浅析风电机组的防雷设计
摘要：近十几年来，风电场的规模和风电机组的单机容量都不断增长，风电场的运行安全问题也越来越受到关注。雷击是影响风电场运行安全的一个重要因素。本文就我们审核几个风电场防雷装置设计的实践予以总结，仅就常见的变桨笼型单速异步风力发电机组为例。风电场变电站的防雷一般应由电力部门审核设计，本文不涉及变电站部分。
关键词：风电；防雷；评估；设计；
引言：万全县地处新西伯利亚和蒙古国冷高压南下的必由通道，按照国家风能资源区类别标准划分，属于“风能资源最佳区”。风口区域年均风速可达5.5米/秒以上，风功率密度可达180瓦/平方米以上，年有效风速时数在7200小时以上，极具开发价值。由于我国还没有风电机组的防雷国家或行业规范标准，一般是参照国际电工组织技术报告《风力发电机组第24部分雷电防护》（iec/tr 61400-24 ed.1.0 en:2002）和《雷电防护》gb/t21714系列规范。风电机组遭雷击概率极高，其防雷装置必须依照相关法律法规、规范标准，由专业公司对现场情况勘测、钻探和调查后，才能正确设计，通过当地气象部门设计审查核准，专业防雷公司才能施工。因此风电场的防雷设计尤显关键，
一、雷电损害风险评估
在设计风电机组防雷系统时，都应当考虑将雷击损害减少到可以容许的水平。容许水平就是涉及人身安全和经济损失的可以接受
的风险底限。就要求我们在审核设计时首先进行雷击灾害风险评估，也是有关法律法规规定要求的。可以依照gb21714.2-2008《雷电防护第2 部分：风险管理》规范进行评估（本文不赘述）。风险评估主要包括：雷电对风电机组闪击次数的评估和风电机组雷击损害概率的评估。
二、直击雷防护
根据风力发电机的使用性质及其重要性，参照《建筑物防雷设计规范》50057-94（2000版）防雷分类，可以将风力发电机组划分为二类防雷构筑物。同时因风电机组结构及所处位置特殊，其各外露部位均可遭到直击雷雷击，因此风电机组直击雷防护更需全面可靠。
1、浆叶部分：
作为风力发电机组中位置最高的部件，浆叶是直击雷袭击的首要目标，浆叶又是风力发电机组中最昂贵的部件，同时研究结果表明浆叶必须加装防雷装置。浆叶的防雷系统，由接闪器和传导部分组成，还可在轮毂的法兰处装设间隙放电避雷器，将雷电流迅速传至机舱底座，释放雷击过电压。
2、机舱部分：
机舱外壳应采用钢板制成，作为承受直击雷的载体，按照
gb50057-94的要求，钢板厚度宜不小于4mm，在机舱的上方安装避雷短针，防止雷电发生绕击和侧击时，穿透机舱，对机舱内设备造成损坏。网孔宜为30cm×30cm，钢丝直径不宜小于2.5mm。必要情
况下，需通过屏蔽计算，加大金属网格的密度和铁丝的直径。初步估算，对于0.25/100μs的雷电流，应不小于40db,各网格连接处应焊接以保证电气连通。
3、机舱外部的附件：
雷击可以击中风力涡轮发电机的任何地方。通常最被关注的区域是机舱后部的气象要素测控仪器设备及航障灯等设施，并将相关的信息输送给总控制器，需要在机舱的上方安装避雷短针，被保护仪器设备和航障灯具在其滚球保护范围内。
4、塔筒部分
塔筒一般是金属材料制成，其节间连接要有搭筋焊接相连，并与塔筒基础主筋及人工附加接地装置多点可靠连接。
桨叶要与主轴、主轴与机舱壁(主轴承)、机舱与塔筒(偏航滑环)等处的连接也应可靠。
三、接地系统
风电机组防雷的接地装置应围绕塔筒基础敷设成环形接地体，每个风电机组的冲击接地电阻不应大于10 ω（由于与配电等接地共用，应取4 ω），并应和电气设备接地装置及所有的金属管道相连。接地网设在混凝土基础的周围，见图五。接地网至少应包括1个水平环形接地，设置在以基础中心8 米为半径；每隔5米距离打入地下一根垂直接地极，作为环形接地的补充；水平环形接地多点对称与塔筒基础钢筋连接。箱变和操作控制间的接地装置应通过接地网相互连接，以尽可能地获得最大面积的接地系统。
四、等电位连接和电磁屏蔽
1、等电位连接
由于风力发电机为高耸塔式结构，非常紧凑，发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁，无论桨叶、机舱、避雷短针、还是尾舵受到雷击，机舱内的发电机及控制系统等设备可能受到机舱的高电位反击，在电源和控制回路沿塔筒引下过程中，也可能受到反击。
机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位。以上各部件连接为一个电气的整体，使之遭受雷击时，达到均等电位，以减少雷电反击，并保证雷击电流沿塔身快速泄入接地装置。
2、轴承保护
轴承是仅次于叶片最容易受到直接雷击破坏的部件，现在不少风电机组厂家使用火花间隙避雷器，用于泄放电涌能量的良好接地路径，有75年的应用历史，其研制之初也是为建筑物免直击雷雷击，由于它的反应迟钝、残压很高（4 kv或更高）等，虽不能保护电子设备，但还是可以承担直击雷电流泄放通道重任的。轴承、电刷、偏航轴承滑环等靠滑动接触与塔筒连接部位的电阻也应足够小，或加接火花间隙防雷器。
3、电磁屏蔽
屏蔽措施主要针对目前国内一些风机外采用高强度玻璃钢材料而言，由于雷电电磁脉冲的冲击是在空间范围内存在的，所以，为了减少机舱内电子设备受雷电电磁脉冲的冲击，应采用金属的机舱
罩，削弱雷电电磁脉冲对机舱内设备的影响，减小雷电电磁脉冲的强度，同时也可有效的减少雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。
电力和信息回路由机舱到地面箱变柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆外，还宜穿入两端接地铁管，进一步防止雷电反击和雷电感应损害。
五、电涌保护
由于风力涡轮发电机的输出电压是690v，一般通过箱式变压器送至变电站再提高至66kv以上传送至输电网。同时，风电机组电涌防护器需要具有多条带独立熔断器的冗余（后备）保护路径，以保证即使在首次冲击时，其中一条路径遭到牺牲，风力涡轮发电机仍然处于保护之中。
七、分析及结论
不论从实际统计或理论分析都表明，雷害是威胁风力发电机组安全生产和风电场效益的严峻问题。我国正在实施风机国产化，而国外风机防雷和过电压设计也不是很完善。所以，风机生产厂家在引进吸收过程中，改进风机外部直击雷保护和内部防雷电过电压保护和等电位连接设计是必要的。同时风电机组的接地是防雷安全的基础和关键，建设方更要重视风电机组的接地建设。
第一作者：霍慧峰（1973-）男，汉族，河北省张北县人，大专学历，助理工程师
