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風電知識 | 淺談風力發電機組的雷電防護措施
發布時間：2025-02-10 14:04:43人氣：
本文在參考了大量國內外防雷標準、文獻的基礎上，并結合大量機組的實際防雷經驗，整理并歸納了風力發電機組有效的防雷措施。
1. 建立風力發電機組防雷系統的必要性
目前，中國國內的大部分風電場分布于東北、華北和西北地區。近些年，隨著風力發電技術的成熟和市場需求的增加，越來越多的南方風電場已陸續建設起來。而且，南方地區的雷暴天氣明顯要多于北方地區，給風機制造商和風電場建設方帶來極大的考驗。
下圖為某機組遭雷擊損壞的實例。
風力發電機組相對城市普通建（構）筑物有不同的防雷特征，具體如下：
2. 風力發電機組的通用防雷措施
風力發電機組的防雷系統包含了從葉片至基礎的各個環節，并且每個環節都不可或缺。依據IEC61400-24(2010) 《風力發電機組- 第24 部分: 雷電防護》等相關標準，風力發電機組的防雷措施主要有以下幾個方面。
2.7.2 風力發電機組中電涌保護器的安裝位置。根據風力發電機組電氣電子系統框圖和防雷區（簡稱LPZ）劃分原則，應在如下位置安裝SPD：
3. 永磁直驅風力發電機組防雷措施
永磁直驅風力發電機組的防雷措施除跟上述的風力發電機組通用措施相同外，還應具有以下防護措施。
4.小結
“預防勝于治理”是對防雷工作最好的解釋，即使比較完善的防雷體系已經建立，還是不能夠完全抵御雷擊的風險。所以，在風力發電機組廣泛采用有效的防雷保護技術的同時， 為了盡量減少風力發電機組遭受雷擊的危險， 建議在風機安裝之前，即進行風電場的規劃設計及微觀選址時，將風機的防雷作為影響因素之一加以考慮，從而確保風力發電機組安全有效的運行。
1. 建立風力發電機組防雷系統的必要性
目前，中國國內的大部分風電場分布于東北、華北和西北地區。近些年，隨著風力發電技術的成熟和市場需求的增加，越來越多的南方風電場已陸續建設起來。而且，南方地區的雷暴天氣明顯要多于北方地區，給風機制造商和風電場建設方帶來極大的考驗。
下圖為某機組遭雷擊損壞的實例。
風力發電機組相對城市普通建（構）筑物有不同的防雷特征，具體如下：
——風力發電機組是比周圍物體要高大構筑物。
——風力發電機組常常安裝在非常容易受到雷擊的場地。
——風力發電機組的許多暴露部件，如葉片和機艙罩往往由不能承受直擊雷的復合材料制成。
—— 葉片、輪轂、發電機與機艙是相對旋轉的，不利傳導雷電流。
——雷電流將通過風力發電機組的金屬結構傳導到大地，因此，實際上大部分雷電流將流經或靠近所有的機組部件。
——風電場的土壤電阻率通常比較高，接地條件不好。
——風力發電機組都設置在風大的地區，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區正是雷電多發區。通常風力發電機組設置在高于周圍地區的制高點，并且遠離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。此外，設置在丘陵和山脊的風力發電機組的接地，這些地區的土壤導電性能相對較差。
——風力發電機組常常安裝在非常容易受到雷擊的場地。
——風力發電機組的許多暴露部件，如葉片和機艙罩往往由不能承受直擊雷的復合材料制成。
—— 葉片、輪轂、發電機與機艙是相對旋轉的，不利傳導雷電流。
——雷電流將通過風力發電機組的金屬結構傳導到大地，因此，實際上大部分雷電流將流經或靠近所有的機組部件。
——風電場的土壤電阻率通常比較高，接地條件不好。
