1、    風力發電系統防雷設計研究    王巖 袁璇 梁鵬程 肖瓊摘  要：文章闡述了風力發電在全球及國內的裝機情況，解析了風力發電系統雷電防護的設計方法，指出了現行的一些雷電防護設計存在的問題，給出了改進方案，并提出了風場整體防雷和主動避讓雷電的新思路。對于提高風力發電系統雷電防護的整體效果及經濟性有一定的借鑒作用。關鍵詞：風力發電系統;雷電防護;防雷設計：tm614         文獻標志碼：a         ：2095-2945（2019）35-0076-0

2、3abstract： this paper describes the installation of wind power in the world and in china， analyses components of lightning protection system for wind turbine， points out existing problems of some lightning protection， raises an improved scheme and puts forward a new idea of integral lightning protec

3、tion as well as activelightning avoidance. it can be utilized for reference to improve the effect and economicof lightning protection in wind power generation system.keywords： wind power generation system; lightning protection; lightning protection design引言風能是一種取之不盡，用之不竭的可再生清潔能源，全世界的風能儲量高達2.74×

4、106gw，中國的風能開發潛力也在2.5×103gw以上。近年來，隨著風力發電技術的提升，其成本也在不斷降低，全球的風力發電增長迅猛，我國的風電行業更是獲得了跨越式的發展。截止2018年，全球風電裝機總容量達到了6×102gw，其發電量滿足了世界電力需求的6%，我國的風電裝機容量為2.21×102gw，約占全球裝機容量的37%，位居世界第一。為了充分的利用風能，風電機組多安裝在山坡、沙漠和海邊灘涂等風力強大的開闊區域，而風機又很高，如當今風力發電機組的主流機型2.5mw的風機，其槳葉頂端高度達到了200m以上，且風電機組附近鮮少有其他高大物體，因而風力發電機組就成

5、為周圍空間的制高點，易被雷電擊中，若防雷措施不力，則會造成重大的損失。據統計，德國每年由于雷電造成的風電機組故障為8.0%，丹麥為3.9%，瑞典為5.8%，其中，德國因雷電造成的風電機組損壞中，電氣電子控制系統的損壞占全部損壞的70%左右，主要原因是遭受雷擊后的電磁感應產生的瞬間過電流和過電壓所導致，風機葉片損壞占到全部損壞的20%左右1，主要原因是由雷電直擊造成的機械損壞和熱性灰化;中國氣象研究院對302個風機雷擊案例的統計分析表明，電子電氣控制系統的損壞占總數的71%，而葉片損壞占28%左右2。風機遭雷電損壞后，除了要花費高昂的配件和更換維修費用，還有停止發電造成的損失，經濟損失巨大。長此

6、以往，有可能會影響到整個風力發電行業的可持續發展。因而，做好風電場的防雷工作至關重要。本文主要介紹風電場常規的防雷設計、存在的問題及解決方法，并探討雷電防護在技術發展方向的一些新思路。1 風電機組的防雷設計風電機組的防雷設計主要包括接閃和引下、浪涌保護器的使用、等電位連接、防雷的接地設計等3。1.1 風機的接閃和引下風電機組中，風機葉片的最高點即為風機最高點，當有雷暴發生時，其最易受到雷擊，如我國海南東方風電場因雷擊造成的風機葉片損壞率達高達5.56片/（百片·年）。現今風機葉片的表面材料大多是玻璃纖維，其為絕緣體，若雷電擊中葉片時，無法將強大的雷電流迅速傳走，則雷電產生的強大的熱作

7、用和機械作用將直接作用于葉片上而將其損壞，而葉片的維修費用在所有的風機雷電故障中又是最高的4。因而需要在葉片上安裝易于接閃、抗機械和熱損傷能力強，并易于拆卸的接閃器。風機葉片的接閃器一般是在葉片表面安裝若干組銅質圓盤（直徑為150-200mm）或不銹鋼圓盤（直徑范圍為50-80cm），每組接閃圓盤是在葉片的正反兩面各安裝一只。為了保障葉片結構的穩定，接閃圓盤不能太多，一般來說，長度小于25m的葉片，只在尖端安裝一組，葉片長度每增加10m增加一組接閃圓盤。引下線是在葉片內設一條金屬導線，把接閃盤和風葉底部的輪轂連接起來。當雷電襲來時，接閃圓盤接閃之后雷電流通過引線及輪轂將其傳到塔筒。塔筒的金屬結

8、構可充當導體，將雷電流引入風機的接地裝置散入大地。但要注意的是，由于生產塔筒過程中在搭接時存在縫隙大和搭接面偏離等問題，以塔筒做導體導雷在泄放雷電流時會產生拉弧現象，因而沿塔筒搭接面導雷時，需使用較大面積的電纜進行跨接，另外還需加大壓接端子之間的接觸面積，加裝保護罩對可能產生的拉弧處進行必要保護。風力發電機艙尾端處在與葉片相對應的位置。當雷電出現在機艙的尾端時，就會超出葉片防護區域，可能使機艙內的電氣設施和設備被雷擊破壞，故而需要在其尾部設置一接閃短桿，再經由引下線和接地裝置把雷電流引入地下進行散流，從而起到防雷電的效果。1.2 浪涌保護器的使用浪涌保護器也叫防雷器，是一種為各種儀器儀表、通訊

