變速直驅(qū)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)研究

戴建利+易靈芝+龍辛+朱廣輝+張龍威+詹伶俐

收稿日期：2013-07-08

基金項(xiàng)目：“信息與通信工程”湖南省“十二五”重點(diǎn)學(xué)科，國家能源局國家發(fā)展改革委發(fā)改投資項(xiàng)目2011（1952）號(hào)；湖南省自科基金項(xiàng)目（11JJ8004）；中國高等教育學(xué)會(huì)課題項(xiàng)目（11ZD009）

作者簡介：戴建利（1989—）， 男， 湖南婁底人，碩士研究生，研究方向：新能源發(fā)電系統(tǒng)與技術(shù)。

通訊聯(lián)系人，E-mail：dj2008l@126.com

文章編號(hào)：1003-6199（2014）03-0013-05

摘 要：根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)的研究成果和相關(guān)行業(yè)防雷標(biāo)準(zhǔn)，分析雷電的形成、破壞機(jī)理及其破壞形式。結(jié)合開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)特征，劃分雷電防護(hù)區(qū)域；按照風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的原則，通過外部防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)相結(jié)合，提出開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部件防雷保護(hù)措施。為工程實(shí)踐中開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：綜合雷電防護(hù)技術(shù)；開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)；屏蔽與隔離；電涌保護(hù)器；感應(yīng)過電壓防護(hù)

中圖分類號(hào)：TM352；TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research of Lightning Protection Technology for Variable

Speed Direct Drive SRG Wind Power System

DAI Jian-li1，YI Ling-zhi1，LONG Xin2，ZHU Guang-hui3，ZHANG Long-wei1，ZHAN Ling-li1

（1. Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing （Xiangtan University）， Ministry of Education，

Xiangtan，Hunan 411105，China； 2. XEMC Wind power Co. Ltd.， Xiangtan，Hunan 411101，China；

3. Xiangtan electric drawing equipment research laboratory Co. Ltd， Xiangtan，Hunan 411101，China）

Abstract：By using the research results on lightning protection of wind power units， and the lightning protection standards for the relevant industry， the formation， failure mechanism and the damage form of lightning is analyzed. Combined with the feature of SRG wind power system， the lightning protection area is divided； According to the principles that should be followed to design the lightning protection system of wind power units， the external lightning protection is combined with internal lightning protection， and the lightning protection measures of SRG wind power system are proposed. For lightning protection of SRG wind power system in the engineering practice， certain reference is provided.

Key words：comprehensive lightning protection technology；Switched Reluctance Generator （SRG）；shielding and isolation；surge protection device；induced overvoltage protection

1 引 言

風(fēng)能作為重要和最成熟的可再生能源技術(shù)，具有蘊(yùn)藏量豐富、可再生、分布廣、無污染等特性，已成為可再生能源發(fā)展的重要方向。10多年來全球風(fēng)電穩(wěn)步發(fā)展，2011年累計(jì)裝機(jī)容量接近240GW，約占全球發(fā)電裝機(jī)容量的5%[1]。

與其他風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)憑借轉(zhuǎn)子無繞組無刷、無電磁耦合、容錯(cuò)性能好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速范圍寬、性價(jià)比高等優(yōu)勢在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域受到越來越多的重視[2]。與此同時(shí)，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場的總裝機(jī)容量不斷增長，風(fēng)電場開發(fā)不斷向高海拔和沿海雷電多發(fā)區(qū)拓展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)問題也日益突出。大功率風(fēng)電機(jī)組的塔架最高已超過120m，輪轂高度也增加到35～60m，加上風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常佇立在風(fēng)力強(qiáng)大的高于周圍地區(qū)的制高點(diǎn)且遠(yuǎn)離其他高大物體，很容易遭到雷擊。雷電已成為影響風(fēng)電場安全持續(xù)運(yùn)行的重要因素。

2 雷電的形成、破壞機(jī)理及破壞形式

2.1 雷電的形成

雷電是空中的塵埃、冰晶等物質(zhì)在大氣運(yùn)動(dòng)中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層中某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負(fù)電荷形成的云層與云層之間或者云層與大地之間的大氣放電現(xiàn)象，具有沖擊電流大、時(shí)間短、變化梯度大、沖擊電壓高等特點(diǎn)。雷電可分為直擊雷、感應(yīng)雷、和雷電侵入波三大類[3]。

2.2 雷電的破壞機(jī)理

雷電的破壞機(jī)理與雷擊電流波形及峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷、電流陡度等雷電參數(shù)密切相關(guān)。當(dāng)雷電流流過被擊物體時(shí)，會(huì)導(dǎo)致被擊物溫度升高，還可能產(chǎn)生很大的電磁力使被擊物彎曲；雷電流通道中會(huì)出現(xiàn)電弧，發(fā)生電弧的地方會(huì)出現(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)，電弧會(huì)產(chǎn)生膨脹過電壓，燃弧過程中驟增的高溫可能導(dǎo)致金屬熔化，對(duì)被擊物造成極大的破壞，這是導(dǎo)致許多風(fēng)機(jī)葉片和軸承損壞的主要原因。雷擊過程中產(chǎn)生的雷電電磁脈沖會(huì)造成控制系統(tǒng)或電子器件損壞。

