风机防雷技术措施

风机防雷技术措施

国华河北分公司冰峰风电场

二〇一三年六月一日

风机防雷及电涌保护

1 雷电和电涌的产生及危害

电涌电压是持续时间极短，有陡峭上升沿的脉冲电压或瞬态电压。通常是由闪电放电、电气系统的开关操作和静电放电而引起。可以通过电流、电感或电容等耦合途径由电源、测量设备或数据传输系统进入电气设备或电子设备的内部。

随着现在电子设备的集成化程度越高，其耐过压的强度就越低。如果没有限压和泄流保护措施，闪电放电所包含的能量可能会给建筑物或工业装置带来极大的损坏（如：建筑物毁坏、设备毁坏、系统停顿或控制系统失灵、数据丢失、收益率下降等），即使电气或电子设备已经通过了CE认证所要求的耐压试验（IEC61000-4-5）仍然不能保证避免强电磁干扰（EMC）造成的损坏。

2 雷电放电的分类及其防护

雷电放电通常可分为直击雷、感应雷、雷电侵入波和球形雷四种。下面主要介绍前两种雷电放电的防护。

1）直击雷防护：是保护建筑物本身不受雷电损害，以及减弱雷击时巨大的雷电流沿着建筑物泄入大地时对建筑物内部空间产生的各种影响。直击雷防护主要采用独立避雷针（矮小建筑物）。建筑物防直击雷措施应采用避雷针、带、网、引下线、均压环、等电位、接地体。

2）感应雷的防护：措施是对雷云发生自闪、云际闪、云地闪时，在进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲起限制作用，从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。采取的措施应根据各种设备的具体情况，除要有良好的接地和布线系统，安全距离外，还要按供电线路，电源线、信号线、通信线、馈线的情况安装相应避雷器以及采取屏蔽措施。

3 防雷区的划分及特征

防雷区（LPZ）是闪电电磁环境需要限定和控制的那些区。它的任务是将电磁场和来至发射源的电磁干扰减小到限定值。

根据IEC61312-1标准，防雷区分为LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2等。各防雷区的特征是：

LPZ0A区：本区内的各物体都可能遭到直接雷击，因此可能传导全部雷电流。本区内的电磁场没有衰减。

LPZ0B区：本区内的各物体不会遭到直接雷击，但本区内电磁场没有衰减。 LPZ1区：本区内的各物体不会遭到直接雷击，流经各导体的电流，比LPZ0B区进一步减小，本区内的电磁场也可能衰减，这取决于屏蔽措施。

LPZ2区（后续防雷区）：在电缆从一个防雷区通到另一个防雷区处，必须在每一交界处进行等电位连接。LPZ2是在这种方式下构成的，使雷电流不能导入此空间，也不能从此空间穿过。

下面以风力发电机组为列（见下图）：

1）防雷区LPZ0A和LPZ0B包括以下部位

①风轮叶片，包括风轮轮毂及其内部器件（传感器、调节器等）。 ②机舱罩的外部器件。

③无金属罩的机舱内的所有设备（发电机、辅助传动装置、电缆、传感器和调节器），金属开关柜的外部部件，非金属开关柜的内部部件。 ④测风设备的传感器。

⑤非金属塔架或没有按照标准配备钢筋连接件的混泥土塔架。

⑥无屏蔽措施的操作间和变电站的内部，以及在无屏蔽措施情况下风力发电机组和操作间或变电站之间埋在土壤中的电缆连接线或架空线。

2）防雷区LPZ1包括以下部位

①采用了有效雷电导引和屏蔽措施的风轮叶片的内部，包括风轮轮毂（传感器、调节器等）

②具有相应的雷电导引措施的全金属覆盖的机舱罩内部。

③所有金属包层的设备的内部，如以适当方式连接到一个等电位连接系统（例如作为等电位基准的机器底座）。

④屏蔽电缆或处于金属管中的电缆，屏蔽网或金属管两端已作等电位连接。 ⑤装上避雷针和适当避雷导体的测风设备的传感器。

⑥金属塔架或混泥土塔架的内部，混泥土塔架的钢筋应按照使用的标准设计并连接基础接地体。

⑦操作间和变电站的内部，用钢板覆盖或有屏蔽措施（所有各侧与基础接地体或环形接地体相连的钢筋，金属门或带金属丝网的窗。）

4 避雷器种类及接线要求

避雷器的种类基本上分三大类型：一是电源避雷器（安装时主要是并联方式，也串联方式），按电压的不同，分22V的单相电源避雷器和380V的三相电源避雷器。二是信号型避雷器，多数用于计算机网络、通信系统上，安装的方式是串联。三是天馈线避雷器，它适用于有发射机天线系统和接收无线电信号设备系统，连接方式也是串联。

