风机防雷系统的扩展.pdf

1.定义定义 1.1 防雷系统(LPS)系指用于对需要防雷的空间作防雷电效应的整个系统。它由外部防雷系 统和内部防雷系统组成。1.2 外部防雷系统系指由接闪器、引下线和接地装置组成的防雷系统。1.3 内部防雷系统系指除本节 1.2 的防雷装置外，所有附加部件和措施均属于内部防雷系统，其目的在于减小雷电流在需要防雷的空间内所产生的电磁效应。1.4 等电位连接(EB)系指将各个外露可导电部分及装置外导电部分的电位作实质上相等的电气连接。它是内部防雷系统的一部分，目的在于减小雷电流所引起的电位差。1.5 接闪器系指直接接受雷击的那部分外部防雷装置，如避雷针、避雷带、避雷网以及用作接闪器的金属构件等。1.6 引下线系指连接接闪器与接地装置的金属导体，目的在于将雷电流从接闪器引至接地装置的那部分外部防雷装置。1.7 接地装置系指接地体和接地线的总称，目的在于导引雷电流并使其流散入大地的那部分外部防雷装置。1.8 接地线系指从引下线断接卡或换线处至接地体的连接导体，或从接地端子、等电位连接带至接地体的连接导体。1.9 接地体系指埋入土壤中或混凝土基础中作散流用的导体，它直接与大地有电气接触并将雷电流流散入大地。1.10 环形接地体系指处于地下或地表面层环绕风力发电机组或建筑物形成闭合环的接地体。1.11 基础接地体系指埋在风力发电机组或建筑物混凝土基础内的接地体。1.12 等电位连接带系指将金属装置、外部导电部件、电力线、电讯线和其他电缆连接到防雷装置的金属板带。1.13 连接导线系指用于等电位连接的导体。1.14 保护等级系指根据防雷系统的效率和雷电流参数对其划分等级。它表达防雷系统保护某空间防雷电效应的概率。1.15 防雷区(LPZ)系指雷电电磁环境受到限定和控制的地区。1.16 雷电流系指雷击点处流过的电流。1.17 电涌保护器系指用来限制存在于防雷空间内某两部分之间的瞬态过电压和浪涌电流的一种器具，如放电间隙、压敏电阻、电涌分流器或半导体器件。1.18 共用接地系统系指风力发电机组或建筑物接到接地装置的所有相互连接的金属装置，包括外部防雷装置。1.19 接地基准点(ERP)系指共用接地系统与一系统的等电位连接网之间唯一的连接点。2.风机防雷的原因风机防雷的原因 随着风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多风能，风机的高度随着轮毂高度和叶轮直径增高不断升高，雷击的风险不断增加，可以说雷击已成为自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的自然灾害。发生雷击时，闪电电流通过所有风力发电机组件传导至地面，由于风力发电机位于疾风区，通常选址在丘陵或山脊上，其高度远高于周围的地形地物，再加上风力发电机安装地点土壤电阻率通常较高，对雷电流的传导性能相对较差，特别容易受到直击雷、侧击雷和感应雷的袭击，因此，对风力发电机组件采取防雷措施是非常必要的。现代风力发电机的防雷通常不同于普通建筑物的防雷，它需要重点解决叶片和轮毂、齿轮箱、轴承、传动装置、发电机、电气部分、控制系统等雷电防护问题。来自德国的统计数据表明，风机遭雷击的部件的维修费用（包括人工费、部件费和吊装费等）很高，其中叶片损坏的维修费用最昂贵。风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损害的分析和后续的维修，加上订货期和运输期，会造成一段时间的停工期。由这个停工期不仅使发电量损失，而且减少了风场所有者经济上的收入。据国外的统计，雷击故障比平均其它故障造成的停机影响都大。在运行中的风力发电机组将会遭受雷击的事却是屡见不鲜，损坏设备，造成巨大损失，甚至危及人身安全。电闪雷鸣释放的巨大能量，会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁 3.保护等级和保护等级和雷区的划分雷区的划分 3.1 防雷设计原则 3.1.1 选择适宜的保护等级以便在最大允许条件下，通过所采取的保护措施，减小直接雷击对风力发电机组造成破坏的风险。3.1.2 根据对电磁条件的要求将整个风力发电机组分成若干防雷区，对不同的防雷区应采取与其相适应的措施。3.2 保护等级 3.2.1 可按 IEC 62305-1 标准,以被保护的风力发电机组遭受直接雷击的预计频率和年允许落闪次数为依据,确定风力发电机组的保护等级，进而确定相应的保护设备。3.2.2 风力发电机组应达到下列最低保护等级：（1）轮毂高度不超过 60m 的风力发电机组：保护等级 III/IV；（2）轮毂高度 60m 以上的风力发电机组：保护等级 II。3.3 防雷区（LPZ）3.3.1 应将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各种空间不同的雷电电磁脉冲的严重程度，并指明各区交界处等电位连接点的位置。各个防雷区以其交界处电磁环境的明显改变作为其划分的特征。3.3.2 防雷区的任务是将电磁场和来自发射源的电磁骚扰减小到限定值。根据 IEC61312-1 标准，防雷区分为 LPZ0A、LPZ0B、LPZ1、LPZ2 等。