2.3 雷電的破壞形式

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊損壞通常有4種形式：遭受直擊雷而損壞；雷電電磁脈沖沿著與發(fā)電機(jī)相連的信號(hào)線、電源線侵入設(shè)備使其受損；風(fēng)電機(jī)組接地體在雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞；風(fēng)電機(jī)組安裝不當(dāng)，被雷電空間分布的電磁場影響而受損。

3 雷電防護(hù)區(qū)域劃分和設(shè)計(jì)原則

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要包括開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、變槳變速裝置、功率變換器、控制裝置（含功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路、功率開關(guān)過壓/過流保護(hù)電路、發(fā)電機(jī)電壓/電流檢測電路、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路等）、葉片、支撐塔筒、輔助電源等。

3.1 雷電防護(hù)區(qū)域劃分

為了減少電磁干擾與可預(yù)見的耦合干擾，更好的保護(hù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的元件，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)劃分雷電防護(hù)區(qū)域（見圖1）。國際電工委員會(huì)把防雷過電壓保護(hù)的防護(hù)區(qū)域劃分為：LPZ0區(qū)（LPZ0A，LPZ0B），LPZi（i=1，2，3…）[4]。

LPZOA區(qū)主要包括葉片、變槳變速裝置、機(jī)艙罩避雷針系統(tǒng)、架空電力線、塔架等，完全處于電磁場環(huán)境中，有遭受直擊雷的危險(xiǎn)，可能被雷擊電涌破壞。該區(qū)域宜采用外部防雷保護(hù)措施為主，內(nèi)部防雷保護(hù)輔助結(jié)合的方式進(jìn)行雷電防護(hù)。

LPZOB區(qū)主要包括開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、軸承、傳動(dòng)系統(tǒng)、功率變換器、控制柜、傳感器、航標(biāo)燈、未屏蔽的機(jī)艙內(nèi)部等，這些部位沒有遭受直接雷的危險(xiǎn)，但雷電電磁場并沒有任何衰減。該區(qū)域大部分處于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部，主要針對(duì)雷電電磁脈沖采取內(nèi)部防雷措施、部分設(shè)備采用外部防雷措施進(jìn)行保護(hù)。

LPZi區(qū)是后續(xù)防雷區(qū)，主要包括功率變換器驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)電機(jī)電壓/電流檢測電路、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測電路、通訊電纜等，雷電流和電磁場由于屏蔽作用已經(jīng)減弱，存在電涌破壞的危險(xiǎn)。因此該區(qū)域主要采取隔離屏蔽、電涌保護(hù)等內(nèi)部防雷措施。

3.2 雷電防護(hù)設(shè)計(jì)原則

在IEC61400-24中，以雷電的5個(gè)重要參數(shù)，將雷電防護(hù)水平分為表1所示的4級(jí)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷，按照Ⅳ級(jí)保護(hù)水平設(shè)計(jì)。

表1 雷電保護(hù)水平等級(jí)

在進(jìn)行開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)時(shí)遵循以下設(shè)計(jì)原則：1） 用當(dāng)今主流技術(shù)和設(shè)備保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；2） 考慮投資合理性，突出重點(diǎn)；3） 防雷系統(tǒng)使用壽命較長；4） 遵守國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，便于維護(hù)。

4 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)綜合防雷技術(shù)

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)包括外部防雷保護(hù)和內(nèi)部防雷保護(hù)兩大部分。

4.1 外部防雷保護(hù)

外部防雷保護(hù)主要是直擊雷防護(hù)，目前采用最多的仍是傳統(tǒng)的富蘭克林避雷方法，包括葉片防雷保護(hù)、機(jī)艙防雷保護(hù)、軸承防雷保護(hù)、塔架和引下線和接地系統(tǒng)。

4.1.1 葉片防雷保護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且由導(dǎo)電不良的增強(qiáng)型纖維復(fù)合材料制成，是風(fēng)電機(jī)組中最暴露的部分。采用滾球法可以看到，葉片的大部分處于LPZOA區(qū)（見圖2），受全部電磁場的影響，極易遭受直擊雷。按照由雷擊引起的維修成本，從大到小依次是葉片、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。因此，葉片的防雷保護(hù)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)中重要的一環(huán)。

