风力发电机组的综合防雷探讨

风力发电机组的综合防雷探讨

【摘 要】由于风力发电机组安装环境地势开阔，室外风机主体较高，极易遭受雷击。同时，室内的各种电子控制设备、信息系统也易遭受雷电电磁脉冲的侵害。本文从风力发电机组综合防雷的角度出发，讨论了风力发电机组的直击雷防护、接地、等电位连接和雷击电磁脉冲防护等防雷基本措施，从而保障了工作人员生命财产安全和风力发电机组的运行安全。

【关键词】风力；发电机组；综合防雷

1 引言

随着世界经济的快速发展，能源需求增长，矿物能源日渐枯竭，环境保护高度重视，对干净环保的新能源—风力资源的开发利用，越来越受到国际社会的重视。风能是当前技术最成熟、最具备规模开发的可再生洁净能源。我国的内陆沿海地区已建成投产了多个大规模风力发电场。

现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，风机高度和叶轮直径随着增高，相对的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。所以应充分重视雷击给风力发电机组运行和工作人员带来的巨大威胁。风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计到位与否，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。

2 直击雷防护

2.1风机防雷类别确定

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》50057-94（2004版）关于建筑物的防雷分类，风力发电机的防雷设计可参照二类防雷建筑。

2.2防雷分区

国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZ0 区，LPZ1 区，LPZ2 区。对风力发电机而言，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；机舱内、塔架内的设备应属于 LPZ1 区，塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分应属于 LPZ2。

2.3 直击雷防护措施

在 LPZ0 区内，直击雷的防护仍然沿用传统的富兰克林避雷方法，以自

身代替被保护物受雷击，以达到保护避雷的目的。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，为雷电流泄放提供一个良好的通道。

2.4 侧击雷防护措施

当滚球半径为45米，在雷电流大于10.1KA的情况下，接闪器能够对闪击起到拦截作用；当雷电流小于10.1KA时，雷闪会发生绕击；如果被保护物自身的高度超过45米，还会发生侧击，即雷闪可能击在塔身上（塔身高约80米）。因此塔身的雷电防护也需要额外注意，因为当发生侧击时，塔身不仅承担引下线的作用，同时也承担接闪的作用。

2.5风机接地

参照《建筑物防雷设计规范》及《建筑物电子信息系统防雷技术规范》相关条款，风力发电机防雷接地电阻不能大于4Ω。

接地网包括1个50 mm2铜环导体，设置在离基础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；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。

3 等电位连接

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。通过屏蔽计算在机舱外面敷设规格合适的金属网格，兼作接闪器和屏蔽之用。同时在控制室设金属屏蔽网或金属屏蔽室，网、室应与等电位接地端子板连接。金属导体，电缆屏蔽层及金属线槽（架）等进入机房时，应做等电位连接。

4 电子信息系统防护

4.1电磁屏蔽

电力和信息回路线缆由机舱到地面网柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆或穿入接地铁管，使反击率降低。各回路应在柜内采取相应的防雷击电磁脉冲措施。

对发电机系统，继电保护和控制系统、通信和信号以及计算机系统都应安装相应的电涌保护器（SPD）加以保护。各电气柜应采用金属薄板制作，并将每个电控柜用不小于16mm2 的多股塑铜线与接地端子连接，这样可以有效地防止电磁脉冲干扰

4.2机舱内各种机柜的防护

各种机柜内的进线、出线处通过雷击风险评估后，根据评估结果进行设计，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。且各参数必须符合规范要求的最小值。

4.3 塔底设备柜的防护

在易遭受直击雷的部位加装通过一级分类试验的电源避雷器，在舱底的设备柜内加装通过二级分类试验的电源避雷器，在弱点设备的电源处还应加装通过三级分类试验的电源避雷器，使设备得到充分的保护。在采取三级保护措施的同时，还应注意各级SPD能力匹配的问题，根据规范要求，当电压开关型浪涌保护器至限压型浪涌保护器之间的线路长度小于10m、限压型浪涌保护器之间的线路长度小于5m时，在两级浪涌保护器之间应加装退耦装置。

参考文献：

[1]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343-2004）

[2]《电子设备雷击保护导则》（GB7450-87F）

[3]《雷电与避雷工程》中山大学出版社 1996

[4]《建筑物防雷工程与设计》气象出版社2004

[5]《计算机网络防雷技术》气象出版社1999

[6]雷电学原理［Ｍ］，南京：气象出版社 2003