风电机组的防雷保护

2/200837

风电机组的防雷保护

王丽广

湖南株洲(中国南车集团株洲电力机车研究所，

412001)

摘 要：随着风电机组单机容量的不断增大，遭受雷击的问题越来越严重。结合风电机组防雷的研究成果，对雷电的形成，破坏机理，破坏形式以及防雷措施进行了全面的阐述。

关键词：风电机组；外部防雷；内部防雷中图分类号：TM614

文献标识码：A

文章编号：1671-8410(2008)02-0037-03

Lightning Protection of Wind Turbines

WANG Li-guang

(Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute, CSR, Zhuzhou, Hunan 412001, China)

Abstract:Along with the increasing of the capacity of the individual wind turbine, problems of the lightning stroke are getting worse.Based on the research achievements of lighting protection for the wind turbine, this article illustrates comprehensively the formation oflightning, the damage mechanism, damage forms and the lightning protection technology.

Key words:

wind turbine; external lightning protection; internal lightning protection

0引言

随着风能利用技术的不断发展和成熟，以及人们

击的可能。因此，采取有效措施，使雷击造成的损坏降至最低是每个风电制造厂家面临的重要课题。本文从雷电的形成，破坏机理，破坏形式入手，对风电机组的防雷保护系统进行阐述分析。

对于环境保护意识的提高，目前在我国以风能为首的可再生能源的开发利用发展非常迅速，截至2007年年底，我国已实现风电装机容量500万kW ，提前三年完成国家规划目标。同时风电场总装机容量和风电机组的单机容量也不断增大。随着风电机组单机容量的增大，就需要风电机组捕获更多的风能，由此风轮直径不断增大，机组离地高度不断增高，加上风电机组一般安装在开阔地带或者山顶，风电机组遭受雷击机率越来越大。因此风电机组的防雷措施日益受到重视。由于雷电现象的随机性，无论采取何种措施，也不能完全避免雷

收稿日期：2007-11-25

作者简介：王丽广（1980-），男，工程师，从事无功补偿、电能质量、风力发电机组并网与防雷的研究与开发工作。

1雷电的形成

雷电是一种大气中放电现象。雷电的形成过程中，

空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成放电。这种放电有的是在云层与云层之间进行，有的是在云层与大地之间进行。风电机组遭受雷击实际上就是带电雷云与大地之间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有巨大的电流和能量。

2雷电的破坏机理

风电机组遭受雷击损坏的机理与雷击放电的电流

波形和雷电参数密切相关。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。2.1峰值电流

当雷电流流过被击物时，会导致被击物的温度升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时(如叶片中的导体) 还可能产生很大的电磁力， 电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中骤增的高温会对被击物造成极大的破坏。这也是导致许多风机叶片损坏的主要原因。2.2转移电荷

物体遭受雷击时，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。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。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，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，缩短其使用寿命。2.3电流陡度

风电机组遭受雷击的过程中经常会造成控制系统或电子器件损坏，其主要原因是存在感应过电压。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

Fig. 1

图1

风电机组的防雷及标准

Lightning protection of wind turbines and standards

4.1外部防雷保护

外部防雷保护主要用以防直击雷，通常都是采用避雷针、避雷线等作为接闪器，将雷电流接收下来，由风力机的金属部分引导，通过转动和非转动系统部件间的放电间隙过渡，导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。外部防雷保护一般是基于5个不同的位置受到雷击。它们分别是3个叶片，机舱盖的顶部和风速仪支架。4.1.1叶片防雷保护

风电机组上的每个叶片都包含接闪器和敷设在叶片内腔并连接到叶片根部的导引线，叶片根部通过截再通过放电间隙面不小于70mm 2铜芯电缆连接到轮毂，

把雷电流从轮毂引至机舱主机架，塔架，一直引入大地，从而避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀损坏。4.1.2机舱防雷保护

风电机组的机舱罩一般采用非导电材料制成，并可考虑在机舱表面内布置金属带或者金属网，由金属带或金属网构成一个法拉第笼，对机舱内的部件起到良好的防雷保护作用。如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于对机舱实施了直击雷保护，但是考虑到叶片是旋转的，可考虑在机舱首尾端加装避雷针保护（图。机舱内部全部采用等电位连接，以保护人身不会受2）