物體被雷電擊中，雷電流總是會(huì)選擇傳導(dǎo)性最好的阻力最小路徑，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的葉片應(yīng)采用具有這防雷路徑的裝置來實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)。針對(duì)目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的兩種葉片結(jié)構(gòu)，有葉尖阻尼器的葉片是在葉尖部分的纖維復(fù)合材料中預(yù)置金屬導(dǎo)體作為接閃器，通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動(dòng)葉尖阻尼器的鋼絲相連接，見圖3；無葉尖阻尼器葉片是在葉尖部分材料表面預(yù)置金屬化物作為接閃器，并與置于葉片內(nèi)的銅導(dǎo)體相連接，當(dāng)遭到雷擊時(shí)，雷電流流經(jīng)內(nèi)部金屬導(dǎo)體迅速傳導(dǎo)至葉片法蘭，通過葉片法蘭和變漿軸承傳到輪轂，保護(hù)葉片不被破壞， 見圖4。

4.1.2機(jī)艙防雷保護(hù)

除葉片采取防雷保護(hù)措施，實(shí)現(xiàn)機(jī)艙的直擊雷防護(hù)外，還要在機(jī)艙頂部設(shè)立與機(jī)架緊密連接的避雷針、保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)。在遭受雷擊時(shí)，將雷電流通過接地電纜傳到機(jī)艙上層平臺(tái)，避免雷電流沿傳動(dòng)系統(tǒng)傳導(dǎo)。

單支避雷針的保護(hù)范圍，按下列方法確定：

當(dāng)hx≥h2時(shí)，rx=h-hxp（1）

當(dāng)hx

其中， h為避雷針高度，p為高度影響系數(shù)，當(dāng)h<30m時(shí)，p=1 ；當(dāng)30

為防止直擊雷破壞艙內(nèi)設(shè)備，如果機(jī)艙外殼為鋼板制成，鋼板厚度必須大于4mm；如果機(jī)艙外殼為復(fù)合材料，應(yīng)在機(jī)艙外面采用直徑不小于2.5mm的鋼絲敷設(shè)30mm×30mm金屬網(wǎng)格，兼做接閃器和屏蔽作用，必要情況下，需通過計(jì)算加大鋼絲直徑和網(wǎng)格密度[5]。

4.1.3 軸承防雷保護(hù)

由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組、無電磁耦合，與永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與主軸可以承受較大的電流通過，只需采取措施防止雷電流通過時(shí)在主軸和轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生電弧，以致軸承中的機(jī)械傳動(dòng)部件被雷電流灼蝕損壞。按照IEC62305-3的規(guī)定，可添加絕緣層改變雷電流路徑，添加與軸承平行的滑環(huán)來承受部分雷電流，減少流過偏航軸承、變槳軸承等部件接觸面的電流，延長其使用壽命。

4.1.4 塔架及引下線

按照長度最短、路徑最直接的原則，設(shè)置引下線連接機(jī)艙和塔架，減輕電壓降，雷電流通過接地線，跨越偏航環(huán)、機(jī)艙和偏航剎車盤被引入大地。當(dāng)塔架為金屬制成或者有相互連接的鋼筋網(wǎng)時(shí)可作為自然引下線。

4.1.5 接地系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地系統(tǒng)是整個(gè)防雷保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)置，雷電流通過接地裝置流向大地，和其它防雷裝置一起為風(fēng)機(jī)遭受雷擊時(shí)提供泄流通道[6]。

根據(jù)IEC規(guī)范要求：接地電阻必須小于1～2Ω。風(fēng)電機(jī)組的接地裝置一般采用環(huán)形接地體、基礎(chǔ)接地體、水平接地體或垂直接地體組合。在風(fēng)電機(jī)組周圍用一個(gè)截徑不小于50mm2的實(shí)心銅環(huán)導(dǎo)體置在離基礎(chǔ)1m，深1m處，圍成半徑不小于6m的環(huán)形接地體，每隔一定距離用截徑不小于50mm2實(shí)心銅導(dǎo)體與環(huán)形接地體連接打入地下，作為銅導(dǎo)電環(huán)的補(bǔ)充；銅導(dǎo)電環(huán)連接到塔架基礎(chǔ)的2個(gè)相反的位置，地面控制器連接到連點(diǎn)之一（見圖5），形成一個(gè)小型接地網(wǎng)。如果風(fēng)電機(jī)組所處位置土壤電阻率較高，或者由于地形影響，風(fēng)電機(jī)組無法向外擴(kuò)張，接地電阻無法滿足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用風(fēng)電廠內(nèi)布置的電力電纜和通信電纜的屏蔽層將所有風(fēng)電機(jī)組的接地網(wǎng)連接起來形成一個(gè)龐大的接地網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)；采用降阻劑、深井接地、斜井接地、蜂窩狀接地、增大接地網(wǎng)面積、增加垂直接地體、敷設(shè)水下接地網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)降阻。

4.2 內(nèi)部防雷保護(hù)

