譚輝

摘要：根據(jù)中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)的數(shù)據(jù)，我國(guó)中東部和南部地區(qū)的低風(fēng)速風(fēng)資源可開發(fā)量可達(dá)10億千瓦，目前已開發(fā)的資源量約為6000 萬千瓦，不到7%，未來還有93%的資源量有待進(jìn)一步開發(fā)。中東部低風(fēng)速區(qū)，資源分布不連續(xù)，土地資源稀缺，充分利用風(fēng)資源的需求下，分散式風(fēng)電在中東部地區(qū)將成為集中式的重要補(bǔ)充。截至2017年底，我國(guó)分散式裝機(jī)占比不足2%，而我國(guó)18省市適合分散式開發(fā)模式，市場(chǎng)空間廣闊，分散式風(fēng)電未來是具有一定市場(chǎng)前景的。進(jìn)一步做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的防雷研究，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電公司能減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)的停機(jī)時(shí)間及能量的損失，有明顯的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；防雷；保護(hù)

引言

在當(dāng)前環(huán)境下，發(fā)展分散式風(fēng)電具有重要意義。一是有助于解決風(fēng)電介入對(duì)大電網(wǎng)的安全問題；二是分散式風(fēng)電都位于負(fù)荷中心附近，利于消納，避免了“棄風(fēng)”問題；三是解決了遠(yuǎn)距離輸送帶來的能源損耗問題。隨著發(fā)電技術(shù)水平的不斷提高，單機(jī)容量大型化成為風(fēng)力發(fā)電的趨勢(shì)，為了獲取更多的能量，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔架也建造的越來越高，相對(duì)的也增加了被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，雷擊成了自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害。雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。為了降低自然災(zāi)害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對(duì)性的雷電防護(hù)措施。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的介紹

風(fēng)力發(fā)電基本原理是：風(fēng)機(jī)葉片在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，并通過傳動(dòng)軸和變速箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生電力，然后經(jīng)過變壓、調(diào)頻等，再通過電纜送到外部電網(wǎng)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)接地由幾大部分組成：由風(fēng)機(jī)葉片、輪轂、機(jī)艙彎頭、偏航系統(tǒng)、變漿系統(tǒng)、塔架及控制系統(tǒng)組成的，能將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。

（1）、輪轂和葉片部分

負(fù)責(zé)吸收風(fēng)能，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。一般葉片由復(fù)合材料制成，重量輕，直接接觸雷云。

（2）、機(jī)艙部分

內(nèi)置變速箱、發(fā)電機(jī)組、和發(fā)電機(jī)電氣控制箱部分。電氣部分控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，偏航對(duì)風(fēng)，緊急情況下的剎車等。

（3）、塔筒和地基部分

為機(jī)艙、葉片等提供支撐，同時(shí)也是電纜走線和維修調(diào)試人員的通道，塔底開關(guān)柜控制電力的輸入和輸出。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備防雷的特殊性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷不同于普通的建筑物，它具有一定的特殊性，具體表現(xiàn)為下面的幾個(gè)特點(diǎn)：

2.1 所處的環(huán)境惡劣

風(fēng)機(jī)分散安置在曠野、山頂區(qū)域，大型風(fēng)機(jī)葉片高點(diǎn)（輪轂高度加風(fēng)輪半徑）達(dá)60～100 m，遭受雷擊概率高；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣絕緣低（發(fā)電機(jī)電壓690 V、大量使用自動(dòng)化控制和通信元件）。因此，就防雷來說，其環(huán)境遠(yuǎn)比常規(guī)發(fā)電機(jī)組的環(huán)境惡劣。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本高

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)的貴重設(shè)備，價(jià)格占風(fēng)電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機(jī)貴重部件遭受雷擊），除了損失修復(fù)期間應(yīng)該發(fā)電所得之外，還要負(fù)擔(dān)受損部件的拆裝和更新的巨大費(fèi)用。

2.3 停工期損失大

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常發(fā)電運(yùn)行期間，如遭受雷擊帶來的不僅僅是設(shè)備的損壞，還會(huì)造成大量的停工時(shí)間。根據(jù)實(shí)際工作統(tǒng)計(jì)表明，由于雷擊造成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)停工時(shí)間（這個(gè)停工時(shí)間主要是由電氣系統(tǒng)的檢修期、配件的定購(gòu)期和運(yùn)輸期等造成的），是風(fēng)力發(fā)電機(jī)各種故障中停工期最長(zhǎng)的故障。

