风力发电机组综合防雷

1、Zhongguangs Products2013-071 风力发电机组综合防雷风力发电机组综合防雷Zhongguangs Products2013-072 二、综合防雷系统综合防雷系统一、风电机组的雷击危害一、风电机组的雷击危害三、风机叶片雷击状态监控三、风机叶片雷击状态监控 四、四、总结总结Zhongguangs Products2013-073 一、风电机组的雷击危害一、风电机组的雷击危害 风电机组都设置在风力强大的海岸、丘陵、山脊等雷电多发区的制高点，远离其它高大物体，因此很易遭受雷击。风电机组都设置在风力强大的海岸、丘陵、山脊等雷电多发区的制高点，远离其它高大物体，因此很易遭受雷击。

2、同时风电机组由于其自身的特殊性，也出现了其它建筑物不曾有的防雷难点：同时风电机组由于其自身的特殊性，也出现了其它建筑物不曾有的防雷难点：风电机组是高度超过风电机组是高度超过120m120m的高大构筑物；的高大构筑物；风电机组常常布置在非常容易受到雷击的场地；风电机组常常布置在非常容易受到雷击的场地；风电机组的许多暴露部件，如叶片和机舱盖往往由不能承受直击雷或传导直击雷电流的复合材料制成；风电机组的许多暴露部件，如叶片和机舱盖往往由不能承受直击雷或传导直击雷电流的复合材料制成；叶片和机舱是旋转的（不利导流）；叶片和机舱是旋转的（不利导流）；风电场中的风电机组往往位于接地条件不好的区域。风电场中的

3、风电机组往往位于接地条件不好的区域。Zhongguangs Products2013-074 一、风电机组的雷击危害一、风电机组的雷击危害正是以上的种种因素，造成风电机组雷击非常严重，下面是正是以上的种种因素，造成风电机组雷击非常严重，下面是IEC TR 61400-24:2002/GB/Z 25427-2010IEC TR 61400-24:2002/GB/Z 25427-2010中一些统计数据：中一些统计数据：在德国的较低的山区安装的风力发电机每在德国的较低的山区安装的风力发电机每1 0 0 台台/年遭受高达年遭受高达1 4 次雷击事故次雷击事故雷击故障造成雷击故障造成40%以上电力损失及

4、以上电力损失及20%以上的停机时间以上的停机时间北欧国家北欧国家1 0 0 台台/年遭受了年遭受了4 - 8 次雷击事故次雷击事故我国雷暴日较多的沿海、地形复杂的山区，雷击导致风电机组的我国雷暴日较多的沿海、地形复杂的山区，雷击导致风电机组的故障和损失应该不会少于北欧等国家的情况。故障和损失应该不会少于北欧等国家的情况。丹麦德国控制系统损坏的占控制系统损坏的占30%- 51 %电气系统损坏的占电气系统损坏的占10 %- 32 %叶片损坏的占叶片损坏的占7 % -2 0%Zhongguangs Products2013-075 二、综合防雷系统二、综合防雷系统 防雷问题一直都是风电业界关注的问题

5、，风机厂商、风电场业主也采取了很多的防雷措施、加装了大量的防雷设备。但是，在很多情况下却没有达到预期的效果，从分析风电机组遭受雷击事故呈现出来的现象来看，原因多种多样，其中很多事故都是可以通过采取合理的防雷措施来避免或减少：1、我国地域辽阔，各风电场所处的地理位置不同，风电机组所处的雷电环境也千差万别；即使是在同一个风电场，安装在不同位置的风电机组遭受雷击的概率也不尽相同，有的风电场甚至出现雷击现象集中在几台风机上；2、在实际的设计施工中，往往是同一个防雷设计方案应用到不同雷电环境下的风电机组防雷上；3、由于没有根据风电机组的实际情况选择合适的电涌保护器，没有达到预期的电涌防护效果。 因此风电