9、線路、電子設備等提供安全防護的電子裝置。它的作用原理是在極短的時間內導通分流，以避免浪涌對回路中儀表線路和設備的損害。風機若被雷電擊中，會在機組內部產生很強的電磁場，其通過線纜傳輸時會產生浪涌性的過電壓和過電流5。現代風電機組內部，均安裝有大量的電子和微電子集成設備，因而電子電器設備和系統很易被超高的浪涌電壓損壞，造成巨大的經濟損失。為了避免此種情況的出現，就必須使用浪涌保護器。浪涌保護器可以抑制因雷電引起的信號線路間、電源與接地的金屬管線之間的高電位差，能夠把進入信號傳輸線和電力線的瞬時過電壓控制在其能承受的電壓范圍內，同時把過大的雷電流泄流到大地，以防止設備和系統遭受破壞。風電機組的防雷應

10、根據gb50343標準規定安裝合適的浪涌保護器，一般安裝三級浪涌保護器。第一級浪涌保護器安裝在塔筒內部的總進出線處，其作用主要是將風電機組遭遇雷擊后所產生的幾萬甚至幾十萬伏的浪涌電壓降低到2500v-3000v，防止超高的浪涌電壓損壞風電機組的電子電器設備。第二級浪涌保護器一般安裝在分配電源處，主要針對第一級浪涌保護器的剩余電壓和區域中受到電磁感應影響的設備進行保護。在第一級電涌保護器對直擊雷電的能量進行吸收時，總有部分仍能損壞電子電器設備的能量殘存下來且可能損壞電子電器設備，這時，第二級浪涌保護器就能進一步吸收這些能量，將浪涌電壓降低到1500-2000v。第三級浪涌保護器安裝在塔筒內部的信

11、號控制系統處，主要是對雷電電磁脈沖和經過第二級浪涌保護器的剩余雷擊能量加以防護，將剩余浪涌電壓降低到不超過1000v，以確保浪涌電壓不損壞設備。1.3 風電機組的等電位連接為了防止風電機組內部的設備和系統間在雷擊時出現危險的電位差，在槳葉與輪轂間，輪轂與機艙間、機艙和塔筒間、尾舵和水平軸間、機艙內和塔筒底部進行等電位連接，以保證操作人員和線路及設備的安全。槳葉與輪轂間，輪轂與機艙間、機艙和塔筒間、尾舵和水平軸間的等電位連接，是用螺栓連接法蘭、其他部分采用焊接和鉚接的方式進行連接，最終將上述各部件連成一個電氣整體，以使雷電流快速的通過引下裝置進入風機的接地系統。連接時，所有的過度電阻不能超過0.

12、03。機艙內的等電位連接，是在機艙內設置一個與機艙底座相連的總體等電位接地排，將各種金屬管、槽、機架、機柜、線纜的金屬屏蔽層、電子電器設備的金屬外殼、機艙的接閃引下線、電涌保護器的接地端等全部連接到總等電位接地端子板上;槳葉接閃引下線經過金屬滑環連接到機艙底座上。此種連接方法，固然能減少設備和系統之間產生危險電位差，但卻可能將部分雷電流引入機組電氣系統，造成補償電容器擊穿，可控硅損壞，嚴重時，可在母排間產生拉弧。為了防止上述弊端的產生，可對機艙等電位連接方法進行改進，具體方法為：制作一個與機艙底座絕緣的機艙總電子電器設備等電位接地的端子板，用一根絕緣的銅芯pe線將機艙總等電位端子板和塔底接地裝

13、置進行連接，線纜的金屬屏蔽層、電泳保護器的接地端都連到該總接地端子板上，而各種金屬管、槽、機架、機柜、線纜的金屬屏蔽層、電子電器設備的金屬外殼、機艙的接閃引下線等連接到機艙的金屬底座上，槳葉接閃引下線經過金屬滑環連接到機艙底座上。再用火花間隙型等電位連接器將機艙金屬底座和電子電氣設備總等電位接地端子板間連接起來。該法的好處是：將直擊雷電流散流路徑與機箱內的感應雷電流散流路徑用火花間隙等電位連接器隔離開來，當直擊雷電流很大時，瞬間火花間隙等電位連接器就幾乎短路，使系統和設備間的電位差保持在很低的水平，雷電流則大部分順著pe線到達塔筒底部的接地裝置而被散放到大地，這樣就可大大減少發電機組的電子、電