3 雷電對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的危害

風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常位于開闊的區(qū)域，而且很高，所以整個(gè)風(fēng)機(jī)是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片高度達(dá)到150m以上，因此風(fēng)機(jī)的葉片部分特別容易被雷電擊中。風(fēng)機(jī)內(nèi)部集成了大量的電氣、電子設(shè)備，例如開關(guān)柜、馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)裝置、變頻器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及相應(yīng)的總線系統(tǒng)等。這些設(shè)備都集中在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)。毫無疑問，雷電感應(yīng)及過電壓可以給風(fēng)電機(jī)組帶來相當(dāng)嚴(yán)重的損壞。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)

風(fēng)機(jī)的防雷是一個(gè)綜合性的防雷工程，防雷設(shè)計(jì)的到位與否，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)在雷雨天氣時(shí)能否正常工作，并且確保風(fēng)機(jī)內(nèi)的各種設(shè)備不受損害等。

4.1直擊雷防護(hù)措施

在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機(jī)艙的外部（包括機(jī)艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應(yīng)屬于LPZ0 區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞擊）或不遭受直擊雷但電磁場(chǎng)沒有衰減的部位。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用性質(zhì)及其重要性，參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》50057-2010）關(guān)于建筑物的防雷分類，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)劃分為二類防雷建筑。

參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010 及《微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》YD2011-93 相關(guān)條款，風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷接地電阻不能小于5Ω。

4.1.1葉片的防雷保護(hù)

直擊雷的防護(hù)在沒有技術(shù)突破的前提下仍然沿用傳統(tǒng)的防雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護(hù)物受雷擊，以達(dá)到保護(hù)。這就要求風(fēng)機(jī)的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導(dǎo)電性能良好、自身重量輕的類似于碳纖維的材料，用單獨(dú)的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個(gè)良好的通道。

4.1.2機(jī)艙的防雷保護(hù)

機(jī)艙主機(jī)架除了與葉片相連，還連接機(jī)艙頂上接閃桿，接閃桿用作保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)免受雷擊。主機(jī)架再連接到塔架和基礎(chǔ)的接地網(wǎng)，有接閃桿的保護(hù)，可以迅速導(dǎo)走直擊雷，避免機(jī)艙遭到直擊雷的襲擊。

4.1.3塔架及引下線

專設(shè)的引下線連接機(jī)艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環(huán)，機(jī)艙和偏航剎車盤通過接地線連接，因此，雷擊時(shí)將不受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。此外，設(shè)計(jì)下引線時(shí)，應(yīng)考慮到，雷電流的傳輸不應(yīng)使葉片的溫度超過允許值。

防雷接地電纜應(yīng)有2 根接地引下電纜，即為葉片防雷接地電纜，直接從主軸滑環(huán)引入塔筒地基的2 個(gè)相鄰接地點(diǎn)；機(jī)艙防雷及 PE，直接從主軸滑環(huán)引入塔筒地基的其余的2個(gè)相鄰接地點(diǎn)。

4.1.4接地網(wǎng)

接地網(wǎng)設(shè)在混凝土基礎(chǔ)的周圍，并在塔基四周設(shè)置4個(gè)接地點(diǎn)，并應(yīng)在接地導(dǎo)體與塔基中間加上兩個(gè)環(huán)導(dǎo)體，使跨步電壓更加改善。風(fēng)機(jī)一般放置在高地電阻區(qū)域，地網(wǎng)要延伸保證接地電阻達(dá)到設(shè)備本身要求及規(guī)范要求。一個(gè)有效的接地系統(tǒng)，應(yīng)保證雷電迅速入地，為人員和設(shè)備提供最大限度的安全，以及保護(hù)風(fēng)機(jī)部件不受損壞。

4.2等電位連接

等電位連接是內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)機(jī)中的各個(gè)部分需要有一個(gè)等電位連接。這些等電位可以防止發(fā)生雷擊時(shí)產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓，設(shè)備的等電位連接可以減少雷電對(duì)電氣和電子系統(tǒng)的損壞。

機(jī)艙外殼應(yīng)采用鋼板制成，作為承受直擊雷的載體，在機(jī)艙的上方安裝幾支接閃桿，防止雷電發(fā)生繞擊和側(cè)擊時(shí)，穿透機(jī)艙，對(duì)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備造成損壞。如果機(jī)艙外殼為復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)在機(jī)艙外面敷設(shè)金屬網(wǎng)格，兼作接閃器和屏蔽之用。網(wǎng)孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計(jì)算，加大金屬網(wǎng)格的密度和鐵絲的直徑。

風(fēng)輪與機(jī)艙間、機(jī)艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應(yīng)通過鉚接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨(dú)的多股塑銅線（截面不小于16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03Ω。以上各部件連接為一個(gè)電氣的整體，使之遭受雷擊時(shí)，能有一個(gè)快速的通道沿塔身引入接地裝置。

