永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的防雷接地保護(hù)探討

姚丙義

摘 要： 隨著永磁材料價格的降低，永磁直驅(qū)發(fā)電技術(shù)正發(fā)展成為風(fēng)機大型化，高效化的不二之選。風(fēng)力發(fā)電機組通常是安裝在曠野，山頂及沿海地區(qū)，其幾十米的高度使其遠(yuǎn)高于周圍的建筑物，自然成為雷電首要的接閃物。特別是隨著風(fēng)機容量的提升，其輪轂高度和葉片直徑的加大，使其受到雷擊破壞的概率極大。雷閃破壞已成為風(fēng)機故障和停機的重要因素，甚至直接影響風(fēng)電場的安全運行。針對永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)特點，對其進(jìn)行雷電防護(hù)區(qū)域的劃分;從防雷系統(tǒng)和接地系統(tǒng)兩個角度出發(fā)，對機組的各組成部件進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并提出有效的防雷接地方案。

關(guān)鍵詞： 永磁直驅(qū);雷電防護(hù);防雷系統(tǒng);接地系統(tǒng)

中圖分類號： TB????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A????? doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.13.092

0 引言

風(fēng)力發(fā)電機通常位置偏遠(yuǎn)開闊，規(guī)模不斷擴大，所以整個風(fēng)機極易成為附近最高的建筑結(jié)構(gòu)，且被雷電擊中的概率與其物體的高度的平方值成正比，顯著增加了遭受雷擊的可能性。兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機的葉片高度達(dá)到150m以上，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，葉片被擊中率達(dá)4%，維修費用很快達(dá)到$30，000，并且維修時間曠日持久。加之其他通訊電氣元件被擊中率更高達(dá)20%，一旦發(fā)生即會給風(fēng)電場造成直接和間接的巨大的經(jīng)濟(jì)損失。可以說雷擊已成為威脅風(fēng)力發(fā)電機組安全運行的最主要的自然災(zāi)害。

1 風(fēng)力發(fā)電機組的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計原則

不像水電和火電機組有龐大的鋼結(jié)構(gòu)廠房，設(shè)備一般遠(yuǎn)離墻壁和接地引下線等，整個風(fēng)機是完全暴露在直接雷擊的威脅下，且高度遠(yuǎn)超過周圍的建筑，使其任何地方都可能成為雷擊的附著點。另外風(fēng)機內(nèi)部集成了大量的電氣、電子設(shè)備，無論那一點被雷擊中時，都會導(dǎo)致內(nèi)部組件遭受外部接閃對象的高電位反擊。因此風(fēng)力發(fā)電機組的防雷設(shè)計與一般的建（構(gòu)）筑物不同，它更是一個集機械，電氣，控制等一體的綜合性防雷系統(tǒng)工程。既然雷擊的發(fā)生不可避免，那么我們就需要在風(fēng)機的整體設(shè)計上，搭建一路或多路使雷電流快速導(dǎo)入到大地的泄放通道，最大限度的減少由雷電導(dǎo)入設(shè)備的電流，保障人員和設(shè)備的安全，將損失最大程度的減免。

1.1 接地系統(tǒng)設(shè)計

風(fēng)電機組的接地系統(tǒng)設(shè)計，自底向上來說，主要包括地基和基礎(chǔ)環(huán)的連接接地，塔底的連接接地，塔筒內(nèi)的連接接地和艙內(nèi)的連接接地等幾部分。地基用于固定整個風(fēng)電機組，從結(jié)構(gòu)上分為籠式結(jié)構(gòu)和地基環(huán)結(jié)構(gòu)，這要根據(jù)機組所處的地質(zhì)條件。但兩者的原理是一致的，均是采用環(huán)形接地設(shè)計，從基礎(chǔ)環(huán)最少有3條接地引線以120度的放射線與外環(huán)地網(wǎng)可靠連接。塔筒內(nèi)的接地設(shè)計，主要是指塔筒內(nèi)部金屬部件，如操作平臺，升降梯，門板等的連接接地。

1.2 防雷系統(tǒng)設(shè)計

雷電保護(hù)區(qū)域理論是風(fēng)力發(fā)電機組防雷保護(hù)綜合設(shè)計的基礎(chǔ)。根據(jù)IEC61400-24或GB/Z 25427-2010的定義，防雷區(qū)域的劃分如圖1所示，定義在LPZ1保護(hù)區(qū)域內(nèi)包括風(fēng)機機艙、塔筒、塔底和箱變部分，在LPZ2保護(hù)區(qū)域內(nèi)的部分是指物理安裝在LPZ1內(nèi)部的柜子和元器件。像風(fēng)速風(fēng)向儀，葉片是在機艙外部安裝的，定義為在LPZ0B保護(hù)區(qū)域內(nèi)。

在不同的保護(hù)區(qū)域內(nèi)采用不同的防雷手段，從而減小或消除雷電破壞或電磁干擾，保證風(fēng)機的電氣及電子設(shè)備的正常運行。

1.2.1 風(fēng)機雷電防護(hù)的分類

參考《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB 50057-94（2000版）對建筑物的防雷分類，并結(jié)合風(fēng)機各組成部件的結(jié)構(gòu)空間的相互關(guān)系，可將風(fēng)力發(fā)電機的防雷系統(tǒng)分為外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩大類，如圖2所示。