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部防雷保護(hù)主要針對(duì)雷擊產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，分別對(duì)設(shè)備與電源線、信號(hào)線進(jìn)行等電位連接、屏蔽與隔離、感應(yīng)過電壓防護(hù)、添加電涌保護(hù)器。

4.2.1 等電位連接

為了把開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分連接為一個(gè)電氣整體，使其在遭受雷擊時(shí)能夠形成一個(gè)快速通道將雷電流引入接地裝置，風(fēng)輪與機(jī)艙間、機(jī)艙與機(jī)艙底座間、尾舵與水平軸間應(yīng)單獨(dú)使用截面積不小于16mm2的多股銅芯線或采用焊接、螺栓連接等方法做可靠電氣連接，各連接處電阻應(yīng)不大于0.03Ω。風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)、避雷針一起接地等電位[7]；機(jī)艙內(nèi)部各個(gè)部件如主軸承、發(fā)電機(jī)、軸承等以合適尺寸的接地帶連接到機(jī)艙底座作為等電位；功率變換器、控制箱外殼連接到機(jī)艙底座設(shè)置等電位。

4.2.2 屏蔽與隔離

屏蔽可以減少元件間的電容性耦合。由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組，不存在電磁耦合，所以開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本身就是一個(gè)電磁屏蔽體，只需對(duì)發(fā)電機(jī)以外的設(shè)備采取屏蔽措施。由于雷電流具有趨膚效應(yīng)，金屬塔筒對(duì)其中的線路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽電纜可以減少電磁耦合的影響；對(duì)于多根電纜，可以考慮捆扎以減少電磁耦合的影響；控制箱采用薄鋼板制作，也可以有效防止電磁脈沖對(duì)其內(nèi)部線路的干擾。

同時(shí)，與永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，由于開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器主電路和控制電路都處于控制箱內(nèi)部，強(qiáng)電模塊和弱電模塊之間必須采用光電耦合模塊進(jìn)行隔離（見圖6），既可以防止雷電電磁脈沖侵入，也可以在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)防止強(qiáng)電與弱電之間相互干擾。此外，在機(jī)艙上的處理器和地面控制器之間最好采用光纖通信，處理器和傳感器采用直流電源分開供電，轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用光電編碼盤對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才傳遞給控制電路，亦可以對(duì)雷電電磁脈沖進(jìn)行隔離。

4.2.3 感應(yīng)過電壓防護(hù)

對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)都應(yīng)安裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置。在發(fā)電機(jī)、控制器電子組件、通信電纜終端等，可以采用避雷器或者壓敏電阻模塊進(jìn)行過電壓防護(hù)；對(duì)于暴露在雷區(qū)的傳感器采樣信號(hào)，采用防雷線圈進(jìn)行隔離保護(hù)，并通過RS485接口保護(hù)電路（見圖7）與風(fēng)電場監(jiān)控室進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，將數(shù)據(jù)隔離后進(jìn)行傳輸。信號(hào)線路應(yīng)盡可能短，并盡可能靠近金屬構(gòu)件布置；發(fā)電機(jī)和軸承等部件的敏感線路應(yīng)布置在兩端固定的線槽中；設(shè)置多個(gè)平行的電流通路使各路電流最小，盡可能減少感應(yīng)過電壓的影響。

4.2.4 電涌保護(hù)器

雷擊產(chǎn)生的高速變化的電磁場作用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣回路和通信線路，產(chǎn)生尖峰電流或電壓，當(dāng)尖峰電流或電壓持續(xù)時(shí)間超過3毫秒時(shí)稱為電涌[8]。電涌會(huì)使回路中的電子設(shè)備受到?jīng)_擊而損壞。安裝電涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）能夠限制尖峰電壓、分流電涌電流、有效防護(hù)雷電電磁脈沖入侵。

選用SPD必須按照不同雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度和等電位連接點(diǎn)的位置。根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備采用相應(yīng)SPD，實(shí)現(xiàn)與共用接地體等電位連接。遵循靠近被保護(hù)設(shè)備，接地線就近接地原則安裝SPD。

根據(jù)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電子設(shè)備采用三級(jí)電涌保護(hù)。在電源入口部位裝設(shè)第一級(jí)SPD，采用開關(guān)型SPD將殘壓控制在4kV以下；在發(fā)電機(jī)處安裝第二級(jí)SPD，將限壓型SPD安裝在塔架配電柜及機(jī)艙內(nèi)，進(jìn)行有效保護(hù)；第三級(jí)采用限壓型SPD，在前面兩級(jí)SPD泄放雷電流后殘壓的基礎(chǔ)上對(duì)電氣回路內(nèi)的雷電流進(jìn)一步泄放，實(shí)現(xiàn)終端避雷。安裝SPD時(shí)，第一級(jí)SPD應(yīng)靠近總進(jìn)線等電位連接端子處，第二、三級(jí)SPD應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的電氣設(shè)備；要用截面積不小于16mm2且短而直的銅芯電纜將SPD進(jìn)行等電位連接。

5 結(jié) 語

雷電是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)乃至整個(gè)風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一，作為一種新型發(fā)電機(jī)組，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)是一項(xiàng)綜合工程。本文提出的雷電防護(hù)措施，可以為開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供全方位雷電防護(hù)。但是我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到雷電防護(hù)措施只能減少雷電帶來的損失，并不能完全消除雷擊的危險(xiǎn)。本文結(jié)合開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部分，為工程實(shí)踐中開關(guān)系組風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李俊峰.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2012[R].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2012，9.