到接触电压的危险。

3雷电的破坏形式

设备遭雷击受损通常有4种情况，一是，设备直接

遭受雷击而损坏；二是，雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入设备使其受损；三是，设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；四是，设备因安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。

4风电机组的防雷

根据雷电的破坏形式，风电机组的防雷可分为外

图2

Fig. 2

风电机组外部防雷

部防雷保护和内部防雷保护，并执行相关标准（图1）。

WEC external lightning protection

4.1.3塔架及引下线

专门敷设引下线连接机舱和塔架，引下线跨越偏航齿圈，因此雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。而对于钢塔架，雷电流则可通过自身传导至接地系统。4.1.4接地系统

风电机组的接地系统是风机防雷保护系统的一个关键环节，（GL 认证） Germanischer Lloyd风电机组认证要求在风电机组的塔架底部设置一个地电位连接带（图3）。它分别通过电缆与风机基础外部布置的环形接地电极、风机混凝土基础内部的环形接地电极和塔架连接。在土壤电阻率高的山区，可考虑采用铜导体作为环形接地电极，并增加垂直接地棒和/或把其他机组或配电站接地系统连接起来，以降低整个风电场的接地电阻，满足风电机组对地电阻的要求。由于风电场机组间都布置有电力电缆， 因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现。

元件间适当增加距离（比如移动电线靠近地面，使用接地电线管或者电缆保护管，减少暴露面）也可以减少元件间的电容性耦合。使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响。对于多根电缆，可考虑分别将A 、B 、C 一起捆扎，以减小电磁干扰。塔架与机舱的通信采用光纤连接，以避免干扰。4.2.3合理布线

风电机组布线时，应尽可能地减小感应电压，通常采用的方法是：线路尽可能短而直，且尽可能靠近承载雷电流的构件；设置多个平行通道，使电流最小，并尽可能将线路靠近电流密度小的导体；敏感的线路应特殊处理，如布置在金属线槽等；多重的搭接和最短的搭接长度可使电压差最小。4.2.4过电压保护

对于过电压保护，风电机组可根据雷电对该区域部件的影响划分区域，主要考虑是否可能有直击雷和雷电流的大小以及相关的电磁干扰情况。而过电压保护装置只需要安装在从高保护等级的区域连接到低保护等级的区域的电缆上。区域内部的连接线不需要保护设备，详见文献[8]。

5结语

雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的

重要因素，因此必须加强对风电机组防雷技术的研究。雷电活动水平和强度地区性差异大，而我国风电机组技术大都是从国外引进，在引进吸收过程中，制造出更适合我国国情的风电机组是我们迫切需要做的。

图3

图3

等电位连接到基础接地电极的连接

参考文献：

［1］赵海翔，王晓蓉. 风电机组的雷击机理与防雷技术［J ］. 电网技术， 2003，27(7)：12-15.

［2］Vestas 风电集团. 风电场与防雷保护［J ］. 风力发电，2000，(1).5-8.

［3］林志远，黄

聪. 风力发电机组的防雷问题［J ］. 广东电力，

Connection of the equipotential bonding to the foundation

earth electrode

4.2内部防雷保护

内部防雷保护主要用于减小和防止雷电流在需防空间内产生电磁效应，通常由等地电位连接系统、屏蔽系统、合理的布线和过电压保护等组成。4.2.1

等地电位连接系统

将风速仪与避雷针一起接成等地电位，机舱的所有组件（如主框架、发电机、齿轮箱、机舱盖）、控制柜，冷却系统等用合适尺寸的接地带统一连接成等地电位，塔架底部的开关柜也连接到地电位。4.2.2屏蔽系统

屏蔽可以减少元件间的电容性耦合，互相影响的

2001，14(5)：15-18.

［4］宫靖远，等. 风电场工程手册［K ］. 北京：机械工业出版社，

2004.

［5］IEC 61400-24，Wind turbine generator systems-part24：Lightning

［S ］. protection ［6］GL-Guideline for the Certification of Wind Turbines ［S ］.