1.2.2 外部防雷系統(tǒng)—接閃器

風(fēng)電機組的接閃裝置一般設(shè)置在最外部的五個位置，分別安裝在三個風(fēng)機葉片、機艙罩項部、氣象站支架上，它們能最先接觸雷電并傳導(dǎo)雷電流。根據(jù)IEC61400-24《風(fēng)力發(fā)電機組防雷擊保護(hù)》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對葉片進(jìn)行防雷擊設(shè)計。葉片自身設(shè)計有2處接閃設(shè)備，分別為鋁制葉尖接閃器和銅制接閃盤（直徑120mm，安裝在葉片表面），如圖3所示。

葉片引下線與輪轂銅排連通后，然后通過輪轂軸承內(nèi)圈上安裝的接地電刷實現(xiàn)連通，然后主軸承內(nèi)圈與定子把合，同時發(fā)電機定子與機座主軸承轉(zhuǎn)子剎車片也裝有碳刷，碳刷安裝在支架上，支架用銅排聯(lián)結(jié)于發(fā)電機定子機座上，發(fā)電機與安裝在機艙上的接地銅排之間用接地線連接;接地銅排與塔基進(jìn)行接地線連接。

機艙項部裝有避雷針兩個，風(fēng)速風(fēng)向儀支架上設(shè)有圓形接閃器，為了保持地電位，這里也使用平行路徑理念，主要用最小截面積70mm2銅電纜連接于匯流排，從而構(gòu)成一個完整電纜籠結(jié)構(gòu)。

1.2.3 外部防雷系統(tǒng)—引下線

永磁直驅(qū)風(fēng)機塔筒由四節(jié)或多節(jié)鋼制塔筒組成。應(yīng)用平行路徑理念設(shè)計有三點（120度均勻布置）連接傳導(dǎo)雷電，即包括不銹鋼穿孔面板與塔筒節(jié)法蘭面的孔螺栓連接。在塔底部分連接處在三點（l20度均勻布置）與95mm2銅電纜母線連接，并與預(yù)埋的接地扁鋼良好連接，此處要求與接地要求一致。

1.2.4 外部防雷系統(tǒng)—接地系統(tǒng)

結(jié)合上面風(fēng)機各部分的接地系統(tǒng)設(shè)計，風(fēng)力發(fā)電機的接地由塔基的基礎(chǔ)接地提供，并與風(fēng)機整機各部件接地通路共同構(gòu)成風(fēng)機遭受雷擊時的雷電流泄流通道，這里給出兩條路徑，如圖4所示。

1.2.5 內(nèi)部防雷系統(tǒng)—控制系統(tǒng)的電涌保護(hù)

依據(jù)GB50057-1994的相關(guān)規(guī)定，浪涌保護(hù)器安裝位置及保護(hù)等級的不同，可將風(fēng)機內(nèi)設(shè)備的電涌保護(hù)裝置設(shè)置在以下六個部分：（1）發(fā)電機的保護(hù);（2）機艙控制柜;（3）輪轂控制柜;（4）塔基變頻柜;（5）塔基控制柜;（6）變壓器端的保護(hù)，以及各自的弱電線路。圖5給出了SPD在各個不同設(shè)備中的配置。

對于電涌保護(hù)器的安裝，電源線路的各級SPD應(yīng)分別安裝在被保護(hù)設(shè)備電源的前端，SPD各接線端應(yīng)分別與配電箱內(nèi)線路同名端連接。SPD的接地端與配電箱的保護(hù)接地（PE）端子排連接，配電箱接地端子排應(yīng)與所處防雷區(qū)的等電位接地端子排連接。各級SPD連接導(dǎo)線應(yīng)平直，其長度不宜超過0.5m。

1.2.6 內(nèi)部防雷系統(tǒng)—等電位連接及屏蔽與隔離

等電位連接可以有效地抑制雷電引起的電位差，在防雷擊等電位連接系統(tǒng)內(nèi)，所有導(dǎo)電的部件都相互連接，以減少電位差。包括金屬管線和電源、信號線路、變槳軸承、輪轂、發(fā)電機軸承、機艙鑄件、機艙機架、柜體、氣象站、液壓站等所有金屬部件形成一個完整的等電位連接網(wǎng)絡(luò)。風(fēng)機機組消除電磁脈沖的措施一般有空間屏蔽和電纜屏蔽兩種。綜合布線部分主要集中在塔底和機艙，以及其他部件之間的線纜連接，此部分應(yīng)更多的從電氣系統(tǒng)的角度考慮，結(jié)合中低壓電器設(shè)備和控制設(shè)備的電擊防護(hù)以及電磁兼容性EMC的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計合理的電氣間隙和走線路徑。

2 結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)和人類對大自然的認(rèn)知的不斷發(fā)展，風(fēng)機的防雷設(shè)計已經(jīng)從簡單的安裝外部避雷器來保護(hù)發(fā)展為多學(xué)科，多領(lǐng)域的一項綜合系統(tǒng)工程。本文從永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)入手，對其進(jìn)行防雷保護(hù)區(qū)域的劃分;并從接地系統(tǒng)設(shè)計和防雷系統(tǒng)設(shè)計兩個角度，提出了一套從塔基到葉片等風(fēng)機機組的各個組成部分的不同的防雷接地系統(tǒng)設(shè)計方案。我們應(yīng)該在進(jìn)行風(fēng)電場的系統(tǒng)整體防雷時引進(jìn)雷電風(fēng)險評估程序，或可進(jìn)行針對性的防護(hù)設(shè)計及產(chǎn)品選型。我們更要從跨學(xué)科，跨領(lǐng)域等多角度來考慮防雷保護(hù)的設(shè)計方案，不斷提高與完善防雷設(shè)備的可靠性，最大限度的減小雷電的損害。

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