风力发电机组防雷设计方案

深圳天顺科技有限公司   曾中海

一：概述

风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。

由于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，轮毂高度和叶轮直径随着增高，相对的也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。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。我国沿海地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。例如，红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件，据统计，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20% 。

为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的防范措施。

二：风机对比介绍

风电变速恒频风力发电系统，主要分为双馈式和直驱式。双馈式风力发电系统由于其变流器容量（滑差功率）只占系统额定功率的30％左右，能较多地降低系统成本，因此双馈式系统受到了广泛的关注。与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无需齿轮箱，机械损耗小，运行效率高，维护成本低，但是，由于系统功率是全功率传输，系统中变流器造价昂贵，控制复杂（本文重点介绍直驱式风电系统雷电防护）。

        直驱风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接，无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率和幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流，然后经过三相逆变器变换为三相频率恒定的交流电连接到电网。通过中间电力电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪，最大效率利用风能。

        直驱式风力发电系统中的电力电子变换电路（整流器和逆变器）可以有不同的拓扑结构（常见2种见图1、2）。

图1

图2

三：设计依据标准

1、Germanischer Lloyd; Vorschriften und Richtlinien, Kapitel IV: Nichtmaritime Technik, Abschnitt 1: Richtlinie für die Zertifizierung von Windeenergieanlagen 

《GL指导文件IV‐1风力发电系统》

2、 IEC 61400-24 Wind turbine generator systems –Part 24: Lightning protection 

《IEC61400‐24风力发电系统防雷保护》

3、IEC 62305  Protection against lightning   《IEC62305雷电防护》《GL 指导文件》是风机安装、测试和认证的标准，该标准也包含了对风机雷电防护的具体要求，是风机防雷保护的基础性文件。《IEC61400-24》定义和描述了风机防雷保护装置及其应用。《IEC 62305》具体规定了防雷保护装置的性能指标。德国保险业协会（GDV）的指导文件《VdS 2010 雷击浪涌防护》规定风电机组的防雷保护级别至少应为第二级，也就是说，风电机组应能够防护150KA 以上的雷电而不损坏。关于雷击风险评估的方法参见《IEC 62305-2》。

四、风电机组综合防雷保护系统

1. 风电防雷的组成

风电的防雷主要由雷电电磁脉冲防护系统和直击雷防护系统组成。

雷电电磁脉冲防护系统主要针对风电的控制系统；直击雷防护系统主要包括风塔、叶片及接地系统的防护。

2．雷电对风电机组的危害风力发电机通常位于开阔的区域，而且很高，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁之下，被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备，可以说，我们平常用到的几乎每一种电子元件和电气设备，都可以在一台风电机组中找到其应用，例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构，以及相应的总线系统等。这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问，电涌可以给风电机组带来相当严重的损坏。 以下的风力发电机数据由欧洲几个国家提供,其中包含了超过4000 台风力发电机的数据。表1是德国、丹麦和瑞典三国这些事故的汇总表。由雷击导致的风力发电机损坏数量，每100台平均每年3.9次到8次。从统计数据上显示，在北欧的风力发电机组中，每100台每年有4-8台遭受雷击而损坏。 

表1-雷击损坏频率表 

具体分析风力发电机的各种不同部件遭雷击损坏的情况，可为防雷保护提供基础数据。图3中显示了风机中几种不同部件遭雷击损坏的关系，数据来源于德国。值得注意的是：虽然损害部件是不相同的， 但是控制系统部件雷击损坏占40-50%。 

风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损害的分析和后续的维修，会有一段时间的停工期。对于风电场经营者来说，设备长时间停机是负担不起的。风机高昂的首次投资费用必须在有限的时间内收回，因此必须采取措施保证设备的长期稳定运行。 

从广泛使用的雷暴活动水平这一指标中，我们可以知道某一地区一年中云对地闪击的次数。在欧洲，海岸地区和较低海拔的山区每年每平方公里发生的云‐地闪击一般按照1次到3次来估算。平均每年的预计落雷数可以按照下列公式来计算：

n=2.4×10‐5×Ng×H2.05 

Ng每年每平方公里的云‐地闪击数，H为物体的高度假设每平方公里年平均云‐地闪击数是2，一个75m高的物体，其雷击概率大约是每三年一次。兆瓦级风机（H≥150m）的落雷数可以达到每12个月一次。

