风电机组综合防雷.docx

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风电机组综合防雷

风电机组综合防雷

风电机组都设置在风力强大、雷电多发的海岸、丘陵、山脊等地区的制高点，并远离其它高大物体，因此更易遭受雷击。

风电机组由于其自身的特殊性，也出现了其它建筑物不曾有的防雷难点：

——风电机组是高度超过120m的高大构筑物;

——风电机组的许多暴露部件，如叶片和机舱盖往往由不能承受直击雷或传导直击雷电流的复合材料制成;

——叶片和机舱是旋转的（不利导流）;

——风电场中的风电机组往往位于接地条件不好的区域。

综合防雷措施

从分析风电机组遭受雷击事故呈现出来的现象来看，原因多种多样：

1我国地域辽阔，各风电场所处的地理位置不同，风电机组所处的雷电环境也千差万别。

即使是在同一个风电场，安装在不同位置的风电机组遭受雷击的概率也不相同。

2在实际的设计施工中，往往是同一个防雷设计方案应用到不同雷电环境下的风电机组上。

3由于没有根据风电机组的实际情况选择合适的SPD，没有达到预期的电涌防护效果。

因此风电机组的雷电防护必须结合风电机组的特点、

风电场的实际情况进行全面的考虑，按照防直击雷、防雷电电磁脉冲的方法设计一个综合的防雷系统工程，风电机组综合防雷系统包括如图1所示的六个方面。

一、直击雷防护

风电机组易接闪的部位主要是叶片、机舱和其上的测风、测温等设备以及塔身。

本章重点要讨论的是，如何从整体考虑的区域防雷来防止或减少风电机组遭受直击雷。

区域防雷主要思想是：

依据雷击选择性、雷击电气-几何模型的理论以及“双极接闪针”能减少被保护物雷击几率的特性，将整个风电场看做一个整体，在风电场适当位置设置数个独立接闪针塔，机舱尾部上方安装一只“双极接闪针”。

将风电场区域内强度大的雷电吸引到接闪针塔上，减少强度大的雷电击中风电机组的概率。

根据雷击选择性，在一定区域内，在地面电场强度越大的地方，雷击越易发生。

通过架设的独立接闪针塔与机舱尾部上方安装的“双极接闪针”相配合，在雷云接近机组时，独立接闪针塔顶处的电场强度远远高于风电机组上的电场强度，这就达到让雷击发生在接闪针塔上的目的。

当然，这一方法中独立针塔在风电场中架设的位置选择非常关键，需要对风电场的自然条件及雷电活动规律进行调查，根据风电场的气象、地理、风电机组布局和防护成本等实际情况来综合考虑。

图2为山区风电场接闪针塔布置示意图。

二、等电位连接

等电位连接的目的是为了防止和减小设备、系统之间危险的电位差，确保设备和操作人员的安全。

（一）机舱等电位连接

目前多数风电机组机舱处采取的等电位连接措施，是在机舱内为形成一个可靠的等电位连接系统，设置总等电位接地端子板，其与机舱金属底座连接;机舱内各种电气设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆金属屏蔽层、SPD接地端、机舱接闪器引下线与机舱内总等电位接地端子板连接;叶片雷电引下线通过滑环与机舱底座连接。

上述等电位连接措施虽然能达到防止和减小设备、系统之间危险电位差的目的，但是这种连接方式，却存在将部分雷电流引入机组电气系统的危险，从而导致接触器和可控硅直接损坏，或导致接触器及可控硅频繁动作引起接触器触头拉弧烧蚀、可控硅损坏、补偿电容器击穿，甚至在母排间出现拉弧现象。

机舱等电位连接系统建议采用如图3的结构。

在风电机组机舱内设置一机舱电气设备总等电位接地端子板，其与机舱金属底座绝缘，由塔底接地装置引一根绝缘铜芯导线（PE线）连接到机舱总等电位接地端子板上;SPD接地端、屏蔽线缆金属屏蔽层连接到接地端子板上。

各种电气设备的金属外壳、机柜、机架、机舱避雷针引下线与机舱金属底座连接;叶片雷电引下线通过滑环与机舱金属底座连接。

机舱电气设备总等电位接地端子板与机舱金属底座之间，用放电间隙等电位连接器连接。

此方法的优点在于：

采用放电间隙等电位连接器将外部的直击雷电流泄流途径与机组内部的感应雷电流泄流途径隔离开。

当外部泄放的雷电流强度足够大时，放电间隙等电位连接器瞬间近似短路，将设备、系统之间的电位差箝位在较低的水平，经过等电位连接器的雷电流大部分也将会沿着PE线到塔底接地装置泄放入地，机组电气、电子系统遭受雷电损害的可能性随之可以大大降低。

（二）塔筒底部等电位连接

塔底等电位连接系统应采取如图4的结构。

塔筒底部应设置塔底总等电位接地端子板，其通过扁钢或铜芯电缆与设在塔筒水泥基础外的环形地网可靠连接，扁钢或铜芯电缆在穿越塔筒水泥基础时，应与水泥基础内的钢筋绝缘。

塔筒底部的各种电气设备的金属外壳、机柜、机架、屏蔽线缆金属屏蔽层、SPD接地端等均应与总等电位接地端子板进行等电位连接。

各电气设备和机组控制柜箱体应以最短的距离通过单独的接地线与总等电位接地端子板连接。

三、屏蔽、布线

机舱外壳一般采用玻钢材料制成，对雷电电磁脉冲没有屏蔽作用，为改善机舱电磁环境，考虑到施工可行性，建议在制造机舱壳体时在壳体内表面嵌入金属网，在机舱壳体边缘铺设金属带与金属网相连，在总装时直接通过螺栓与机舱金属座连接。