建筑物屋顶上装有风机、热泵、航空灯等电气设备时，把设备外壳与避雷带

连成一体这是通常的做法，但往往忽视了重要的一点：即这些电气设备的电源线未加防护不能直接与配电装置相连接。

GB50169-92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》第2.5.3条作了如下规定：装有避雷针和避雷线的构架上的照明灯电源线必须采用直埋于土壤中的带金属护层的电缆或穿入金属管的导线，电缆的金属护层或金属管必须接地，埋入土壤中的长度应在 10m 以上，方可与配电装置的接地网相连或与电源线、低压配电装置相连接。

如果与避雷装置连成一体的电气设备的电源线，未加防护直接与低压配电装置相连接．当遭到雷击时，雷击引起的高电位就会通过电源线传到其它低压配电装置上。

与屋顶避雷装置已连成一体的电气设备的外壳，如再与屋内的接地线相连是更严重的错误。因为屋顶遭到雷击时，雷电流就会从避雷带→屋顶电气设备外壳→屋内电气设备外壳，使屋内电气设备外壳出现高电位，这是极其危险的。因此屋顶电气设备的外壳已与避雷装置连成一体后，不允许再与屋内接地线相连。

5 避雷器分级及保护原理

IEC61312定义了防雷的保护分区，根据保护分区的要求需要在每个分区的交 界处安装相应的防雷器，在LPZ0B与LPZ1区的交界处安装B级（即首级）防雷器，在LPZ1与LPZ2区的交界处安装C级（即次级）防雷器，在LPZ2区内的设备前端安装D级（即末级）防雷器。其工作原理是：利用分级的防雷器，层层泄放雷电或感应过电压，逐级减低浪涌电压，从而保护用户端设备。

B级防雷器一般采用具有较大通电流的防雷器，可以将较大的雷电流泄放入 地，达到限流的目的，同时将危险的过电压减小到一定的程度。

CD级防雷采用具有较低残压的防雷器，可以将线路中剩余的雷电流泄放入 地，达到限压效果，使电压能减小到设备能承受的水平。

6 接地的分类及要求

接地的种类除防雷接地外，还有交流工作接地、保护接地、直流接地、过电压保护接地、静电接地、屏蔽接地等等。

电子设备的接地方式有独立地和合设地。独立地的接地电阻值除另有规定外，一般不大于4欧，并采用一点接地方式。电子设备接地宜与防雷接地系统共设，但其接地电阻不宜大于1欧。若与防雷地分设，两接地系统的距离不宜小于20米。

为了将雷电流流散入大地而不会产生危险的过电压，应注意接地装置的形状和尺寸设计，并应有低的接地电阻，其工频接地电阻一般应小于4欧，在土壤电阻率很大的地方可以放宽到10欧一下。

从防雷观点出发，风力发电机组宜设一共用接地装置，供所有接地之用（如防雷、电气系统、通讯系统）。对由于其他原因必须分开装设的基地装置，应采用等电位连接，连接到共用接地装置上。

应采用接地体型式中的一种或几种组合，一个或多个环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直（或斜形）接地体。

7 风力发电机组中的防雷要求

风力发电机组都是安装在野外广阔的平原地区，风力发电设备高达几十米甚 至上百米，导致其极易被雷击并直接成为雷电的接闪物。由于风机内部结构非常紧凑，无论叶片、机舱还是尾翼受到雷击，机舱内的电控系统等设备都可能受到机舱的高电位反击。在电源和控制回路沿塔架引下的途中，也可能受到高电位反击。实际上，对于处于旷野之中高耸物体，无论怎么样防护，都不可能完全避免雷击。因此，对于风力发电机组的防雷来说，应该把重点放在遭受雷击时如何迅速将雷电流引入大地，尽可能地减少由雷电导入设备的电流，最大限度地保障设

