風(fēng)力發(fā)電站綜合防雷解決方案
風(fēng)能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生潔凈能源。風(fēng)能發(fā)電為人與自然和諧發(fā)展提供了基礎(chǔ)。由于風(fēng)力發(fā)電機組是在自然環(huán)境下工作，不可避免的會受到自然災(zāi)害的影響。
由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對的也增加了被雷擊的風(fēng)險，雷擊成了自然界中對風(fēng)力發(fā)電機組安全運行危害最大的一種災(zāi)害。雷電釋放的巨大能量會造成風(fēng)力發(fā)電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。我國沿海地區(qū)地形復(fù)雜，雷暴日較多，應(yīng)充分重視雷擊給風(fēng)力風(fēng)電機組和運行人員帶來的巨大威脅。例如，紅海灣風(fēng)電場建成投產(chǎn)至今發(fā)生了多次雷擊事件，據(jù)統(tǒng)計，葉片被擊中率達4%，其他通訊電器元件被擊中率更高達20%。為了降低自然災(zāi)害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對性的防范措施。
風(fēng)機的防雷是一個綜合性的防雷工程，防雷設(shè)計的到位與否，直接關(guān)系到風(fēng)機在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風(fēng)機內(nèi)的各種設(shè)備不受損害等。
一、 直擊雷防護
該風(fēng)機主體高度約80米，葉片長度約40米，即風(fēng)機最高點高度約為120米，且大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機位于空曠地帶，較孤立。風(fēng)機的高度加上所處特殊的環(huán)境，造成風(fēng)力發(fā)電機在雷雨天氣時極易遭受直擊雷。
國際電工委員會對防雷過電壓保護的防護區(qū)域劃分為：LPZ0 區(qū)（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 區(qū)，LPZ2 區(qū)。
在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機艙的外部（包括機艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應(yīng)屬于LPZ0 區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞雷）或不遭受直擊雷但電磁場沒有衰減的部位。機艙內(nèi)、塔架內(nèi)的設(shè)備應(yīng)屬于 LPZ1 區(qū)，這其中包括電纜、發(fā)電機、齒輪箱等。塔架內(nèi)電氣柜中的設(shè)備，特別是屏蔽較好的弱電部分應(yīng)屬于 LPZ2。
對與現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機的 LPZ0 區(qū)防雷過電壓保護裝置進行分析后，在 LPZ0 區(qū)內(nèi)，直擊雷的防護在沒有技術(shù)突破的前提下仍然沿用傳統(tǒng)的富蘭克林避雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護物受雷擊，以達到保護避雷的目。這就要求風(fēng)機的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導(dǎo)電性能良好、自身重量輕的類似于碳纖維的材料，用單獨的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個良好的通道。
機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上避雷棒（筆者在給天津海事局燈塔做防雷工程時，在煙臺北長山島上近距觀察風(fēng)力發(fā)電機看到的），與葉片位于相反的方向，估計該避雷棒用作為保護風(fēng)速計和風(fēng)標(biāo)免受雷擊。
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的使用性質(zhì)及其重要性，參照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》50057-94（2000版）關(guān)于建筑物的防雷分類，可以將風(fēng)力發(fā)電機劃分為二類防雷建筑。二類防雷建筑對應(yīng)的滾球半徑為45米，根據(jù)電氣—幾何模型
hr=10·I0.65
hr——雷閃的最后閃絡(luò)距離（擊距），即滾球半徑
I——與hr對應(yīng)的得到保護的最小雷電流幅值（KA），即比該電流小的雷電流可能擊到被保護的空間。
當(dāng)hr=45米時，I=10.1KA，即在選用滾球半徑為45米時，當(dāng)雷電流大于10.1KA時，雷電閃擊就會擊在接閃器上；當(dāng)雷電流小于10.1KA時，會發(fā)生繞機，即雷電可能擊在被保護物上，而不是接閃器上；如果被保護物自身的高度超過45米時，還會發(fā)生側(cè)擊，即發(fā)生雷電時，閃擊可能擊在塔身上（塔身高約80米）。根據(jù)莫斯科燈塔觀測到的雷擊，有多次時擊在燈塔下方的，即發(fā)生了側(cè)擊。同時，較大的高度使得上行雷的概率增大。由于風(fēng)力發(fā)電機塔身較高，使得積雨云下端與葉片的距離接近，大氣電場強度突增，導(dǎo)致發(fā)生局部的空氣擊穿而產(chǎn)生向上發(fā)展的流光，終至出現(xiàn)上行先導(dǎo)。
關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機的雷擊概率，可以參照《高層建筑電氣設(shè)計手冊》提供的一個估算的經(jīng)驗公式。它是根據(jù)美國、波蘭、日本、瑞典對特高層建筑的觀察記錄，得出的經(jīng)驗公式：N=3×10-5H2
H的單位為m，適用于1KL=10.由此可以估算出，在1KL=30 的地區(qū)（上海接近此數(shù)），100m高的建筑，每年大約遭受1次雷擊。從這個公式中可以揭示出一個規(guī)律，即高層建筑雷擊概率與其高度的平方成正比。
以上直擊雷的防護是建立在一個有良好接地體的基礎(chǔ)上的，參照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94 及《微波站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》YD2011-93 相關(guān)條款，風(fēng)力發(fā)電機防雷接地電阻不能小于5Ω。