[2] Huang zhao， Yi Lingzhi， Peng Hanmei， et al. Research and Control of SRG for Variable Speed Wind Energy Applications[C].IEEE 6th International Power Electronics and Motion control conference. Wuhan China：2009.

[3] 唐治平.供配電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.6.

[4] IEC/TC88.IEC/TR61400-24-2002 Wind Turbine Generator Systems.Part24：Lightning Protection [S].Geneva， Switzer-land. IEC Press，2002

[5] IEC62305-3.Protection against lightning-part 3，physical damage to structures and life hazard[S]. 2006.

[6] 王麗廣. 風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)[J]. 變流技術(shù)和電力牽引. 2008，31（2）：37-39.

[7] 孫大鵬， 呂躍剛. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)[J]. 中國電力教育. 2008，3：661-663.

[8] 蔡睿， 史曉鳴. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)系統(tǒng)電涌保護(hù)器的計(jì)算和選用[J]. 能源與環(huán)境.2010，04：68-69.

[9] 胡海燕. 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[10]趙永炬. 用IEC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保護(hù)系統(tǒng)[J]. 通用機(jī)械 2008，07：70-73.

4.1.4 塔架及引下線

按照長度最短、路徑最直接的原則，設(shè)置引下線連接機(jī)艙和塔架，減輕電壓降，雷電流通過接地線，跨越偏航環(huán)、機(jī)艙和偏航剎車盤被引入大地。當(dāng)塔架為金屬制成或者有相互連接的鋼筋網(wǎng)時(shí)可作為自然引下線。

4.1.5 接地系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地系統(tǒng)是整個(gè)防雷保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)置，雷電流通過接地裝置流向大地，和其它防雷裝置一起為風(fēng)機(jī)遭受雷擊時(shí)提供泄流通道[6]。

根據(jù)IEC規(guī)范要求：接地電阻必須小于1～2Ω。風(fēng)電機(jī)組的接地裝置一般采用環(huán)形接地體、基礎(chǔ)接地體、水平接地體或垂直接地體組合。在風(fēng)電機(jī)組周圍用一個(gè)截徑不小于50mm2的實(shí)心銅環(huán)導(dǎo)體置在離基礎(chǔ)1m，深1m處，圍成半徑不小于6m的環(huán)形接地體，每隔一定距離用截徑不小于50mm2實(shí)心銅導(dǎo)體與環(huán)形接地體連接打入地下，作為銅導(dǎo)電環(huán)的補(bǔ)充；銅導(dǎo)電環(huán)連接到塔架基礎(chǔ)的2個(gè)相反的位置，地面控制器連接到連點(diǎn)之一（見圖5），形成一個(gè)小型接地網(wǎng)。如果風(fēng)電機(jī)組所處位置土壤電阻率較高，或者由于地形影響，風(fēng)電機(jī)組無法向外擴(kuò)張，接地電阻無法滿足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用風(fēng)電廠內(nèi)布置的電力電纜和通信電纜的屏蔽層將所有風(fēng)電機(jī)組的接地網(wǎng)連接起來形成一個(gè)龐大的接地網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)；采用降阻劑、深井接地、斜井接地、蜂窩狀接地、增大接地網(wǎng)面積、增加垂直接地體、敷設(shè)水下接地網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)降阻。

4.2 內(nèi)部防雷保護(hù)

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部防雷保護(hù)主要針對(duì)雷擊產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，分別對(duì)設(shè)備與電源線、信號(hào)線進(jìn)行等電位連接、屏蔽與隔離、感應(yīng)過電壓防護(hù)、添加電涌保護(hù)器。

4.2.1 等電位連接

為了把開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分連接為一個(gè)電氣整體，使其在遭受雷擊時(shí)能夠形成一個(gè)快速通道將雷電流引入接地裝置，風(fēng)輪與機(jī)艙間、機(jī)艙與機(jī)艙底座間、尾舵與水平軸間應(yīng)單獨(dú)使用截面積不小于16mm2的多股銅芯線或采用焊接、螺栓連接等方法做可靠電氣連接，各連接處電阻應(yīng)不大于0.03Ω。風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)、避雷針一起接地等電位[7]；機(jī)艙內(nèi)部各個(gè)部件如主軸承、發(fā)電機(jī)、軸承等以合適尺寸的接地帶連接到機(jī)艙底座作為等電位；功率變換器、控制箱外殼連接到機(jī)艙底座設(shè)置等電位。