各种线缆应尽量选用带有屏蔽层的线缆，机舱到塔底的信号线路应采用光纤，这样可以减少雷电电磁脉冲对线路的影响。

如果没有屏蔽层或线缆的屏蔽效果不佳，则应考虑将线缆尽量穿金属管（槽），塔与地面变电站之间的线路还需埋地敷设，屏蔽网（管、槽）应与等电位接地端子板连接。

合理布线能够最大限度地减少感应回路，有效降低系统线间、线地间因电磁感应现象在相互间耦合的过电压，减小内部浪涌。

四、接地系统

雷电流泄放入地时，接地电阻越小，雷电过电压越低，雷电流散流越快，被雷击物体高电位保持时间越短，其跨步电压、接触电压也相应得到降低。

通常情况下，风电机组的接地电阻应≤4Ω，在土质条件较好的风电场，机组接地电阻值应尽可能小。

风电机组应共用一组接地装置，这样可以消除各系统间的高电位差，防止各接地系统之间发生高电位反击。

共用接地装置见图5所示。

共用接地装置应充分利用塔基钢筋，在距风电机组塔基边缘5m以上设置一圈垂直接地体并用扁钢连接，垂直接地体距地面1m埋设，此圈环形地网与塔基钢筋至少四处连接，其作用是降低地网电阻、均压以及为风电机组系统提供PE线接地。

如果接地电阻值还达不到要求，则应向外敷设延伸接地极。

为防止塔身泄流时在PE线上感应雷电流，PE线由地网外围宜穿钢管埋地接到塔底等电位接地端子板上，从该端子板连接到机舱接地端子板的PE线采用屏蔽电缆，屏蔽层在塔底处就近与塔基钢筋连接。

五、风电机组电涌防护

电涌防护是综合防雷的重要组成部分，如何根据风电机组的实际情况选择合适的SPD，则是确保电涌防护方案安全性、有效性的重要保障。

（一）电源SPD选择原则

直驱和双馈系统虽然在电气配电结构方面有较大差异，但是对于电涌防护来讲，双馈的电涌防护也适用直驱系统，因此我们以双馈系统的防护方案为例进行详细介绍。

对于防护转子SPD的选择，需要重点了解如下参数：

L-L、L-Earth的最大电压和公差、最大频率、短路电流。

发电机励磁电路特性和SPD的示例见表1，双馈风电机组转子侧保护SPD安装示意图见图6。

由于L-PE之间会反复出现1.7kV、陡度为1.4kV/μs的瞬时电压，如果SPD导通电压低于该值，就会出现频繁导通的情况，从而加快了劣化、缩短寿命，因此用于转子L-PE保护的SPD导通电压>1.7kV,对于低压SPD，MOV的最高标称导通电压为1620V-1980V，所以单独采用MOV的SPD已无法满足防护安全需要，为了达到防护需求，现采用L-PE之间采用压敏串联气放管的方式，来提高导通电压，避免上述现象的发生。

发电机转子侧的防护产品推荐配置见表2。

发电机定子及变流器电网侧的防护相关参数和安装图见表3和图7。

发电机侧定子一般采用IT系统，电网侧一般采用TN-C或者IT系统，SPD的UC的选取主要是参照IEC61643-12：

2008中6.2.1.1。

IT系统中，L-PE的Uc=UL-L，由于UL-L=690V±10%,Uc可选择750V;在并网侧，参照GB50057-2010中4.3.8第4款的规定，每一保护模式的冲击电流当无法确定时应取≥12.5kA的T1类SPD，同时根据GB50343-2012《表5.4.3-3电源线路浪涌保护器冲击电流和标称放电电流参数推荐值》，也可采用≥50kA的T2类SPD,因此对于TN-C系统Uc可选择为440V，IT系统Uc可选择750V。

发电机定子、变流器电网侧的防护产品推荐配置见表4。

低压控制电源系统一般都处于LPZ1、LPZ2或者后续防雷区，根据GB50343-2012表5.4.3-3，LPZ1-LPZ2的配电箱可选择≥10kA的T2类SPD，LPZ2-LPZ3的配电箱，可选择≥3kA或者≥6kV/3kA的T2或者T3类SPD。

控制电源系统的防护产品推荐配置见表5。

信号线路SPD应根据线路的工作频率、传输速率、工作电压、接口形式等参数，选择插入损耗小、分布电容小、并与纵向平衡、近端串扰指标适配的SPD。

信号线路SPD的雷电防护区划分及配置示意图见表6（GB50543-2012表5.4.4）。

根据图8（IEC61400-24:

2010）中风电机组防雷区的划分，风向标、风速仪处于LPZ0区，因此采集线路进入PLC的输入端，应该配置D1类信号SPD。

信号线路SPD产品推荐配置见表7。

变浆柜控制系统处于LPZ1-LPZ2的边界，因此选择C2类信号SPD。

结语

风电机组由于其自身的特点，所以造成的雷击现象非常严重。

因此如何做好风电机组的综合防雷显得非常重要，雷电防护重点主要体现在直击雷防护、控制系统防雷以及等电位连接和接地。

本文重点介绍了如何针对以上几个方面进行雷电防护措施。

总之，只有各专业厂家一起相互协作、配合，做好雷击事故的统计、分析，根据风电机组的实际情况，制定合适的综合防雷方案，才会大大降低雷击故障造成的电力损失和停机故障。