［7］IEC 61024-1，［S ］. Protection of structures against lightning ［8］IEC 61312-1，Protection against lightning electromagnetic impulse

［S ］

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风电机组的防雷保护

王丽广

湖南株洲(中国南车集团株洲电力机车研究所，

412001)

摘 要：随着风电机组单机容量的不断增大，遭受雷击的问题越来越严重。结合风电机组防雷的研究成果，对雷电的形成，破坏机理，破坏形式以及防雷措施进行了全面的阐述。

关键词：风电机组；外部防雷；内部防雷中图分类号：TM614

文献标识码：A

文章编号：1671-8410(2008)02-0037-03

Lightning Protection of Wind Turbines

WANG Li-guang

(Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute, CSR, Zhuzhou, Hunan 412001, China)

Abstract:Along with the increasing of the capacity of the individual wind turbine, problems of the lightning stroke are getting worse.Based on the research achievements of lighting protection for the wind turbine, this article illustrates comprehensively the formation oflightning, the damage mechanism, damage forms and the lightning protection technology.

Key words:

wind turbine; external lightning protection; internal lightning protection

0引言

随着风能利用技术的不断发展和成熟，以及人们

击的可能。因此，采取有效措施，使雷击造成的损坏降至最低是每个风电制造厂家面临的重要课题。本文从雷电的形成，破坏机理，破坏形式入手，对风电机组的防雷保护系统进行阐述分析。

对于环境保护意识的提高，目前在我国以风能为首的可再生能源的开发利用发展非常迅速，截至2007年年底，我国已实现风电装机容量500万kW ，提前三年完成国家规划目标。同时风电场总装机容量和风电机组的单机容量也不断增大。随着风电机组单机容量的增大，就需要风电机组捕获更多的风能，由此风轮直径不断增大，机组离地高度不断增高，加上风电机组一般安装在开阔地带或者山顶，风电机组遭受雷击机率越来越大。因此风电机组的防雷措施日益受到重视。由于雷电现象的随机性，无论采取何种措施，也不能完全避免雷

收稿日期：2007-11-25

作者简介：王丽广（1980-），男，工程师，从事无功补偿、电能质量、风力发电机组并网与防雷的研究与开发工作。

1雷电的形成

雷电是一种大气中放电现象。雷电的形成过程中，

空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成放电。这种放电有的是在云层与云层之间进行，有的是在云层与大地之间进行。风电机组遭受雷击实际上就是带电雷云与大地之间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有巨大的电流和能量。

2雷电的破坏机理

风电机组遭受雷击损坏的机理与雷击放电的电流

波形和雷电参数密切相关。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。2.1峰值电流

当雷电流流过被击物时，会导致被击物的温度升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时(如叶片中的导体) 还可能产生很大的电磁力， 电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中骤增的高温会对被击物造成极大的破坏。这也是导致许多风机叶片损坏的主要原因。2.2转移电荷

物体遭受雷击时，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。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。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，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，缩短其使用寿命。2.3电流陡度

风电机组遭受雷击的过程中经常会造成控制系统或电子器件损坏，其主要原因是存在感应过电压。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

Fig. 1

图1

风电机组的防雷及标准

Lightning protection of wind turbines and standards

4.1外部防雷保护

外部防雷保护主要用以防直击雷，通常都是采用避雷针、避雷线等作为接闪器，将雷电流接收下来，由风力机的金属部分引导，通过转动和非转动系统部件间的放电间隙过渡，导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。外部防雷保护一般是基于5个不同的位置受到雷击。它们分别是3个叶片，机舱盖的顶部和风速仪支架。4.1.1叶片防雷保护

风电机组上的每个叶片都包含接闪器和敷设在叶片内腔并连接到叶片根部的导引线，叶片根部通过截再通过放电间隙面不小于70mm 2铜芯电缆连接到轮毂，

把雷电流从轮毂引至机舱主机架，塔架，一直引入大地，从而避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀损坏。4.1.2机舱防雷保护

风电机组的机舱罩一般采用非导电材料制成，并可考虑在机舱表面内布置金属带或者金属网，由金属带或金属网构成一个法拉第笼，对机舱内的部件起到良好的防雷保护作用。如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于对机舱实施了直击雷保护，但是考虑到叶片是旋转的，可考虑在机舱首尾端加装避雷针保护（图。机舱内部全部采用等电位连接，以保护人身不会受2）

