风力发电防雷设计方案2014

1、风力发电防雷设计方案、防雷概述雷击防护的基本原理雷击防护：就是通过合理、有效的手段将雷电流的能量尽可能的引入到大地，是疏导，而不是堵雷或消雷。正常采用的方法是采用提前放电避雷针或避雷针塔防护。避雷针（或避雷带、避雷网、避雷针塔）、引下线和智能接地系统构 成外部防雷系统，主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事 故；完整的防雷还包括内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备 中造成损坏，这是外部防雷系统无法保证的，为了实现内部避雷，需对建筑物进 出各保护区的电缆、金属管道等安装过电压保护器进行保护并良好接地。A、多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同

2、受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护； 根据雷电和操作瞬间过电压 危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。B、外部无源保护：在0级保护区即外部作无源保护，主要有提前放电避雷针（网、 线、带）和接地装置（接地线、地极）。保护原理：当雷云放电接近地面时，它 使地面电场发生畸变。在避雷针（线）顶部，形成局部电场强度畸变，以影响雷 电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接 地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击。这是人们长期实践证明的 有效的防直击雷的方法。然而，以往一般认为用避雷针架空得越高越好（一般只按45度角考虑），且使用被动放电式避雷

3、针，其反应速度差，保护的范围小以及 导通量小。根据现代化发展的要求，避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置， 并且应该从30度、45度、60度等不同角度考虑，安装，以做到对各种雷击的防 护，增大保护范围以及增加导通量。建筑物的所有外露金属构件（管道） ，都应 与防雷网（带，线）良好连接。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

4、界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害，并且雷击对风电机组造成的危害主要有直击雷、感应雷、雷电波侵入、地电位反击等形式。 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。 在风力发电机组主要部件按雷击毁坏率由高 到低排列是：电控系统（40%-50%）、叶片（15%-25% ）、发电机（5%），按雷击引起的维修 成本由大到小排列依次是：叶片、发电机、电控系统、通讯系统。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、设计依据标准1、Germanischer Lioyd;V orschriften und Richtlinien,K

5、apitel IV:Nichtmaritime Technik,Abschnitt 1:Richtl in ie fur die Zertifizieru ng von Win dee nergiea nl agen GL 指导文件 IV-1 风力发电系统2、 IEC61400-24 Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protection IEC61400-24 风力发电系统防雷保护3、IEC62305 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

6、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。IEC62305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IEC62305-2。三、风电机组设备雷电过电压损害（1）、雷电过电压的各种形式雷电过电压的各种形式雷电过电压的各种形式雷电过电压的各种形式雷电过电压对风电机组设备的损害有四种形式：A、雷电直接击中设备造成的直击雷损害；B、直击雷在

7、雷击空间形成的瞬态空间电磁场耦合到设备及线路上的过电压损害；C、雷电流流入接地体时在接地电阻上产生的瞬态地电位抬高会机组设备造成的地电位反 击损害；D、雷电过电压沿着与设备相连接的电源线、信号线侵入设备造成的雷电电源侵入波损害。（2）、雷电过电压的损坏机理雷电流流过物体时，会造成物体温度的升高，即雷电流的热效应。风电机叶的损害很大程 度上与此有关。雷电流流过叶片时， 释放巨大的能量，使得叶片的温度急剧升高，分解的气体高温膨胀，压力上升从而造成叶片的爆裂破坏。雷电流流过物体时，可能会产生很大的电磁力，造成物体的扭曲变形乃至断裂，即雷电流的电磁力效应，这会对叶片等部件造成很多的威胁。雷电流的上升陡

8、度决定控制系统内部的电子器件或者是电源设备及其相应传输 线路上感应过电压的大小。物体遭受雷击的时候，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流做足够大还可能导致金属熔化，这对风电机组的轴承造成的威胁尤其大，因为在轴承接触面上很容易电弧，将轴承熔焊在一起， 或者是加速起磨损， 从而降低寿命。四、风电机组综合防雷保护系统根据IEC61400 - 24风力发电系统防雷保护，风电机组防雷区分为 BSZ0A,BSZ0B,BSZ1,BSZ2 等4区，其中BSZ0A区易遭受直击雷击，BSZ0B区不会遭受直击雷，但是

9、该区的电磁场不会衰减，这部分包括了风轮叶片，轮毂，机舱罩，测风设备的风 况传感器，无屏蔽措施的操作间和变电站，土壤内的电缆连接等部分。BSZ1和BSZ2区不会遭受直接雷击，而且在这两区域内的电磁场依次衰减，包括采取了有效雷电导引和屏蔽措施的风轮叶片内部。全金属网格覆盖的机舱罩内部，金属塔架的内部，操作间和变电所的内部等。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。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。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

10、（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。（一）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

11、火灾危险。1、接闪器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 x 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；如果是混凝土塔身土塔身土塔身土塔身，那那那那么采用内置引下线么采用内置引下线么采用内置

12、引下线么采用内置引下线（镀锌圆钢0 810mm，或者镀锌扁钢 30 x 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，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。并且要保证接地系统的接地电阻达到防雷规范要求。（二）内部感应雷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

13、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

14、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OA t1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），它们可以限制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，将其限制在安全的范围之内。 雷电流保护器的最重要的特性是：按照10/350 Q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OA t 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