——風力發電機組都設置在風大的地區，例如海岸、丘陵、山脊，而這些地區正是雷電多發區。通常風力發電機組設置在高于周圍地區的制高點，并且遠離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。此外，設置在丘陵和山脊的風力發電機組的接地，這些地區的土壤導電性能相對較差。
2. 風力發電機組的通用防雷措施
風力發電機組的防雷系統包含了從葉片至基礎的各個環節，并且每個環節都不可或缺。依據IEC61400-24(2010) 《風力發電機組- 第24 部分: 雷電防護》等相關標準，風力發電機組的防雷措施主要有以下幾個方面。
2.1 葉片接閃器及引下線
葉片接閃器應位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊。葉片接閃器系統的設計根據嚴格的檢測和試驗來確定。接閃器數量按照2010 版GL 規范相關要求進行設計。
葉片接閃器應位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊。葉片接閃器系統的設計根據嚴格的檢測和試驗來確定。接閃器數量按照2010 版GL 規范相關要求進行設計。
引下線應長期可靠連接，并能承受雷電流產生的電、熱、電動力的聯合沖擊。引下線應在進行模擬雷擊試驗以前就安裝在葉片上，應與葉片一起進行耐受機械應力的實驗。
2.2 輪轂
輪轂金屬結構本身具有良好的電磁屏蔽效果，其雷電防護只需采取等電位連接。對延伸到輪轂外部（除去葉片根部或機艙）的電氣和控制系統回路應采取雷電防護措施。
2.3 機艙
金屬機艙結構自然成為雷電防護系統的一部分， 應能承載IEC62305-1 所規定雷電防護等級的雷電流。金屬機艙外罩和金屬結構（如機艙底座）應與引下線連接。
非金屬機艙外罩（如玻璃鋼外罩）應增設足夠大截面網格條的金屬網格。
2.4 塔筒
金屬塔筒各段落之間應有良好的電氣連接。各段落之間除了自然的結構連接以外還應有多條直接的電氣連接。金屬塔筒可作為良好的自然引下線，各段端部和底座環應引出接地端子。
2.5 軸承和齒輪箱
輪轂金屬結構本身具有良好的電磁屏蔽效果，其雷電防護只需采取等電位連接。對延伸到輪轂外部（除去葉片根部或機艙）的電氣和控制系統回路應采取雷電防護措施。
2.3 機艙
金屬機艙結構自然成為雷電防護系統的一部分， 應能承載IEC62305-1 所規定雷電防護等級的雷電流。金屬機艙外罩和金屬結構（如機艙底座）應與引下線連接。
非金屬機艙外罩（如玻璃鋼外罩）應增設足夠大截面網格條的金屬網格。
2.4 塔筒
金屬塔筒各段落之間應有良好的電氣連接。各段落之間除了自然的結構連接以外還應有多條直接的電氣連接。金屬塔筒可作為良好的自然引下線，各段端部和底座環應引出接地端子。
2.5 軸承和齒輪箱
軸承應證明能在整個服務期間耐受可能流過多次雷電流，否則應采取降低雷電流流過軸承的保護措施。對處于雷電流通道的軸承齒輪、軸承與連軸器應采用旁路分流和阻斷隔離相結合的方式。通向發電機的連軸器應采用絕緣隔離，提供所需的絕緣以保護發電機免遭雷電流侵入發電機軸。
阻斷隔離是指在軸承或齒輪箱以及其它高速軸到機艙底板的電流通道中插入絕緣層。下圖為減少軸承雷電流措施的示意圖。齒輪箱和發電機通過機器底座的連接螺栓與接地裝置應保持良好的連接。如齒輪箱或發電機用柔性阻尼元件與機器底座連接，則所有阻尼元件應采用有足夠截面積的扁銅帶跨接。
2.6 接地裝置
風力發電機組接地裝置可利用
阻斷隔離是指在軸承或齒輪箱以及其它高速軸到機艙底板的電流通道中插入絕緣層。下圖為減少軸承雷電流措施的示意圖。齒輪箱和發電機通過機器底座的連接螺栓與接地裝置應保持良好的連接。如齒輪箱或發電機用柔性阻尼元件與機器底座連接，則所有阻尼元件應采用有足夠截面積的扁銅帶跨接。
2.6 接地裝置
風力發電機組接地裝置可利用