4.2.2 屏蔽與隔離

屏蔽可以減少元件間的電容性耦合。由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組，不存在電磁耦合，所以開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本身就是一個(gè)電磁屏蔽體，只需對(duì)發(fā)電機(jī)以外的設(shè)備采取屏蔽措施。由于雷電流具有趨膚效應(yīng)，金屬塔筒對(duì)其中的線路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽電纜可以減少電磁耦合的影響；對(duì)于多根電纜，可以考慮捆扎以減少電磁耦合的影響；控制箱采用薄鋼板制作，也可以有效防止電磁脈沖對(duì)其內(nèi)部線路的干擾。

同時(shí)，與永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，由于開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器主電路和控制電路都處于控制箱內(nèi)部，強(qiáng)電模塊和弱電模塊之間必須采用光電耦合模塊進(jìn)行隔離（見圖6），既可以防止雷電電磁脈沖侵入，也可以在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)防止強(qiáng)電與弱電之間相互干擾。此外，在機(jī)艙上的處理器和地面控制器之間最好采用光纖通信，處理器和傳感器采用直流電源分開供電，轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用光電編碼盤對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才傳遞給控制電路，亦可以對(duì)雷電電磁脈沖進(jìn)行隔離。

4.2.3 感應(yīng)過電壓防護(hù)

對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)都應(yīng)安裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置。在發(fā)電機(jī)、控制器電子組件、通信電纜終端等，可以采用避雷器或者壓敏電阻模塊進(jìn)行過電壓防護(hù)；對(duì)于暴露在雷區(qū)的傳感器采樣信號(hào)，采用防雷線圈進(jìn)行隔離保護(hù)，并通過RS485接口保護(hù)電路（見圖7）與風(fēng)電場監(jiān)控室進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，將數(shù)據(jù)隔離后進(jìn)行傳輸。信號(hào)線路應(yīng)盡可能短，并盡可能靠近金屬構(gòu)件布置；發(fā)電機(jī)和軸承等部件的敏感線路應(yīng)布置在兩端固定的線槽中；設(shè)置多個(gè)平行的電流通路使各路電流最小，盡可能減少感應(yīng)過電壓的影響。

4.2.4 電涌保護(hù)器

雷擊產(chǎn)生的高速變化的電磁場作用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣回路和通信線路，產(chǎn)生尖峰電流或電壓，當(dāng)尖峰電流或電壓持續(xù)時(shí)間超過3毫秒時(shí)稱為電涌[8]。電涌會(huì)使回路中的電子設(shè)備受到?jīng)_擊而損壞。安裝電涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）能夠限制尖峰電壓、分流電涌電流、有效防護(hù)雷電電磁脈沖入侵。

選用SPD必須按照不同雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度和等電位連接點(diǎn)的位置。根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備采用相應(yīng)SPD，實(shí)現(xiàn)與共用接地體等電位連接。遵循靠近被保護(hù)設(shè)備，接地線就近接地原則安裝SPD。

根據(jù)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電子設(shè)備采用三級(jí)電涌保護(hù)。在電源入口部位裝設(shè)第一級(jí)SPD，采用開關(guān)型SPD將殘壓控制在4kV以下；在發(fā)電機(jī)處安裝第二級(jí)SPD，將限壓型SPD安裝在塔架配電柜及機(jī)艙內(nèi)，進(jìn)行有效保護(hù)；第三級(jí)采用限壓型SPD，在前面兩級(jí)SPD泄放雷電流后殘壓的基礎(chǔ)上對(duì)電氣回路內(nèi)的雷電流進(jìn)一步泄放，實(shí)現(xiàn)終端避雷。安裝SPD時(shí)，第一級(jí)SPD應(yīng)靠近總進(jìn)線等電位連接端子處，第二、三級(jí)SPD應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的電氣設(shè)備；要用截面積不小于16mm2且短而直的銅芯電纜將SPD進(jìn)行等電位連接。

5 結(jié) 語

雷電是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)乃至整個(gè)風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一，作為一種新型發(fā)電機(jī)組，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)是一項(xiàng)綜合工程。本文提出的雷電防護(hù)措施，可以為開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供全方位雷電防護(hù)。但是我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到雷電防護(hù)措施只能減少雷電帶來的損失，并不能完全消除雷擊的危險(xiǎn)。本文結(jié)合開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部分，為工程實(shí)踐中開關(guān)系組風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李俊峰.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2012[R].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2012，9.

[2] Huang zhao， Yi Lingzhi， Peng Hanmei， et al. Research and Control of SRG for Variable Speed Wind Energy Applications[C].IEEE 6th International Power Electronics and Motion control conference. Wuhan China：2009.

