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永磁直驱风力发电机组的防雷接地保护探讨

范文

姚丙义

摘要：随着永磁材料价格的降低，永磁直驱发电技术正发展成为风机大型化，高效化的不二之选。风力发电机组通常是安装在旷野，山顶及沿海地区，其几十米的高度使其远高于周围的建筑物，自然成为雷电首要的接闪物。特别是随着风机容量的提升，其轮毂高度和叶片直径的加大，使其受到雷击破坏的概率极大。雷闪破坏已成为风机故障和停机的重要因素，甚至直接影响风电场的安全运行。针对永磁直驱风力发电机组的结构特点，对其进行雷电防护区域的划分;从防雷系统和接地系统两个角度出发，对机组的各组成部件进行了系统分析，并提出有效的防雷接地方案。

关键词：永磁直驱;雷电防护;防雷系统;接地系统

中图分类号： TB????? 文献标识码： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.13.092

0 引言

风力发电机通常位置偏远开阔，规模不断扩大，所以整个风机极易成为附近最高的建筑结构，且被雷电击中的概率与其物体的高度的平方值成正比，显著增加了遭受雷击的可能性。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，有数据统计，叶片被击中率达4%，维修费用很快达到$30，000，并且维修时间旷日持久。加之其他通讯电气元件被击中率更高达20%，一旦发生即会给风电场造成直接和间接的巨大的经济损失。可以说雷击已成为威胁风力发电机组安全运行的最主要的自然灾害。

1 风力发电机组的防雷接地系统设计原则

不像水电和火电机组有庞大的钢结构厂房，设备一般远离墙壁和接地引下线等，整个风机是完全暴露在直接雷击的威胁下，且高度远超过周围的建筑，使其任何地方都可能成为雷击的附着点。另外风机内部集成了大量的电气、电子设备，無论那一点被雷击中时，都会导致内部组件遭受外部接闪对象的高电位反击。因此风力发电机组的防雷设计与一般的建（构）筑物不同，它更是一个集机械，电气，控制等一体的综合性防雷系统工程。既然雷击的发生不可避免，那么我们就需要在风机的整体设计上，搭建一路或多路使雷电流快速导入到大地的泄放通道，最大限度的减少由雷电导入设备的电流，保障人员和设备的安全，将损失最大程度的减免。

1.1 接地系统设计

风电机组的接地系统设计，自底向上来说，主要包括地基和基础环的连接接地，塔底的连接接地，塔筒内的连接接地和舱内的连接接地等几部分。地基用于固定整个风电机组，从结构上分为笼式结构和地基环结构，这要根据机组所处的地质条件。但两者的原理是一致的，均是采用环形接地设计，从基础环最少有3条接地引线以120度的放射线与外环地网可靠连接。塔筒内的接地设计，主要是指塔筒内部金属部件，如操作平台，升降梯，门板等的连接接地。

1.2 防雷系统设计

雷电保护区域理论是风力发电机组防雷保护综合设计的基础。根据IEC61400-24或GB/Z 25427-2010的定义，防雷区域的划分如图1所示，定义在LPZ1保护区域内包括风机机舱、塔筒、塔底和箱变部分，在LPZ2保护区域内的部分是指物理安装在LPZ1内部的柜子和元器件。像风速风向仪，叶片是在机舱外部安装的，定义为在LPZ0B保护区域内。

在不同的保护区域内采用不同的防雷手段，从而减小或消除雷电破坏或电磁干扰，保证风机的电气及电子设备的正常运行。

1.2.1 风机雷电防护的分类

参考《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94（2000版）对建筑物的防雷分类，并结合风机各组成部件的结构空间的相互关系，可将风力发电机的防雷系统分为外部防雷系统和内部防雷系统两大类，如图2所示。

1.2.2 外部防雷系统—接闪器

风电机组的接闪装置一般设置在最外部的五个位置，分别安装在三个风机叶片、机舱罩项部、气象站支架上，它们能最先接触雷电并传导雷电流。根据IEC61400-24《风力发电机组防雷击保护》标准的要求，对叶片进行防雷击设计。叶片自身设计有2处接闪设备，分别为铝制叶尖接闪器和铜制接闪盘（直径120mm，安装在叶片表面），如图3所示。