塔筒的鋼筋混凝土基礎作為共用接地裝置，除應滿足以下四個基本要求以外，還要符合雷電防護的要求，能將高頻和高能量的雷電流安全引導入地。其工頻接地電阻宜小于4Ω。在高土壤電阻率地區，應采取措施降低接地電阻。本機組的接地裝置應與若干其它機組和風電場的接地裝置相連。
四個基本要求是：
四個基本要求是：
a) 接地故障出現時，發生跨步電壓和接觸電壓，需確保人身安全；
b) 防止接地故障引起設備的損壞；
c) 接地故障時接地裝置耐受熱、電動力；
d) 具有長期的機械強度和耐腐蝕性。
b) 防止接地故障引起設備的損壞；
c) 接地故障時接地裝置耐受熱、電動力；
d) 具有長期的機械強度和耐腐蝕性。
2.7 電氣系統防雷
2.7.1 風力發電機組中電涌保護器的類型。風力發電機組內部系統采用的電涌保護器（簡稱SPD）產品的類型：
a) 低壓電源系統用SPD：用于對低壓電源系統中的電氣部件的保護，產品應符合GB 18802.1；
b) 控制與信息系統用SPD：用于對控制和測量、信號回路的保護，產品應符合GB/T 18802.21；
c) 低壓主電力電氣系統用SPD：用于對風力發電機、變頻器及有關部件的保護。
b) 控制與信息系統用SPD：用于對控制和測量、信號回路的保護，產品應符合GB/T 18802.21；
c) 低壓主電力電氣系統用SPD：用于對風力發電機、變頻器及有關部件的保護。
2.7.2 風力發電機組中電涌保護器的安裝位置。根據風力發電機組電氣電子系統框圖和防雷區（簡稱LPZ）劃分原則，應在如下位置安裝SPD：
a) 在每個LPZ 的線路入口處安裝SPD：
在LPZ0B 進入LPZ1 區處：應選用用Iimp 測試的SPD（Ⅰ類試驗），安裝在離LPZ1 邊界盡可能近的地方；在LPZ1 進入LPZ2 區或更高區處：應選用用In 測試的SPD（Ⅱ類試驗），安裝在離LPZ2 邊界或更高區盡可能近的地方。
b) 在部分電氣設備端部安裝SPD：
非常敏感的設備，與LPZ 入口處SPD 距離太遠的設備，內部干擾源產生的電磁場有威脅的設備。下圖顯示了雙饋式風力發電機主電力電氣回路和低壓電源回路中電涌保護器安裝位置例。
3. 永磁直驅風力發電機組防雷措施
永磁直驅風力發電機組的防雷措施除跟上述的風力發電機組通用措施相同外，還應具有以下防護措施。
3.1風力發電機組的雷電保護系統
3.1.1 永磁直驅機組防雷接地設計依據。永磁直驅機組防雷接地參照以下標準設計。
GB 50057-94（2010） 建筑物防雷設計規范
IEC 61400-24-2010 風力發電機組- 第24 部分: 雷電防護
IEC 62305-1 -2006 雷電防護- 第1 部分：總則
IEC 62305-3 -2006 雷電防護- 第3 部分：建筑物的實體損害和生命危險
IEC 62305-4 -2006 雷電防護- 第4 部分：建筑物內電氣和電子系統
GL（2010） 風力發電機組認證指南（2010）
考慮機組的結構特點，從其自身價值及遭受雷擊后可能產生的直接和間接損失，結合國外對機組防雷等級的劃分，風力發電機組參照最嚴酷等級進行防雷，并適應與所有的雷暴區域。依據IEC 62305.1—2006《雷電防護 第1 部分：總則》第八章的規定，采用雷電防護水平雷電防護等級Ⅰ的防護標準進行保護。
GB 50057-94（2010） 建筑物防雷設計規范
IEC 61400-24-2010 風力發電機組- 第24 部分: 雷電防護
IEC 62305-1 -2006 雷電防護- 第1 部分：總則
IEC 62305-3 -2006 雷電防護- 第3 部分：建筑物的實體損害和生命危險
IEC 62305-4 -2006 雷電防護- 第4 部分：建筑物內電氣和電子系統
GL（2010） 風力發電機組認證指南（2010）