6、机组的雷电防护必须结合风电机组的特点、风电场的实际情况进行全面的考虑，本着综合治理、整体防御、多重保护、层层设防的思想，按照防直击雷、防雷电电磁脉冲的方法设计一个综合的防雷系统，减少直击雷、感应雷对风电机组的雷电损害。 外 部 防 雷 措 施外 部 防 雷 措 施内内 部部 防防 雷雷 措措 施施接闪器（针、网、带、线）接闪器（针、网、带、线）综综 合合 防防 雷雷 系系 统统电源电源SPD引引 下下 线线共共 用用 接接 地地 装装 置置屏屏 蔽蔽合合 理理 布布 线线等等 电电 位位 连连 接接安装浪涌保护器（安装浪涌保护器（SPD)SPD)信号信号SPD天馈天馈SPDZhongguang

7、s Products2013-076 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.12.1、直击雷防护、直击雷防护 风电机组易接闪的部位主要是叶片、机舱和其上的测风、测温等设备以及塔身。 其中叶片防雷是一个重点和难点，针对叶片防雷的措施很多，也取得了明显的效果。这里不再阐述。本文重点要讨论的是如何采取整体考虑的“区域防雷”措施，来防止或减少风电机组遭受直击雷？ 由于直接雷击能量大，破坏性强。我们建议采取措施尽可能避免风电机组被雷电直接击中，避免强大的雷电流在通过机组外部金属部件时，窜入风机内部系统，这将大大减小雷电对机组的损害几率。 区域防雷主要思想是：依据雷击选择性、雷击电气几何模型的理论以及“双极

8、接闪针”能减少被保护物雷击几率的特性，将整个风电场看做一个整体，在风电场适当位置设置数个独立接闪针塔，机舱尾部上方安装一只“双极接闪针”。将风电场区域内强度大的雷电吸引到接闪针塔上，减少强度大的雷电击中风电机组的概率。1、根据雷击电气几何模型的公式：r = 10I 0.65式中：r 滚球半径，m； I 峰值电流，kA。可以看出，雷电流越大，雷电的击距越大，越容易被独立接闪针塔吸引过去。从而使多数雷电击在独立接闪针塔上，而让少数雷电流幅值较小的雷电击中风电机组上成为可能。2、双极接闪针减少被保护物雷击几率的特性 图图1 1 双极接闪针电晕放电示意图双极接闪针电晕放电示意图Zhongguangs

9、Products2013-077 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.12.1、直击雷防护、直击雷防护 3、根据雷击选择性，在一定区域内，地面电场强度越大的地方，雷击越易发生。通过架设的独立接闪针塔与机舱尾部上方安装的 “双极接闪针”相配合，在雷云接近机组时，独立接闪针塔顶处的电场强度远远高于风电机组上的电场强度，这就达到雷电优先击中接闪针塔的目的。当然，这一方法中独立针塔在风电场中架设的位置选择非常关键，需根据风电场的气象、地理、风机布局和防护成本等实际情况来综合考虑。图图3 山区风场接闪针塔布置图山区风场接闪针塔布置图图图4 平原风场接闪针塔布置图平原风场接闪针塔布置图图图2 2 区域防雷

10、效果示意图区域防雷效果示意图Zhongguangs Products2013-078 二、二、综合防雷系统综合防雷系统 2.22.2、等电位连接、等电位连接 等电位连接的目的是为了减小设备与设备之间，系统与系统之间危险的电位差，确保设备和操作人员的安全。但是，对于一个不恰当的等电位连接，不但不能达到该目的，而且会将部分雷电流引入到设备中，造成设备损害。 根据风电机组的特点，其等电位连接主要有两处：机舱等电位连接、塔筒底部等电位连接。2.2.1、机舱等电位连接 目前多数风电机组机舱处采取如图5所示等电位连接措施,推荐选用图6所示的等电位连接措施。机舱电气设备总等电位接地端子板 1）采用放电间隙等