[3] 唐治平.供配電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.6.

[4] IEC/TC88.IEC/TR61400-24-2002 Wind Turbine Generator Systems.Part24：Lightning Protection [S].Geneva， Switzer-land. IEC Press，2002

[5] IEC62305-3.Protection against lightning-part 3，physical damage to structures and life hazard[S]. 2006.

[6] 王麗廣. 風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)[J]. 變流技術(shù)和電力牽引. 2008，31（2）：37-39.

[7] 孫大鵬， 呂躍剛. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)[J]. 中國電力教育. 2008，3：661-663.

[8] 蔡睿， 史曉鳴. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷保護(hù)系統(tǒng)電涌保護(hù)器的計(jì)算和選用[J]. 能源與環(huán)境.2010，04：68-69.

[9] 胡海燕. 開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[10]趙永炬. 用IEC的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷保護(hù)系統(tǒng)[J]. 通用機(jī)械 2008，07：70-73.

4.1.4 塔架及引下線

按照長度最短、路徑最直接的原則，設(shè)置引下線連接機(jī)艙和塔架，減輕電壓降，雷電流通過接地線，跨越偏航環(huán)、機(jī)艙和偏航剎車盤被引入大地。當(dāng)塔架為金屬制成或者有相互連接的鋼筋網(wǎng)時(shí)可作為自然引下線。

4.1.5 接地系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地系統(tǒng)是整個(gè)防雷保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)置，雷電流通過接地裝置流向大地，和其它防雷裝置一起為風(fēng)機(jī)遭受雷擊時(shí)提供泄流通道[6]。

根據(jù)IEC規(guī)范要求：接地電阻必須小于1～2Ω。風(fēng)電機(jī)組的接地裝置一般采用環(huán)形接地體、基礎(chǔ)接地體、水平接地體或垂直接地體組合。在風(fēng)電機(jī)組周圍用一個(gè)截徑不小于50mm2的實(shí)心銅環(huán)導(dǎo)體置在離基礎(chǔ)1m，深1m處，圍成半徑不小于6m的環(huán)形接地體，每隔一定距離用截徑不小于50mm2實(shí)心銅導(dǎo)體與環(huán)形接地體連接打入地下，作為銅導(dǎo)電環(huán)的補(bǔ)充；銅導(dǎo)電環(huán)連接到塔架基礎(chǔ)的2個(gè)相反的位置，地面控制器連接到連點(diǎn)之一（見圖5），形成一個(gè)小型接地網(wǎng)。如果風(fēng)電機(jī)組所處位置土壤電阻率較高，或者由于地形影響，風(fēng)電機(jī)組無法向外擴(kuò)張，接地電阻無法滿足小于1～2Ω的要求，需要采取其他改善措施，如利用風(fēng)電廠內(nèi)布置的電力電纜和通信電纜的屏蔽層將所有風(fēng)電機(jī)組的接地網(wǎng)連接起來形成一個(gè)龐大的接地網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)；采用降阻劑、深井接地、斜井接地、蜂窩狀接地、增大接地網(wǎng)面積、增加垂直接地體、敷設(shè)水下接地網(wǎng)等實(shí)現(xiàn)降阻。

4.2 內(nèi)部防雷保護(hù)

開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)部防雷保護(hù)主要針對(duì)雷擊產(chǎn)生的雷電電磁脈沖，分別對(duì)設(shè)備與電源線、信號(hào)線進(jìn)行等電位連接、屏蔽與隔離、感應(yīng)過電壓防護(hù)、添加電涌保護(hù)器。

4.2.1 等電位連接

為了把開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各部分連接為一個(gè)電氣整體，使其在遭受雷擊時(shí)能夠形成一個(gè)快速通道將雷電流引入接地裝置，風(fēng)輪與機(jī)艙間、機(jī)艙與機(jī)艙底座間、尾舵與水平軸間應(yīng)單獨(dú)使用截面積不小于16mm2的多股銅芯線或采用焊接、螺栓連接等方法做可靠電氣連接，各連接處電阻應(yīng)不大于0.03Ω。風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)、避雷針一起接地等電位[7]；機(jī)艙內(nèi)部各個(gè)部件如主軸承、發(fā)電機(jī)、軸承等以合適尺寸的接地帶連接到機(jī)艙底座作為等電位；功率變換器、控制箱外殼連接到機(jī)艙底座設(shè)置等電位。

4.2.2 屏蔽與隔離

屏蔽可以減少元件間的電容性耦合。由于開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組，不存在電磁耦合，所以開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)本身就是一個(gè)電磁屏蔽體，只需對(duì)發(fā)電機(jī)以外的設(shè)備采取屏蔽措施。由于雷電流具有趨膚效應(yīng)，金屬塔筒對(duì)其中的線路具有非常好的屏蔽效果；使用屏蔽電纜可以減少電磁耦合的影響；對(duì)于多根電纜，可以考慮捆扎以減少電磁耦合的影響；控制箱采用薄鋼板制作，也可以有效防止電磁脈沖對(duì)其內(nèi)部線路的干擾。