15、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8/20宙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。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限制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，对于川/W级防雷保护系统，就是5kA（10/350 s）（三）主要部分的防雷设施细则：1、直击

16、雷部分：作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。研究结果表明叶片的完全绝缘不能降低被雷击的风险而只能增加受损伤的程度，而在很多情况下雷击的位置在叶尖的背 面。国内某风电企业为风力发电机组的叶片研制开发了专门的防雷系统，由雷电接闪器和雷电传导部分组成。雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，损坏后也可以方便地更换。在叶片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂传至 机舱。在轮毂的法兰处装有间隙放电组成的保护将雷电流

17、迅速传至机舱底座，释放雷击过电压。避雷针也可以采用先导放电避雷针：THZ-05C，风电专用避雷针。2、感应雷浪涌保护部分：直击雷发生时快速变化的电磁场易在包括才、机舱内部和穿过偏航轴承的地方以及连接到控制室和配电室的电缆中产生雷电感应过电压，顾位于这些区域任何一端的电气控制设 备，都要加装以气体放电管，压敏电阻等为核心器件的浪涌保护器（SPD）,具体包括了电源，信号等类型，以此抑制可能出现的雷电过电压，对于690V/380V的风电机组供电线路，为防止沿低电源侵入的雷电过电压，供电线路应采用TN-S供电方式。整个供电线路采用三级保护原理：一二级采用浪涌保护器（SPD）,第三级采用终端设备保护器。

18、根据风机内设备的不同以及电涌保护器安装位置的不同，将风机内设备的电涌保护分成7个部分，以下具体介绍电涌保护器在各个不同设备中的配置。分别是：1）发电机的保护应在发电机定子端、转子端设置相应的电源防雷器。2）机舱开关柜的保护a）从塔基控制柜到机舱开关柜的线缆，应在线路进入开关柜的入口端安装相应的防雷 器。b）从测风系统进入开关柜的信号线，应在进入开关柜的入口端安装信号线保护器。c）从远端控制系统进入开关柜的信息线，应在进入开关柜的入口端安装信号线保护器。3）轮毂变桨系统的保护变桨系统是控制风机桨叶转动的执行机构，其电源与信号线路与机舱开关柜连接。应在这些线路进入变桨系统的入口端安装相应的保护器。

19、4）塔基变频柜的保护位于塔基的变频柜与机舱发电机相连，从发电机定子和转子来的电源线路在进入变频柜时，应安装相应的保护器5）塔基控制柜的保护控制系统系统的避雷器选型：信号避雷器的选择与电源避雷器的选择类似，信号线上的避雷器应实现避雷器每线通流量达到 5KA，工作电压符合系统运行电压；塔基控制柜需要保护的线路有两个部分：a）从机舱开关柜到塔基控制柜的线缆，应在线路进入控制柜的入口端安装相应的防雷器。b）从变压器室进入控制柜的电源线，应在进入控制柜的入口端安装电源线保护器。6）远端监控系统的保护远端监控系统负责将风机的运行状态传送的监控中心，例如给出了使用电话线的例子。应在电话线路的入口端、到开关柜

20、的出口端以及到控制柜的出口端安装相应的保护器。7）变压器端的保护在变压器低压侧安装第一级电源保护器，在变压器高压侧安装相应的高压避雷器五、防雷接地系统接风机基础接地网风力发电机组接地系统的施工应考虑当地土壤情况。接地系统应包含：水平接地环（围绕基础）垂直接地极（视需求而定）本风电场风机基础承台呈八边形，半径为 9.0m。风机基础外圈接地布置初 步推荐采用以风机中心为中心设置多圈环形水平接地带，圆环敷设在混凝土基础外开挖的基坑内，并与风机基础预留接地扁铁焊接，直径根据风机基础的开挖情 况确定，约为14m左右，接地环由两个连接端连接至等电位连接导体，安装角度相差180。外部水平接地及垂直接地视各风

21、机土壤电阻率不同而定。从风机及箱变接地工程网最外圈通过两根水平接地线与箱变接地网相连，为保护箱变免受雷击损害，每根接地线的埋地长度要求大于15md 风机及箱式变电站接地电阻要求风机与箱式变电站相互间距离仅在 15m以内，为降低投资及防止地网间的 反击，风机及箱变接地工程装置与箱变接地装置应联合成一个接地系统，风机箱变接地系统包括风机及箱变的工作接地、保护接地及防雷接地，其工频接地电阻 值按风机制造商要求小于4Q，也满足规范要求的低压系统接地装置工频接地电 阻不宜超过4 Q的要求。根据GB50057建筑物防雷设计规范的要求，为使雷电流得到有效泄流， 风机及箱变接地工程装置的冲击接地电阻不宜超过10Q。施工完成后，需测量每台风机的接地电阻及升压站的接地电阻、接触电势 和跨步电势，并通过相关部门的验收。下面介绍常规接地材料与新型高效接地模块的使用。1、常规接地材料一般来说，水平接地体采用不小于 40X 4mm的热镀锌扁钢，垂直接地体采 用不小于50X 50x 5mm勺角钢或者700*150*100mm接地模块，每根角钢的长度大 约2.5-3米。考虑到减少接地体的屏蔽效应，垂直接地体的间距一般为其长度的 1.5至2倍，即为5-6米