11、电位连接器将外部的直击雷雷电流泄流途径与机组内部的感应雷电流泄流途径隔离开。线路上的感应雷电流经过PE线泄放入地，直击雷雷电流通过机舱底座、塔筒入地，从而避免直击雷雷电流进入机组内部系统。2）当外部泄放的雷电流强度足够大时，放电间隙等电位连接器瞬间近似短路导通，将设备与设备之间、系统与系统之间的电位差箝位在较低的水平，经过等电位连接器的雷电流大部分也将会沿着PE线到塔底接地装置泄放入地，机组电气、电子系统遭受雷电损害的可能性随之可以大大降低。图图5 5 机舱等电位连接机舱等电位连接a a 图图6 6 机舱等电位连接机舱等电位连接b bZhongguangs Products2013-079 二

12、、二、综合防雷系统综合防雷系统2.22.2、等电位连接、等电位连接 2.2.2、塔筒底部等电位连接 塔底等电位连接系统应采取如图7、8的结构。图图7 7 塔底等电位连接示意图塔底等电位连接示意图图图8 8 共用接地装置连接示意图共用接地装置连接示意图塔基钢筋环形地网金属塔筒塔底SPD接地端塔底设备金属外壳、机柜、机架塔底线缆屏蔽层机舱总等电位连接端子板塔底总等电位端子板PE线与基础钢筋绝缘PE线延伸接地极垂直接地体扁钢环形地网塔底总等电位接地端子板金属塔筒塔基钢筋PE线与基础钢筋绝缘5mPE线Zhongguangs Products2013-0710 二、二、综合防雷系统综合防雷系统 2.32

13、.3、屏蔽、布线、屏蔽、布线 屏蔽和合理布线是减少雷电电磁脉冲在电子信息系统内产生浪涌的有效措施，两者应综合使用。 2.3.1、屏蔽 屏蔽有空间屏蔽、设备屏蔽和线缆屏蔽。 空间屏蔽：机舱外壳一般采用玻钢材料制成，对雷电电磁脉冲没有屏蔽作用，为改善机舱电磁环境，考虑到施工可行性，建议在制造机舱壳体时在壳体内表面嵌入金属网，在机舱壳体边缘铺设金属带与金属网相连，在总装时直接通过螺栓与机舱金属座连接。 设备屏蔽：风力发电系统设备大多有金属箱体，具有一定的屏蔽效果。在运行过程中，应确保机箱门板关闭并进行等电位连接及接地。线缆屏蔽：各种线缆应尽量选用带有屏蔽层的线缆，机舱到塔底的信号线路应采用光纤，这样

14、可以减少雷电电磁脉冲对线路的影响。如果没有屏蔽层或线缆的屏蔽效果不佳，则应考虑将线缆尽量穿金属管（槽），塔与地面变电站之间的线路还需埋地敷设，屏蔽网（管、槽）应与等电位接地端子板连接。2.3.2、合理布线 合理的布线能够最大限度地减少感应回路，有效降低系统线间、线地间因电磁感应现象在相互间耦合的过电压，减小内部浪涌。 信号电缆与附近可能产生电磁干扰的电力电缆应保持必要的安全间距。 信号线、电源线应尽量远离塔身和其它有可能接闪及流过雷电流的金属物，当不可避免时，应尽量避免与这些设施平行敷设并增加屏蔽措施。Zhongguangs Products2013-0711 二、二、综合防雷系统综合防雷系统

15、2.42.4、接地系统、接地系统 雷电流泄放入地时，接地电阻越小，雷电流散流越快，被雷击时高电位保持时间越短，危险性就越小，其跨步电压、接触电压也相应得到降低。实际工程中也证明，同一风场，接地电阻值较大的机组受到的雷击损害往往高于接地电阻值低的机组。 通常情况下，风力发电机组的接地电阻应4，在土质条件较好的风场，机组接地电阻值应尽可能小。风力发电机组应共用一组接地装置，共用接地装置可以消除各系统间的高电位差，防止各接地系统之间发生高电位反击。风力发电机组共用接地装置图8所示。1、风力发电机组共用接地装置应充分利用塔基钢筋，在距风电机组塔基边缘外侧5m处设置一圈垂直接地体并用扁钢连接；2、垂直接