4.3 屏蔽措施

屏蔽裝置可以消弱電磁干擾。機(jī)艙應(yīng)該制成一個(gè)封閉的金屬殼體，相關(guān)的電氣和電子器件都裝在開關(guān)柜，開關(guān)柜和控制柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在塔基和機(jī)艙的不同設(shè)備之間的線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層，且金屬屏蔽層的兩端均應(yīng)與等電位連接端子相連接。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)為高聳塔式結(jié)構(gòu)，非常緊湊，發(fā)電機(jī)、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都靠近塔壁，無論風(fēng)輪、機(jī)艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)等設(shè)備可能受到機(jī)艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。電力和信息回路由機(jī)艙到地面并網(wǎng)柜、變流器、塔底控制柜處應(yīng)采取屏蔽電纜外，還應(yīng)穿入金屬接地套管，使反擊率降低。

各電氣柜采用金屬薄板制作，可以有效地防止電磁脈沖干擾，在電源控制系統(tǒng)的輸入端，處于暫態(tài)過電壓防護(hù)的目的，采用壓敏電阻或暫態(tài)抑制二極管等保護(hù)設(shè)備與屏蔽系統(tǒng)連接，每個(gè)電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。

4.4 過電壓保護(hù)

對(duì)于防雷保護(hù)區(qū)邊界處的傳導(dǎo)性干擾也需要有相應(yīng)的保護(hù)措施，這樣才能讓電氣和電子設(shè)備可靠的工作。在防雷保護(hù)區(qū)的邊界處必須使用浪涌保護(hù)器，它不僅可以泄走大部分的雷電流而不會(huì)損壞設(shè)備，也可以將金屬設(shè)施和電源、信號(hào)線路之間由雷電引起的高電位差限制在安全的范圍之內(nèi)。

根據(jù)建筑物信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)確定雷電防護(hù)等級(jí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備可以定為B級(jí)防護(hù)。在被保護(hù)的設(shè)備處加裝三級(jí)浪涌保護(hù)器。第一級(jí)采用開關(guān)型的電涌保護(hù)器，第二級(jí)和第三級(jí)采用限壓型的電涌保護(hù)器。

在發(fā)電機(jī)、開關(guān)盤等電源線路采用電源浪涌保護(hù)器保護(hù)。在控制器模塊電子組件、信號(hào)電纜終端等，采用信號(hào)浪涌保護(hù)器保護(hù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)艙彎頭內(nèi)部的機(jī)艙柜、液壓站、電氣控制柜、塔筒內(nèi)底部的箱變、風(fēng)速風(fēng)向儀、變頻控制柜、變漿控制柜、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)、發(fā)電機(jī)的定子側(cè)等部位都必須安裝浪涌保護(hù)器。

1）箱變的電源進(jìn)線端與出線端應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；相關(guān)的傳感器二端應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；

2）變頻控制柜的電源線路上應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；相關(guān)的通信線路的二端應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；

3）機(jī)艙彎頭內(nèi)部所有電氣控制柜內(nèi)部的電源及信號(hào)線均應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；

4）變漿控制柜內(nèi)的電源及信號(hào)均應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；

5）風(fēng)速、風(fēng)向儀的電源及信號(hào)二端均應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；

6）機(jī)艙外部的吊裝設(shè)備的電源及信號(hào)二端均應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器；

7）發(fā)電機(jī)的定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)及至變頻柜端均應(yīng)安裝浪涌保護(hù)器。

為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設(shè)備，供電回路建議采用TN-S供電方式。

以上防護(hù)采用三級(jí)防護(hù)的原則，在易遭受直擊雷的部位加裝通過Ⅰ級(jí)分類試驗(yàn)的電源浪涌保護(hù)器，在艙底的設(shè)備柜內(nèi)加裝通過Ⅱ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器，在弱點(diǎn)設(shè)備的電源處還應(yīng)加裝通過Ⅲ級(jí)分類試驗(yàn)的浪涌保護(hù)器，使設(shè)備得到充分的保護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

雷電能量非常巨大，雷擊方式是復(fù)雜的，采用合理適當(dāng)?shù)姆览状胧┲荒軠p少損失，只有更多新技術(shù)的突破和應(yīng)用才能對(duì)雷電進(jìn)行完全防護(hù)并加以利用。通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)設(shè)備的防雷研究，為進(jìn)一步做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的防雷以及對(duì)于制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電災(zāi)害防御、應(yīng)急預(yù)案，制作防雷設(shè)計(jì)方案等有指導(dǎo)和實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

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