考慮機組的結構特點，從其自身價值及遭受雷擊后可能產生的直接和間接損失，結合國外對機組防雷等級的劃分，風力發電機組參照最嚴酷等級進行防雷，并適應與所有的雷暴區域。依據IEC 62305.1—2006《雷電防護 第1 部分：總則》第八章的規定，采用雷電防護水平雷電防護等級Ⅰ的防護標準進行保護。
3.1.2 綜合防雷體系。風力發電機組的防雷保護是個綜合的防雷系統。包括外部、內部防雷系統，針對不同防雷區域采取有效的防護手段，主要包括雷電截收和傳導系統、過電壓保護和等電位連接、電控系統防雷等措施，這些防護措施都充分考慮了雷電的特點，實踐證明這一方法簡單而有效。防雷系統的組成見下圖6 所示。
3.2 機艙頂部接閃器的設計
機艙的頂部，設置有風向標、風速儀。為了減少因側擊雷造成風向標、風速儀和機艙內設備的損壞，應在機艙頂部裝設接閃器，保護風向標、風速儀和機艙內的設備。
3.3 等電位連接
等電位連接是風力發電機組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關鍵。
為了減小各金屬設備之間的電位差，對機組的所有外露金屬部分，采取等電位連接措施。輪轂、機艙、塔筒內建立等電位連接網絡，內部主要金屬構建、金屬管道以及線路屏蔽均應采用等電位連接。設置等電位母排。延伸到機艙、塔筒外部的電氣和控制系統電路應布設在金屬管道內, 金屬管道應與引下線系統相連，電氣和控制系統電路應采取過電壓保護措施。
3.4 沿海及海上的機組防雷措施
針對海上的鹽霧環境，對防雷、接地裝置的金屬結構件做必要的防腐處理，并且對電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護器均要通過抗鹽霧試驗。
3.5 加強對防雷與接地裝置的檢查與維護
風力發電機組的設計壽命至少為20 年，為保證機組的防雷系統正常工作，要定期對防雷與接地裝置進行檢查，主要檢查的對象有：各電控柜內電涌保護器、各零部件及設備間的等電位連接導線、機組的接地電阻值等。
機艙的頂部，設置有風向標、風速儀。為了減少因側擊雷造成風向標、風速儀和機艙內設備的損壞，應在機艙頂部裝設接閃器，保護風向標、風速儀和機艙內的設備。
3.3 等電位連接
等電位連接是風力發電機組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關鍵。
為了減小各金屬設備之間的電位差，對機組的所有外露金屬部分，采取等電位連接措施。輪轂、機艙、塔筒內建立等電位連接網絡，內部主要金屬構建、金屬管道以及線路屏蔽均應采用等電位連接。設置等電位母排。延伸到機艙、塔筒外部的電氣和控制系統電路應布設在金屬管道內, 金屬管道應與引下線系統相連，電氣和控制系統電路應采取過電壓保護措施。
3.4 沿海及海上的機組防雷措施
針對海上的鹽霧環境，對防雷、接地裝置的金屬結構件做必要的防腐處理，并且對電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護器均要通過抗鹽霧試驗。
3.5 加強對防雷與接地裝置的檢查與維護
風力發電機組的設計壽命至少為20 年，為保證機組的防雷系統正常工作，要定期對防雷與接地裝置進行檢查，主要檢查的對象有：各電控柜內電涌保護器、各零部件及設備間的等電位連接導線、機組的接地電阻值等。
4.小結
“預防勝于治理”是對防雷工作最好的解釋，即使比較完善的防雷體系已經建立，還是不能夠完全抵御雷擊的風險。所以，在風力發電機組廣泛采用有效的防雷保護技術的同時， 為了盡量減少風力發電機組遭受雷擊的危險， 建議在風機安裝之前，即進行風電場的規劃設計及微觀選址時，將風機的防雷作為影響因素之一加以考慮，從而確保風力發電機組安全有效的運行。