在设计防雷装置时，还要考虑的是：当暴露在雷电直击范围内的物体高度超过60m时，除了云‐地闪击之外，地‐云的闪击也会出现。地‐云闪击也称作向上闪击，它从地面先导，伴随更大的雷击能量。地‐云闪击的影响对于风机叶片的防雷设计和第一级防雷器的设计非常重要。

根据长期观察，雷击造成的损坏中除了机械损坏之外，风机的电子控制部分也常常损坏，主要有：变频器、过程控制计算机、转速表传感器、测风装置。

3．防雷保护措施防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。它是一种对结构空

间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境（图3）。构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。

图4风力发电机雷电保护区概念(LPZ)

作为一种保护措施，防雷保护区概念当然就包括了应在防雷保护区的边界处，将电磁干扰（传导性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内，因此，被保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。防雷保护区的具体划分结果与风电机组的结构有关，并且也要考虑这一结构建筑形式和材料。通过设置屏蔽装置和安装电涌保护器，雷电在防雷保护区0A区的影响在进入1区时被大大缩减，风电机组内的电气和电子设备就可以正常工作，不受干扰。

按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括：

1) 外部防雷保护系统：接闪器、引下线、接地系统。

2) 内部防雷保护系统：防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽措施。

下面作详细介绍

4．外部防雷保护系统外部防雷保护系统由接闪器、引下线和接地系统组成，它的作用是防止雷击对风电机组结构的损坏以及火灾危险。

1) 接闪器雷击风力发电机的落雷点一般是在风机的桨叶上，因此接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。为了以可控的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采用30×3.5mm 镀锌扁钢。对于机舱内的滚珠轴承，为了避免雷电在通过轴承时引起的焊接效应，应将其两端通过碳刷或者放电间隙桥接起来。对于位于机舱顶部的设施（例如风速计）的防雷保护，采用避雷针的方式安装在机舱顶部，保护该设备不受直接雷击。

2) 引下线如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线来使用；如果是混凝土塔身，那么采用内置引下线（镀锌圆钢φ8～10mm，或者镀锌扁钢30×3.5mm）。

3) 接地系统风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连构成一个网状接地体（如图5）。这样就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。

图5

5．内部防雷保护系统

内部防雷保护系统是由所有的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护。

1) 防雷击等电位连接防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。

等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减小电位差。在设计等电位连接时，应按照标准考虑其最小连接横截面积。一个完整的等电位连接网络也包括金属管线和电源、信号线路的等电位连接，这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流排相连。

2) 屏蔽措施屏蔽装置可以减少电磁干扰。

由于风力发电机结构的特殊性，如果能在设计阶段就考虑到屏蔽措施，那么屏蔽装置就可以以较低成本实现。机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关的电气和电子器件都装在开关柜，开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。对于干扰的抑制，只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。

3) 电涌保护

除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外，对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能让电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区0A→1 的边界处必须使用防雷器，它可以导走大量的分雷电流而不会损坏设备。这种防雷器也称之为雷电流保护器（I 级防雷器），它们可以接地的金属设施和电源、信号线路之间由雷电引起的高电位差，将其在安全的范围之内。雷电流保护器的最重要的特性是：按照10/350μs 脉冲波形测试，可以承受雷击电流。对风电机组来说，电源线路0A→1 边界处的防雷保护是在400/690 V 电源侧完成的。

在防雷保护区以及后续防雷区，仅有能量较小的脉冲电流存在，这类脉冲电流是由外部的感应过电压产生，或者是从系统内部产生的电涌。对于这一类脉冲电流的保护设备叫作电涌保护器（II 级防雷器）。用8/20μs 脉冲电流波形进行测试。从能量协调的角度来说，电涌保护器需要安装在雷电流保护器的下游。该电涌保护器是由附带热脱扣装置的金属氧化物压敏电阻组成。当在数据处理系统安装电涌保护器时，与电源系统上安装的电涌保护器不同的是：电涌保护器与测控系统的兼容性以及测控系统本身的工作特性需要特别注意。这些保护器与数据线串联连接，而且必须将干扰水平在被保护设备的耐受能力以内。从通流量上考虑，例如一条电话线，在导线上的分雷电流应按照5%来预估，对于Ⅲ/Ⅳ级防雷保护系统，就是5kA(10/350μs)。