16、地体埋设深度不应小于0.5m，宜敷设在当地冻土层以下，为达到更好的均压、均流效果，环形地网与塔基钢筋至少四处连接。如果接地电阻值达不到要求，则应向外敷设延伸接地极。3、为防止塔身泄流时在PE线上感应雷电流，PE线由地网外围宜穿钢管埋地并与基础钢筋绝缘，接到塔底总等电位接地端子板上；从塔底总接地端子板连接到机舱总接地端子板的PE线采用屏蔽电缆，屏蔽层在塔底处就近与塔基钢筋连接。4、由于风力发电机组所处地域土壤条件一般较差，要做到接地电阻值小于4欧姆的地网比较困难，因此，需要采取一些特殊的降阻方法和非常规的接地材料，例如采用非金属低电阻接地模块等。图图8 8 共用接地装置连接示意图共用接地装置连接

17、示意图延伸接地极垂直接地体扁钢环形地网塔底总等电位接地端子板金属塔筒塔基钢筋PE线与基础钢筋绝缘5mPE线Zhongguangs Products2013-0712 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.52.5、风电机组电涌防护风电机组电涌防护 电涌防护是综合防雷的重要组成部分，而如何根据风电机组的实际情况选择合适的SPD，则是确保电涌防护安全性、有效性的重要保障，这也是当前防雷标准重点关注的两个方面。IEC 61643-11：2011中T2类产品动作负载项目去掉Imax的测试也可以看出这一点。不是像以前关注如何将Imax配置的更大，而是应该在配置SPD之前，先针对每个位置所处的防雷区界面，评

18、估可能遭受的预期雷电流大小、波形，系统的电气特性等参数，再配置相应的SPD。2.5.1风机防雷区划分（DD CLC/TS 50539-22:2010）图图9 9 直驱风力发电机组防雷区划分直驱风力发电机组防雷区划分图图10 10 双馈风力发电机组防雷区划分双馈风力发电机组防雷区划分 表表1 1 LPL LPL为为1 1级、三相系统级、三相系统T1T1类类SPDSPD的放电电流典型值的放电电流典型值表表2 2 T2 T2类类SPDSPD的放电电流典型值的放电电流典型值Zhongguangs Products2013-0713 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.5.2 SPD选择原则 直驱系统和

19、双馈系统虽然在电气配电结构方面有较大差异，但是对于电涌防护原理来讲，双馈的电涌防护原理也适用直驱系统，因此我们以双馈系统的电涌防护方案为例，进行详细介绍。由于风力发电机组配电系统和其它电力系统差异较大，因此电源SPD的要求也是和其它电力系统的差异较大；而电信和信号网络和其他类似，因此可参照GB/T 18802.22-2008/IEC 61643-22:2004进行选择。2.5.2.1电源SPD的选择2.5.2.1.1发电机励磁电路转子的防护对于防护转子SPD的选择，需要重点了解如下参数：L-L、L-Earth的最大电压和公差、最大频率、短路电流。由于在LPE之间会反复出现1.7kV、陡度为1.

20、4kV/s的瞬时电压，如果SPD标称导通电压（1mA）低于该值，就会出现SPD频繁导通的情况，从而加快SPD的劣化，缩短SPD的寿命，因此用于转子L-PE保护的SPD导通电压1.7kV,对于低压SPD，目前MOV的最高的标称导通电压为180010，即16201980V，所以单独采用MOV的SPD已无法满足防护安全需要，为了达到防护安全需求，现采用如下防护措施：L-PE之间采用压敏串联气放管的方式，来提高导通电压，避免上述现象的发生。表表3 3 发电机励磁电路特性和发电机励磁电路特性和SPDSPD的示例的示例图图11 11 双馈风力发电机组转子侧保护双馈风力发电机组转子侧保护SPDSPD按装示意

