應(yīng)就近與塔筒或垂直接地干線作局部等電位聯(lián)結(jié)。3.3、塔筒內(nèi)發(fā)電設(shè)施的雷電防護3.3.1、總體要求低壓電氣系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)應(yīng)采用等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽與合理布線、增設(shè)SPD防護，將雷電磁場和電涌的威脅減少到最低水平，以減少或避免出現(xiàn)雷電電磁脈沖對設(shè)備的損害。3.3.2、等電位聯(lián)結(jié)風力發(fā)電機組的電氣和電子系統(tǒng)各組件的金屬外殼（風力發(fā)電機及其部件的外殼，變流器及其部件的機柜金屬外殼，開關(guān)柜、主控制柜、高低壓柜的金屬外殼，升/降壓變壓器金屬外

7、殼等）、各電氣和電子線路的屏蔽和金屬管道外壁應(yīng)在各防雷分區(qū)界面就近實行等電位聯(lián)結(jié)；金屬輪轂、輪轂罩、機艙的金屬底盤和機艙外殼的金屬構(gòu)架、全金屬的塔筒等可作為良好的等電位聯(lián)結(jié)母排。3.3.3、屏蔽和布線風力發(fā)電機組應(yīng)通過采取空間屏蔽（鋼構(gòu)塔筒）、內(nèi)部線路屏蔽（金屬屏蔽電纜、帶有電磁屏蔽功能的金屬網(wǎng)格式橋架并在首、末兩端接地）以及內(nèi)部線路合理布線措施（強電和弱電線路及信號線路應(yīng)分開敷設(shè)且保持足夠的安全距離），加之必要的等電位聯(lián)結(jié)，以減小雷擊產(chǎn)生的電磁場和系統(tǒng)內(nèi)感應(yīng)電涌的幅值，確保感應(yīng)電壓不超過電纜和所連接設(shè)備的承受水平。3.3.4、增設(shè)SPD防護根據(jù)風力發(fā)電機組電氣電子系統(tǒng)框圖和LPZ劃分原則，應(yīng)

8、在如下位置安裝SPD：a) 在每個LPZ的線路入口處安裝SPD：1) 在LPZ0進入LPZ1區(qū)處：應(yīng)選用用Iimp測試的SPD（類試驗），安裝在離LPZ1邊界盡可能近的地方；2) 在LPZ1進入LPZ2區(qū)或更高區(qū)處：應(yīng)選用用In測試的SPD（ 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：1) 非常敏感的設(shè)備；2) 與LPZ入口處SPD距離太遠的設(shè)備；3) 內(nèi)部干擾源產(chǎn)生的電磁場有威脅的設(shè)備。SPD的安裝位置示意圖c) 考慮風力發(fā)電機組安裝環(huán)境以及其高度使雷擊概率增大，可增大電涌保護器的相關(guān)技術(shù)參數(shù)(標稱放電電流（In）最大持續(xù)工作電壓（Uc）)來提

9、高其使用壽命。3.4、機械傳動與偏航機構(gòu)的雷電防護機械傳動與偏航機構(gòu)主要有：軸承、齒輪、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、火花間隙及滑動觸頭，一般情況下，雷擊葉片時產(chǎn)生的大部分雷電流都將通過以上機械構(gòu)件導(dǎo)入塔筒和大地。通過機械構(gòu)件傳導(dǎo)的強大雷電流通常會在機械構(gòu)上造成灼蝕斑點，但由于機械構(gòu)件的材料規(guī)格和特性使得雷擊損傷還不至于立刻對風電機組運行造成影響，但能夠引起噪聲、振動和增大機械摩擦等不利影響，從而導(dǎo)致縮短其的使用壽命。應(yīng)減少或降低甚至避免雷電流流過，一般采用旁路分流和或阻斷隔離相結(jié)合的防護方式，旁路分流是指在機械構(gòu)件前端設(shè)置一條或多條與其并行的低阻通道，并具有比被旁路的自然通路更小的阻抗值，阻斷隔離是指