同時(shí)，與永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比，由于開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率變換器主電路和控制電路都處于控制箱內(nèi)部，強(qiáng)電模塊和弱電模塊之間必須采用光電耦合模塊進(jìn)行隔離（見圖6），既可以防止雷電電磁脈沖侵入，也可以在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)防止強(qiáng)電與弱電之間相互干擾。此外，在機(jī)艙上的處理器和地面控制器之間最好采用光纖通信，處理器和傳感器采用直流電源分開供電，轉(zhuǎn)子位置檢測電路采用光電編碼盤對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才傳遞給控制電路，亦可以對(duì)雷電電磁脈沖進(jìn)行隔離。

4.2.3 感應(yīng)過電壓防護(hù)

對(duì)開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)都應(yīng)安裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置。在發(fā)電機(jī)、控制器電子組件、通信電纜終端等，可以采用避雷器或者壓敏電阻模塊進(jìn)行過電壓防護(hù)；對(duì)于暴露在雷區(qū)的傳感器采樣信號(hào)，采用防雷線圈進(jìn)行隔離保護(hù)，并通過RS485接口保護(hù)電路（見圖7）與風(fēng)電場監(jiān)控室進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，將數(shù)據(jù)隔離后進(jìn)行傳輸。信號(hào)線路應(yīng)盡可能短，并盡可能靠近金屬構(gòu)件布置；發(fā)電機(jī)和軸承等部件的敏感線路應(yīng)布置在兩端固定的線槽中；設(shè)置多個(gè)平行的電流通路使各路電流最小，盡可能減少感應(yīng)過電壓的影響。

4.2.4 電涌保護(hù)器

雷擊產(chǎn)生的高速變化的電磁場作用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電氣回路和通信線路，產(chǎn)生尖峰電流或電壓，當(dāng)尖峰電流或電壓持續(xù)時(shí)間超過3毫秒時(shí)稱為電涌[8]。電涌會(huì)使回路中的電子設(shè)備受到?jīng)_擊而損壞。安裝電涌保護(hù)器（Surge Protection Device，SPD）能夠限制尖峰電壓、分流電涌電流、有效防護(hù)雷電電磁脈沖入侵。

選用SPD必須按照不同雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度和等電位連接點(diǎn)的位置。根據(jù)該區(qū)域內(nèi)的電氣設(shè)備采用相應(yīng)SPD，實(shí)現(xiàn)與共用接地體等電位連接。遵循靠近被保護(hù)設(shè)備，接地線就近接地原則安裝SPD。

根據(jù)開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷電防護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)電子設(shè)備采用三級(jí)電涌保護(hù)。在電源入口部位裝設(shè)第一級(jí)SPD，采用開關(guān)型SPD將殘壓控制在4kV以下；在發(fā)電機(jī)處安裝第二級(jí)SPD，將限壓型SPD安裝在塔架配電柜及機(jī)艙內(nèi)，進(jìn)行有效保護(hù)；第三級(jí)采用限壓型SPD，在前面兩級(jí)SPD泄放雷電流后殘壓的基礎(chǔ)上對(duì)電氣回路內(nèi)的雷電流進(jìn)一步泄放，實(shí)現(xiàn)終端避雷。安裝SPD時(shí)，第一級(jí)SPD應(yīng)靠近總進(jìn)線等電位連接端子處，第二、三級(jí)SPD應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的電氣設(shè)備；要用截面積不小于16mm2且短而直的銅芯電纜將SPD進(jìn)行等電位連接。

5 結(jié) 語

雷電是影響風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)乃至整個(gè)風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一，作為一種新型發(fā)電機(jī)組，開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)是一項(xiàng)綜合工程。本文提出的雷電防護(hù)措施，可以為開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)提供全方位雷電防護(hù)。但是我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到雷電防護(hù)措施只能減少雷電帶來的損失，并不能完全消除雷擊的危險(xiǎn)。本文結(jié)合開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各個(gè)部分，為工程實(shí)踐中開關(guān)系組風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷電防護(hù)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李俊峰.中國風(fēng)電發(fā)展報(bào)告2012[R].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2012，9.

[2] Huang zhao， Yi Lingzhi， Peng Hanmei， et al. Research and Control of SRG for Variable Speed Wind Energy Applications[C].IEEE 6th International Power Electronics and Motion control conference. Wuhan China：2009.

[3] 唐治平.供配電技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.6.

[4] IEC/TC88.IEC/TR61400-24-2002 Wind Turbine Generator Systems.Part24：Lightning Protection [S].Geneva， Switzer-land. IEC Press，2002

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