叶片引下线与轮毂铜排连通后，然后通过轮毂轴承内圈上安装的接地电刷实现连通，然后主轴承内圈与定子把合，同时发电机定子与机座主轴承转子刹车片也装有碳刷，碳刷安装在支架上，支架用铜排联结于发电机定子机座上，发电机与安装在机舱上的接地铜排之间用接地线连接;接地铜排与塔基进行接地线连接。

机舱项部装有避雷针两个，风速风向仪支架上设有圆形接闪器，为了保持地电位，这里也使用平行路径理念，主要用最小截面积70mm2铜电缆连接于汇流排，从而构成一个完整电缆笼结构。

1.2.3 外部防雷系统—引下线

永磁直驱风机塔筒由四节或多节钢制塔筒组成。应用平行路径理念设计有三点（120度均匀布置）连接传导雷电，即包括不锈钢穿孔面板与塔筒节法兰面的孔螺栓连接。在塔底部分连接处在三点（l20度均匀布置）与95mm2铜电缆母线连接，并与预埋的接地扁钢良好连接，此处要求与接地要求一致。

1.2.4 外部防雷系统—接地系统

结合上面风机各部分的接地系统设计，风力发电机的接地由塔基的基础接地提供，并与风机整机各部件接地通路共同构成风机遭受雷击时的雷电流泄流通道，这里给出两条路径，如图4所示。

1.2.5 内部防雷系统—控制系统的电涌保护

依据GB50057-1994的相关规定，浪涌保护器安装位置及保护等级的不同，可将风机内设备的电涌保护装置设置在以下六个部分：（1）发电机的保护;（2）机舱控制柜;（3）轮毂控制柜;（4）塔基变频柜;（5）塔基控制柜;（6）变压器端的保护，以及各自的弱电线路。图5给出了SPD在各个不同设备中的配置。

对于电涌保护器的安装，电源线路的各级SPD应分别安装在被保护设备电源的前端，SPD各接线端应分别与配电箱内线路同名端连接。SPD的接地端与配电箱的保护接地（PE）端子排连接，配电箱接地端子排应与所处防雷区的等电位接地端子排连接。各级SPD连接导线应平直，其长度不宜超过0.5m。

1.2.6 内部防雷系统—等电位连接及屏蔽与隔离

等电位连接可以有效地抑制雷电引起的电位差，在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都相互连接，以减少电位差。包括金属管线和电源、信号线路、变桨轴承、轮毂、发电机轴承、机舱铸件、机舱机架、柜体、气象站、液压站等所有金属部件形成一个完整的等电位连接网络。风机机组消除电磁脉冲的措施一般有空間屏蔽和电缆屏蔽两种。综合布线部分主要集中在塔底和机舱，以及其他部件之间的线缆连接，此部分应更多的从电气系统的角度考虑，结合中低压电器设备和控制设备的电击防护以及电磁兼容性EMC的相关标准，设计合理的电气间隙和走线路径。

2 结论

随着科学技术和人类对大自然的认知的不断发展，风机的防雷设计已经从简单的安装外部避雷器来保护发展为多学科，多领域的一项综合系统工程。本文从永磁直驱风力发电机组的结构入手，对其进行防雷保护区域的划分;并从接地系统设计和防雷系统设计两个角度，提出了一套从塔基到叶片等风机机组的各个组成部分的不同的防雷接地系统设计方案。我们应该在进行风电场的系统整体防雷时引进雷电风险评估程序，或可进行针对性的防护设计及产品选型。我们更要从跨学科，跨领域等多角度来考虑防雷保护的设计方案，不断提高与完善防雷设备的可靠性，最大限度的减小雷电的损害。

参考文献

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[2]GB/T 50343-2004.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[3]张兆强.MW级直驱永磁同步风力发电机设计[D].上海：上海交通大学，2007.

[4]朱焕芬，王林，孙立宾.浅谈风力发电机组的防雷设计[J].东方电机，2013，（4）：17-21.

[5]田虎.GCN1000风力发电防雷保护系统设计[J].科技向导，2014，（26）：174-175.

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