21、图按装示意图Zhongguangs Products2013-0714 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.5.2.1.1发电机励磁电路转子的防护PEL1L2L3L3UPE1UUU产品图片产品型号ZGG40-1000(3+1)ZGG40-1000(3+1)a产品类别T2T2安装位置发电机转子侧供电体制ITIT保护模式L-PEL-PE最大持续运行电压Uc1440VAC1600VAC工频耐受电压峰值2000V4000V标称放电电流In20kA20kA最大放电电流Imax40kA40kA总放电电流ITotal150kA150kA电压保护水平Up5kV8kV图图12 12 转子防护方案原理转子防护方案

22、原理表表4 4 发电机转子侧的防护产品推荐配置发电机转子侧的防护产品推荐配置Zhongguangs Products2013-0715 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.5.2.1.2发电机定子及变流器电网侧的防护表表5 5 发电机定子侧电路特性和发电机定子侧电路特性和SPDSPD选择示例选择示例图图13 13 双馈风力发电机组定子、电网侧保护双馈风力发电机组定子、电网侧保护SPDSPD按装示意图按装示意图表表6 6 对于各种电力系统推荐的对于各种电力系统推荐的UcUc最小值（最小值（IEC 61643-12IEC 61643-12：20082008表表4 4）Zhongguangs Pro

23、ducts2013-0716 二、二、综合防雷系统综合防雷系统2.5.2.1.2发电机定子及变流器电网侧的防护从表6中得到，对于IT系统，L-PE的UcUL-L，由于UL-L=690V10,SPD的Uc可选择750V；对于并网侧，参照GB 50057-2010 中4.3.8第4款的规定，每一保护模式的冲击电流，当无法确定时应取12.5kA的T1类SPD，同时根据GB 50343-2012表5.4.3-3 电源线路浪涌保护器冲击电流和标称放电电流参数推荐值，也可采用50kA的T2类SPD, 因此对于TNC系统可选择Uc为 440V的SPD， IT系统可选择Uc为 750V的SPD。产品图片产品型

24、号ZGGF25/50-440（3+0）ZGG120-750（3+0）ZGG30-750（3+0）产品类别T1T2T2安装位置变流器电网侧变流器、发电机定子侧供电体制TN-CITTN-C、IT保护模式L-PENL-PEL-PE（N）最大持续运行电压Uc440VAC750VAC750VAC冲击电流Iimp25/50-标称放电电流In25/505015最大放电电流Imax-12030电压保护水平Up2.5kV3.2kV3kV表表7 7 电源线路电源线路SPDSPD冲击电流和标称放电电流参数推荐值（冲击电流和标称放电电流参数推荐值（GB 50343-2012 GB 50343-2012 表表5.4.3

25、-35.4.3-3）表表8 8 发电机定子、变流器电网侧的防护产品推荐配置发电机定子、变流器电网侧的防护产品推荐配置Zhongguangs Products2013-0717 二、综合防雷系统二、综合防雷系统2.5.2.1.3控制电源系统的防护 低压控制电源系统一般都处于LPZ1、LPZ2或者后续防雷区，根据表五LPZ1-LPZ2的配电箱，可选择10kA的T2类SPD，LPZ2-LPZ3的配电设备，可选择3kA或者6kV/3kA的T2或者T3类SPD。根据实际情况可配装下列产品：表表9 9 控制电源系统的防护产品推荐配置控制电源系统的防护产品推荐配置图图14 ZGG40-27514 ZGG40

26、-275（3+13+1）A A应用安装图应用安装图图图15 ZGGH10-2415 ZGGH10-24应用安装图应用安装图产品图片产品型号ZGG40-275（3+1）AZGG40-275（4+0）ZGGH10-24产品类别T2T2T2、T3安装位置变浆柜、控制柜等230/400电源前端风向标、风速仪提供24V直流电源的PLC进入端供电体制TTTN-SDC保护模式L-N,N-PEL-PE+-，-PE最大持续运行电压Uc L-N：275VAC，N-PE：260VAC275VAC45VDC标称放电电流（8/20s）In20kA20kA5kA最大放电电流（8/20s）Imax40kA40kA10kA组