到接触电压的危险。

3雷电的破坏形式

设备遭雷击受损通常有4种情况，一是，设备直接

遭受雷击而损坏；二是，雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入设备使其受损；三是，设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；四是，设备因安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。

4风电机组的防雷

根据雷电的破坏形式，风电机组的防雷可分为外

图2

Fig. 2

风电机组外部防雷

部防雷保护和内部防雷保护，并执行相关标准（图1）。

WEC external lightning protection

4.1.3塔架及引下线

专门敷设引下线连接机舱和塔架，引下线跨越偏航齿圈，因此雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。而对于钢塔架，雷电流则可通过自身传导至接地系统。4.1.4接地系统

风电机组的接地系统是风机防雷保护系统的一个关键环节，（GL 认证） Germanischer Lloyd风电机组认证要求在风电机组的塔架底部设置一个地电位连接带（图3）。它分别通过电缆与风机基础外部布置的环形接地电极、风机混凝土基础内部的环形接地电极和塔架连接。在土壤电阻率高的山区，可考虑采用铜导体作为环形接地电极，并增加垂直接地棒和/或把其他机组或配电站接地系统连接起来，以降低整个风电场的接地电阻，满足风电机组对地电阻的要求。由于风电场机组间都布置有电力电缆， 因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现。

元件间适当增加距离（比如移动电线靠近地面，使用接地电线管或者电缆保护管，减少暴露面）也可以减少元件间的电容性耦合。使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响。对于多根电缆，可考虑分别将A 、B 、C 一起捆扎，以减小电磁干扰。塔架与机舱的通信采用光纤连接，以避免干扰。4.2.3合理布线

风电机组布线时，应尽可能地减小感应电压，通常采用的方法是：线路尽可能短而直，且尽可能靠近承载雷电流的构件；设置多个平行通道，使电流最小，并尽可能将线路靠近电流密度小的导体；敏感的线路应特殊处理，如布置在金属线槽等；多重的搭接和最短的搭接长度可使电压差最小。4.2.4过电压保护

对于过电压保护，风电机组可根据雷电对该区域部件的影响划分区域，主要考虑是否可能有直击雷和雷电流的大小以及相关的电磁干扰情况。而过电压保护装置只需要安装在从高保护等级的区域连接到低保护等级的区域的电缆上。区域内部的连接线不需要保护设备，详见文献[8]。

5结语

雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的

重要因素，因此必须加强对风电机组防雷技术的研究。雷电活动水平和强度地区性差异大，而我国风电机组技术大都是从国外引进，在引进吸收过程中，制造出更适合我国国情的风电机组是我们迫切需要做的。

图3

图3

等电位连接到基础接地电极的连接

参考文献：

［1］赵海翔，王晓蓉. 风电机组的雷击机理与防雷技术［J ］. 电网技术， 2003，27(7)：12-15.

［2］Vestas 风电集团. 风电场与防雷保护［J ］. 风力发电，2000，(1).5-8.

［3］林志远，黄

聪. 风力发电机组的防雷问题［J ］. 广东电力，

Connection of the equipotential bonding to the foundation

earth electrode

4.2内部防雷保护

内部防雷保护主要用于减小和防止雷电流在需防空间内产生电磁效应，通常由等地电位连接系统、屏蔽系统、合理的布线和过电压保护等组成。4.2.1

等地电位连接系统

将风速仪与避雷针一起接成等地电位，机舱的所有组件（如主框架、发电机、齿轮箱、机舱盖）、控制柜，冷却系统等用合适尺寸的接地带统一连接成等地电位，塔架底部的开关柜也连接到地电位。4.2.2屏蔽系统

屏蔽可以减少元件间的电容性耦合，互相影响的

2001，14(5)：15-18.

［4］宫靖远，等. 风电场工程手册［K ］. 北京：机械工业出版社，

2004.

［5］IEC 61400-24，Wind turbine generator systems-part24：Lightning

［S ］. protection ［6］GL-Guideline for the Certification of Wind Turbines ［S ］.

［7］IEC 61024-1，［S ］. Protection of structures against lightning ［8］IEC 61312-1，Protection against lightning electromagnetic impulse

［S ］

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