备和人员的安全，使损失降低到最小的程度。

可按IEC62305-1标准，以被保护的风力发电机组遭受直接雷击的预计频率和 年允许落闪次数为依据，确定风力发电机组的保护等级，进而确定相应的保护设备。

风力发电机组应达到下列最低保护等级：

1）轮毂高度不超过60m的风力发电机组：保护等级Ⅲ/Ⅳ。 2）轮毂高度60m以上的风力发电机组：保护等级Ⅱ。

8 风力发电机组中的防雷和过电压保护设计

1）风力发电机组的雷电接受和传导途径

雷电由在叶片表面接闪电极引导，由雷电引下线传到叶片根部，通过叶片根部传给叶片法兰，通过叶片法兰和变桨轴承传到轮毂，通过轮毂法兰和主轴承传到主轴，通过主轴和基座传到偏航轴承，通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。

2）外部直击雷的保护设计

① 叶片：叶片防雷系统包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导 引线（见下图1）。雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位（见下图2），接闪器可以经受多次雷电的袭击，受损后也可以更换。雷电传导部分在叶片内部将雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。

图1

图2

②机舱：机舱主机架与叶片、机舱顶上避雷棒连接，再连接到塔架和基础的 接地网。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统的传导。机舱上层平台为钢结构件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。

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。

④接地网：接地网设在混凝土基础的周围。接地网包括1个50 mm2铜环导体， 置在离基础1 m地下1 m处；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架2个相反位置，地面的控制器连接到连点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域,地网将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电入地，为人员和动物提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。

3）内部防雷（过电压）保护系统

为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备如：金属构架、金属装置、电 气装置、通讯装置和外来的导体应作等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过接入点传输到接地网

① 等电位汇接：风速计、风标和环境温度传感器在机舱内一起等电位接地； 机舱的所有组件如避雷针、主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位；主空开进线电缆接地线与控制柜、变压器、电抗器在塔底接地汇流排上作等电位连接；地面开关盘框由一个封闭金属盒，连接到地等电位。

②隔离：在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接；对处理 器和传感器，分开供电的直流电源。

③过电压保护设备：在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信号电缆终 端等，采用避雷器或压敏块电阻的过电压保护。

9 塔底及其他设施的防雷 1）塔底防雷

①变流器到机舱发电机转子的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源避雷器（In：40KA）和通过一级分类试验的电源避雷器（Imax：100KA）。 ②并网柜到发电机定子之间的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源避雷器（In：40KA）和通过一级分类试验的电源避雷器（Imax：100KA）。 ③塔底的620V电网进线侧和变压器输出400V侧安装B级SPD以防护直接雷击，同时做好风机的接地系统。 2）与发电机分开的操作间或变电站

①为使操作间或变电站内达到LPZ1防雷区，一般这些设施可用薄钢板建造，或选择无窗的钢筋混泥土建筑物。混泥土建筑物所有面（地板、天花板、墙壁）均应含有钢筋，以作为屏蔽措施。其入口处应安装诸如薄钢板、铝或细金属丝网做成的屏蔽门。

②如建筑物位于塔的附近，有可能受到直接雷击（根据雷电滚球法检查），建筑物应按照GB50057或等效标准装设避雷针和引下线，并连接到接地体。

③基础接地体和环形接地体应进入室内一点，并接到等电位连接带。 ④独立建筑物的接地体应连接到塔架接地体和场地其他的接地体。 3）塔架和独立建筑物之间敷设电缆的连接

为了保持一个连续的LPZ1防雷区，在塔架和独立建筑物之间应提供一条屏蔽的电缆线路。

可采用下列屏蔽方法：

①屏蔽电缆，其两端接到等电位连接的屏蔽网。 ②两端接到等电位连接的金属管。

③接到塔架和其他建筑物接地体的钢筋管道。 4）独立建筑物内的开关柜

开关柜的每个面均应用薄钢板做成，并接到等电位连接带。如不需防雷区界面连接或开关柜的各单元符合规定的防雷区条件（如通过金属封装），则开关柜也可不用薄钢板封装。

10 相关资料

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