10、在機械構(gòu)件到塔筒底板的電流通道中插入絕緣層。對于液壓系統(tǒng)中液壓管道應(yīng)將其敷設(shè)在鎧裝或金屬管道內(nèi)，鎧裝和金屬管道兩端應(yīng)連接至鋼結(jié)構(gòu)，做等電位聯(lián)結(jié)。鎧裝和金屬管道規(guī)格應(yīng)有足夠的厚度和截面積來抵抗雷電流的危害，避免因泄漏而引起火災(zāi)。機械構(gòu)建防護雷電流措施示意圖3.5、接地系統(tǒng)風塔接地系統(tǒng)由基礎(chǔ)接地極和外周的環(huán)形接地極組成，基礎(chǔ)接地極可利用風塔基礎(chǔ)鋼筋做自然接地體，環(huán)形接地極與基礎(chǔ)接地極多點可靠相連并連接到塔筒，塔筒外部設(shè)施就近與環(huán)形接地可靠焊聯(lián)，在高土壤電阻率地區(qū)（山地），應(yīng)采取措施如外引接地體、換土、使用長效降阻劑等方法降低接地電阻，將高頻和高能的雷擊過電壓和過電流泄入大地，確保發(fā)電風力設(shè)施的安全

11、和正常運行。4、升壓站（風電場集電系統(tǒng)）的雷電防護 4.1、直接雷的防護升壓站的直接雷防護采用四支接閃桿來防護，一般站內(nèi)建(構(gòu))筑物和相關(guān)設(shè)施總體高度不高，但四周較空曠，應(yīng)按二類防雷建筑物的要求來設(shè)計，可通過計算公式Rx=H(2Hr-H)-Hx(2Hr-Hx)（其中：Rx-接閃桿在Hx高度平面上的保護半徑M，Hr-滾球半徑M，Hx被保護物體高度M，H接閃桿的計算高度M）計算出H數(shù)值，確定接閃桿高度。為防止雷擊接閃桿所產(chǎn)生的高電位對周邊電氣設(shè)備的反擊現(xiàn)象，接閃桿可直接裝設(shè)在配電裝置的架構(gòu)上，也可設(shè)獨立接閃桿，但獨立接閃桿及其接地裝置與被保護建筑物及電纜等金屬物之間的安全距離不小于五米，主接地網(wǎng)與

12、獨立接閃桿的地下接地裝置安全距離不小于三米。接閃桿示意圖 4.2、過電壓防護、等電位連接和接地裝置及跨步電壓4.2.1、在集電系統(tǒng)的高壓側(cè)應(yīng)安裝氧化鋅避雷器，在集電系統(tǒng)的低壓側(cè)開關(guān)柜、控制柜、35千伏配電裝置控制室、SVG裝置控制室等配電裝置應(yīng)安裝浪涌保護器。4.2.2、等電位連接和接地裝置及跨步電壓集電系統(tǒng)的接地裝置采用鍍鋅圓鋼和鍍鋅扁鋼等材料制成環(huán)形接地網(wǎng)格，各配電設(shè)備及配電控制柜均應(yīng)就近連至環(huán)形接地網(wǎng)格，實現(xiàn)等電位連接，防止地電位反擊現(xiàn)象。為防止接觸電壓和跨步電壓對人身的安全危害，場地上應(yīng)采用礫石鋪設(shè)，接地體穿越道路時埋深應(yīng)不低于1米?；A(chǔ)接地極示意圖等電位連接及場地礫石層示例圖5、設(shè)備

13、控制室（繼電室）的雷電防護設(shè)備控制室設(shè)施圖5.1、設(shè)備控制室包含無功補償控制柜、UPS控制柜、通信及遠程監(jiān)控和控制柜、母線柜等等強弱電電子信息系統(tǒng)，主要功能是提供各回路、各環(huán)節(jié)、各自動化控制系統(tǒng)的監(jiān)控、控制、保護等作用。5.2、設(shè)備控制室的雷電防護設(shè)備控制室內(nèi)的電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、監(jiān)控及控制系統(tǒng)的雷電防護措施：將各柜體、設(shè)備和其他配套設(shè)施及金屬構(gòu)件等等實施等電位聯(lián)接，將各線纜合理布線和穿金屬管槽實施屏蔽，在各防雷分區(qū)交界處和設(shè)備前段增設(shè)電源和信號過電壓防護（即增設(shè)SPD），通過接地匯流排和等電位連接端子進行良好的接地，提高設(shè)備和系統(tǒng)的整體耐壓水平，將雷電感應(yīng)和閃電電涌的威脅降低到最低水平，保障設(shè)備和系統(tǒng)的正常運行（具體防護措施同“3.3塔筒內(nèi)發(fā)電設(shè)施的雷電防護”類似，為避免重復(fù)，故不詳