14、氣系統被雷擊損壞的概率6。機組塔筒底部的等電位連接是在塔筒的底部設置一個塔底總等電位接地端子排，將其用銅芯電纜與風機的環形地網連接在一起，銅芯線纜通過塔筒基礎時，要與其內的鋼筋絕緣。塔筒底部的機架、機柜、線纜的金屬屏蔽層、所有電子電器的金屬外殼、浪涌保護器的接地端等都連接到塔底的總等電位接地端子板上，機組的各控制柜和電子電器設備的箱體均用獨立的接地線以最短的距離連接到塔底的總等電位接地排上。1.4 防雷的接地設計風機的雷擊故障中，電子電器設備的損壞占70%以上，而多數電子電器的損壞是因為雷電流進入接地系統時，由于接地電阻過高造成地電位抬升所引起。當風電機組被雷電擊中時，接地裝置需要將雷電流快速

15、安全的引入大地，而此時，接地電阻的數值越小，則由雷電產生的過電壓就越低，雷電流進入大地的速度越快，高電壓持續的時間也越短，其接觸電壓和跨步電壓也比較小，從而有利于人員和設備的安全，接地系統的設計必須有總體性。風機的接地裝置一般是在塔筒基礎周圍設置環形接地裝置7，這是因為風機位的底部結構是一個由金屬材料構成的大型籠體，若在其周邊設置環形金屬裝置，等于在風機位周圍設置了一個等電位面，既可以防止瞬間過電壓造成的風機電子電器設備的損壞，還可以防止跨步電壓造成的人員傷害。接地裝置的制作通常是在距風機基礎外緣超過5m處設置一圈由截面積不小于60×6mm2的熱鍍鋅扁鋼制作的接地體，環形接地體一般埋

16、置在地下0.5m以下，此環形接地裝置和基礎鋼筋進行至少四處的連接。如果風機塔基處土壤的電阻率較高，接地電阻值則達不到工頻接地電阻不超過4，沖擊接地電阻不超過10的要求，則需向下和向外敷設垂直接地體和水平接地體，同時使用降阻劑包埋水平接地體。風機基礎與箱式變壓器共同使用一套防雷接地系統，此接地系統同時作為安全接地、工作接地和防靜電接地;風機接地體同塔筒的等電位壓環和風機基礎的鋼筋相交點的連接必須可靠。2 風電機組防雷技術新思路2.1 風電場進行整體防雷風電場的總體防雷指的是：依據雷擊電氣幾何模型理論和電場強度大的地方引雷能力強的特性，把風電場作為一個整體，根據當地的地形、地勢、氣象條件和風電機組

17、布局等情況，并考慮經濟性，在風電場易受到雷擊的位置設置若干個相互獨立的接閃針塔，當雷電靠近風電場時，由于風電機組上電場強度遠弱于獨立接閃針塔頂處，就使得雷擊發生在接閃針塔上，從而避免發電機組免受雷電破壞8。2.2 主動避讓雷電加強雷電的預警，當雨云進入風電場時，風機及時停止工作，并使風機槳葉停在最不容易接閃的位置，如相對水平處，這樣就可以大大減小槳葉被雷電擊中的可能。因風機在工作時的運轉較快，尤其是暴風雨來臨時，其運轉速度更快。運轉中的風機，第一易于接閃，第二葉片和機艙處于旋轉狀態時，不易導流，第三風機在靜止狀態和快速轉動情況下被雷電擊中被破壞的程度差別極大，槳葉快速運轉時，其動量和慣性都很大

18、，遇上雷電強大的機械作用和熱作用，很可能將風葉徹底破壞，而風葉在靜止狀態下接閃，則造成的破壞一般較小，修復容易，費用較低。另外，在風機遭遇雷擊時，及時地切斷電子電氣線路，也可防止雷電形成的過電壓通過線路傳到相鄰風電機組，使其遭受損壞9。2.3 接地體的選擇我國風電場接地體使用的導體材料基本都是鍍鋅鋼，而國外廣泛使用的接地材料為銅和銅包鋼。據美國科學家在45年中對29個試驗場地的研究結果表明：不同導體材料的金屬接地體的腐蝕情況差異較大。經過10年后：銅和銅包鋼材料，接地體腐蝕的平均深度僅為1.13mils，平均每年的腐蝕深度為0.11mils，僅出現了輕微腐蝕;而鍍鋅鋼，其腐蝕深度高達3.50mils，平均每年的腐蝕深度為0.35mils，且有腐蝕點出現在了鍍鋅層下面的鋼上，呈現出嚴重腐蝕。在風電場的規模和單機發電量都日趨增大的情況下，其投資很大，要求風電機有較長的使用壽命，若因接地體過度腐蝕而使雷電泄流受阻從而造成風機的雷電損壞，其損失將是難以承受的。因而風機生產廠家應重視接地體材料的腐蝕問題，尤其是土壤中含水分和電解質較多的風電場，因這些地方的土壤接地體更易受到腐蝕。3 結束語風電場是一個整體，其防雷設計既需要考慮每個機組內部的防雷，如槳葉、機艙、輪轂及電子電氣系統的防雷，又要有總體設計思路，這樣才能有