27、合波（1.2/50s，8/20s）-10kV/5kA电压保护水平UpL-N：1.4kV，N-PE：1.5kV1.4kV+-：260V,-PE：800VZhongguangs Products2013-0718 二、综合防雷系统二、综合防雷系统2.5.2.2 电信和信号网络SPD的选择 信号线路SPD应根据线路的工作频率、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式和特性阻抗等参数，选择插入损耗小、分布电容小、并与纵向平衡、近端串扰指标适配的SPD。Uc 应大于线路上的最大工作电压1.2 倍，Up 应低于被保护设备的耐冲击电压额定值Uw；SPD宜设置在雷电防护区界面处。根据IEC 61400-24:2

28、010中风电机组防雷区的划分，风向标、风速仪处于LPZ0区，因此对于风向标、风速仪信号采集线路进入PLC的输入端，应该配置D1类信号SPD。变浆柜控制系统处于LPZ1-LPZ2的边界，因此选择C2类信号SPD。线-线、线-PE：25V线-线、线-PE：50V电压保护水平Up10kV/5kA20kV/10kA组合波（1.2/50s，8/20s）2.5 kA冲击电流（10/350s）Iimp6VDC28VDC最大持续运行电压Uc线-线,线-PE线-线,线-PE保护模式变浆控制信号采集线路PLC输入端风向标、风速仪信号采集线路PLC输入端安装位置C2D1产品类别ZGXM-M2J-5ZGXL-M1J-

29、24a产品型号产品图片图图16 16 信号线路信号线路SPDSPD的雷电防护区划分及配置示意图（的雷电防护区划分及配置示意图（GB 50543-2012 GB 50543-2012 图图5.4.45.4.4）表表10 10 信号线路信号线路SPDSPD参数推荐值（参数推荐值（GB 50543-2012 GB 50543-2012 表表5.4.45.4.4） 图图17 17 风电机组防雷区划分（风电机组防雷区划分（IEC 61400-24:2010 IEC 61400-24:2010 图图E.5E.5）表表11 11 信号线路信号线路SPDSPD产品推荐配置产品推荐配置Zhongguangs P

30、roducts2013-0719 三、三、 风机叶片雷击状态监控风机叶片雷击状态监控 风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。若其遭受雷击，除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。 据LM公司估计，世界每年有1%2%的风轮叶片受到雷电袭击。叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖，容易被修补；但少数情况则要更换整个叶片。从以上统计可以得出如下结论：新生产的风力发电机和旧的风力发电机遭雷击损害的模式有所不同。旧的风力发电机最常见的损害是控制系统， 而较新生产的最常见的损害是风叶。这表明近年来控制系统的防雷保护已取得明显的改善，而叶片防雷一直没有得到较

31、好的解决。对于叶片防雷措施，一般都是采用引雷、泄放的方式，目前还不能做到真正避雷，因此我们建议在不断改善叶片防雷措施的同时，重点关注通过实时监测叶片雷击情况，做到在叶片遭受雷击后或者临近损坏之前的状态监控，根据损坏情况及时维护，避免继续使用或下次雷击造成更严重的损坏。图图18 18 风机雷击损害统计（风机雷击损害统计（IEC TR 61400-24:2002/GB/ Z25427-2010 IEC TR 61400-24:2002/GB/ Z25427-2010 ）Zhongguangs Products2013-0720 三、三、 风机叶片雷击状态监控风机叶片雷击状态监控雷电流传感器系统监测主机 监测叶片雷击情况主要是通过安装在风机叶片中的雷电流传感器，实时、准确的监测叶片遭受雷击时的雷电流信息，再由安装在轮毂中的系统监测主机通过无线通信方式将监测到的数据信息(雷电流幅值、极性、大小以及雷击时间等)传送到安装在塔基控制箱中的接收装置。用户从监控中心得到相应的报警信息后，为快速实时维修提