二、 風(fēng)輪、機艙、水平軸、尾舵和塔身的等電位連接
機艙外殼應(yīng)采用鋼板制成，作為承受直擊雷的載體，按照GB50057-94的要求，鋼板厚度必須大于4mm，在機艙的上方安裝幾支避雷短針，防止雷電發(fā)生繞擊和側(cè)擊時，穿透機艙，對機艙內(nèi)設(shè)備造成損壞。如果機艙外殼為復(fù)合材料時，應(yīng)在機艙外面敷設(shè)金屬網(wǎng)格，兼作接閃器和屏蔽之用。網(wǎng)孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計算，加大金屬網(wǎng)格的密度和鐵絲的直徑。初步估算，對于0.25/100μs的雷電流，應(yīng)不小于40db,各網(wǎng)格連接處應(yīng)焊接以保證電氣連接。
風(fēng)輪與機艙間、機艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應(yīng)通過鉚接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨的多股塑銅線（截面不小于16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03Ω。
以上各部件連接為一個電氣的整體，使之遭受雷擊時，能有一個快速的通道沿塔身引入接地裝置。
三、 電磁屏蔽
由于風(fēng)力發(fā)電機為高聳塔式結(jié)構(gòu)，非常緊湊，發(fā)電機、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都靠近塔壁，無論風(fēng)輪、機艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機艙內(nèi)的發(fā)電機及控制系統(tǒng)等設(shè)備可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。
對發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)，繼電保護和控制系統(tǒng)、通信和信號以及計算機系統(tǒng)都應(yīng)安裝相應(yīng)的過電壓保護裝置。
電力和信息回路由機艙到地面并網(wǎng)柜、變流器、塔底控制柜處應(yīng)采取屏蔽電纜外，還應(yīng)穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應(yīng)在柜內(nèi)安裝相應(yīng)防雷裝置，這樣DBSGP（分流、均壓、屏蔽、接地）系統(tǒng)在各節(jié)點層層設(shè)防。
各電氣柜采用金屬薄板制作，可以有效地防止電磁脈沖干擾，在電源控制系統(tǒng)的輸入端，處于暫態(tài)過電壓防護的目的，采用壓敏電阻或暫態(tài)抑制二極管等保護設(shè)備與屏蔽系統(tǒng)連接，每個電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。
四、機艙內(nèi)各種柜的防護：
各種柜內(nèi)的進線、出線處必須按照雷電防護區(qū)域的劃分，通過雷擊風(fēng)險評估后，根據(jù)評估結(jié)果進行設(shè)計，根據(jù)建筑物信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)確定雷電防護等級，該風(fēng)力發(fā)電機可以定為B級防護。在被保護的設(shè)備處加裝三級浪涌保護器。第一級采用開關(guān)型的電涌保護器，第二級和第三級采用限壓型的電涌保護器。且各參數(shù)必須符合規(guī)范要求的最小值，即一級標(biāo)稱放電電流In≥15KA（10/350μs）或In≥60KA（8/20μs），二級標(biāo)稱放電電流I n≥40KA，三級標(biāo)稱放電電流I n≥20KA。
對于690V/380V的風(fēng)力發(fā)電機供電線路，為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設(shè)備，供電回路建議采用TN-S供電方式。
1、變槳控制柜：變槳控制柜位于風(fēng)機頂端，雷雨天氣時容易遭受直擊雷，所以柜里電源線3x400vac/20A，300vdc/6A，24vdc（b）/10A，230vac（b）/2A等用電設(shè)備進線前端應(yīng)安裝相應(yīng)的三相交流避雷器（imax：100KA）、單項交流避雷器（imax：100KA）和24V直流電源避雷器（In：5KA）。
2、機艙到變槳柜通訊線采用雙絞線通訊，雙絞線兩端在進入設(shè)備前應(yīng)安裝信號避雷器。雙絞線必須穿金屬管敷設(shè)或采用屏蔽雙絞線，且金屬管或屏蔽層兩頭接地。
3、機艙控制室：機艙控制室位于風(fēng)機頂端，雷雨天氣時極易遭受直擊雷，里面的開關(guān)電源送到變漿控制柜內(nèi)的出線端 230vac（b）à300vdc/6A（變槳控制柜），開關(guān)電源 230vac（b）à24vdc（b）/10A（變槳控制柜）直流電源必須安裝電源浪涌保護器（In：5KA），開關(guān)電源 UPS230vacà24vdc（c）/10的24伏電源處安裝24V直流電源避雷器（In：5KA）。從塔底控制室到機艙控制室的Ups進線端（機艙控制室）安裝電源避雷器（Imax：100KA）。
以上設(shè)備處必須安裝能承受通過一級分類實驗的電源浪涌避雷器。
塔底設(shè)備柜的防護
1、UPS230vac 塔底控制室到機艙控制室的ups輸出端（塔底控制室）加裝電源避雷器（In：40KA）
2、變流器到機艙發(fā)電機轉(zhuǎn)子的出線端和進線端分別加裝通過二級分類試驗的電源避雷器（In：40KA）和通過一級分類試驗的電源避雷器（Imax：100KA）
3、并網(wǎng)柜到發(fā)電機定子之間的出線端和進線端分別加裝通過二級分類試驗的電源避雷器（In：40KA）和通過一級分類試驗的電源避雷器（Imax：100KA）
4、各機柜的二次儀表線路應(yīng)加裝相應(yīng)的電源避雷器（In：20KA）。
以上線纜建議采用穿金屬管走線或者采用鎧裝電纜，金屬管或鎧裝電纜必須在進入設(shè)備柜之前接地。電源避雷器的接地宜和風(fēng)機的鋼結(jié)構(gòu)體連接在一起。
以上防護采用三級防護的原則，在易遭受直擊雷的部位加裝通過一級分類試驗的電源避雷器，在艙底的設(shè)備柜內(nèi)加裝通過二級分類試驗的電源避雷器，在弱點設(shè)備的電源處還應(yīng)加裝通過三級分類試驗的電源避雷器，使設(shè)備得到充分的保護。
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