（1）LPZ0A：该区内的物体可能遭到直接雷击，因此可能传导全部雷电流。该区内的电磁场没有衰减。（2）LPZ0B：该区内的物体不会遭到直接雷击，但该区内的电磁场没有衰减。（3）LPZ1：该区内的物体不会遭到直接雷击，区内所有导电体的电流比 LPZ0B 区进一步减小，电磁场也可能衰减，这取决于屏蔽措施。（4）后续的防雷区（LPZ2 等）：如需进一步减小所导引的电流和/或电磁场，则应引入后续防雷区。（5）一般，表示区号的数字越大，电磁环境参数越低。应根据被保护系统要求的环境条件选择保护区。3.3.3 防雷区 LPZ0A 和 LPZ0B 包括如下部位:具有防雷区（LPZ）的风力发电机组示意图（1）风轮叶片，包括风轮轮毂及其内部部件（传感器、调节器等）；（2）机舱罩的外部部件；（3）无金属罩的机舱内的所有设备（发电机、辅助传动装置、电缆、传感器和调节器），金属开关柜的外部部件，非金属开关柜的内部部件；（4）测风设备的传感器；（5）非金属塔架或没有按照标准配备钢筋连接件的混凝土塔架。（6）无屏蔽措施的操作间和变电站的内部，以及在无屏蔽措施情况下风力发电机组和操作间或变电站之间埋在土壤中的电缆连接线或架空线。3.3.4 防雷区 LPZ1 包括如下部位（如图所示）：（1）采取了有效的雷电导引和屏蔽措施的风轮叶片的内部，包括风轮轮毂（传感器、调节器等）；（2）具有相应的雷电导引措施的全金属覆盖的机舱罩内部；（3）所有金属包层的设备的内部，如以适当方式连到一个等电位连接系统（例如作为等电位基准的机器底座）；（4）屏蔽电缆或处于金属管中的电缆，屏蔽网或金属管两端已作等电位连接；（5）装上避雷针和适当避雷导体的测风设备的传感器；（6）金属塔架或混凝土塔架的内部，混凝土塔架的钢筋应按照适用的标准设计并连接到基础接地体；（7）操作间和变电站的内部，用钢板覆盖或具有屏蔽措施（所有各侧与基础接地体或环形接地体相连的钢筋，金属门和带金属丝网的窗）。3.3.5 防雷区 LPZ2 包括防雷区 LPZ1 内的设备，为进一步减小干扰效应,必须采取附加的屏蔽措施。4.防雷系统和装置设计的一般要求防雷系统和装置设计的一般要求 4.1 外部防雷系统 4.1.1 风力发电机组的接闪器可由下列各项单独或任意组合而成:（1）避雷针；（2）避雷线（或带）；（3）避雷网形成网格的导体）。4.1.2 盖住需要防雷的空间的金属板，如风力发电机组的金属机舱罩也可作为自然接闪器，但板间的连接应具有可靠的电气连通。4.1.3 从接闪器到接地装置的引下线应按下列原则布置：（1）应有较多并联的电流路径；（2）引下线应为直线且垂直安装，使其具有最短、最直接的路径；（3）应尽量做到引下线是接闪器导体的直接延续。4.1.4 当塔架为金属制成或有互相连接的钢筋网时，可作为自然引下线。4.1.5 接地装置应满足如下要求：（1）为了将雷电流流散入大地而不会产生危险的过电压，应注意接地装置的形状和尺寸设计，并应有低的接地电阻，其工频接地电阻一般应小于 4，在土壤电阻率很大的地方可放宽到 10以下。（2）从防雷观点出发，风力发电机组宜设一共用接地装置，供所有接地之用（如防雷、电气系统、通信系统）。对由于其他原因必须分开装设的接地装置，应采用等电位连接，连到共用接地装置上。（3）应采用接地体型式中的一种或几种组合：一个或多个环形接地体、基础接地体、水平接地体或垂直（或斜形）接地体。4.1.6 风力发电机组的接地布置一般可采用基础接地体和环形接地体，其所包围的面积的平均半径应不小于 6m。风力发电机组的混凝土基础内互相连接的钢筋网，当其特性满足本节4.1.8的要求时，可作为自然接地体。4.1.7 当利用混凝土钢筋作为接地体时，应注意钢筋的互相连接，以防混凝土机械性崩裂。在采用预应力混凝土的情况下，应考虑到由于流过雷电流而可能产生不可接受的机械应力。4.1.8 防雷装置的材料应能经受雷电流的电磁效应以及可预见到的意外应力而不会损坏。选择材料及其尺寸时，应考虑到被保护的风力发电机组和防雷装置本身受腐蚀的可能性。4.1.9 防雷装置的材料和应用条件列于表 4.1.9,防雷装置的部件可用该表的材料制作，材料应具有足够的电导率和耐腐蚀性能，也可采用具有等效的机械、电气和化学（耐腐蚀）性能的其它金属材料。防雷装置的材料和应防雷装置的材料和应用条件用条件 表表 4.1.9 材料 应用于 与下列物质接触后遭受腐蚀的情况 空气中 地中 混凝土中 有耐腐蚀的性能 有被腐蚀的危险 将被电解腐蚀 铜 整体、绞线、被复层或镀层 整体、绞线、被复层或镀层 许多材料 高浓度氯化物、硫化合物、有机材料 镀锌钢 整体、绞线 整体 整体 甚至在酸性土壤中也是良好的 铜 不锈钢 整体、绞线 整体 许多材料 熔化有氯化物的水 铝 整体、绞线 碱性介质 铜 铅 整体、被复层或镀层 整体、被复层或镀层 高浓度硫化物 酸性土壤 铜 4.2 内部防雷系统 4.2.1 为预防雷电效应，处于防雷空间内的防雷装置，如风力发电机组的金属构架、金属装置、电气装置、通信装置和外来的导体应作等电位连接。设有防雷装置时，应考虑处于防雷空间之外的金属构件可能受到雷电效应的影响，对处于需防雷的空间之外的金属构架也应作等电位连接。不设防雷装置时，当需要防从外来管线来的雷电效应时，也应作等电位连接。4.2.2 金属装置在靠近地面处应作等电位连接，连接导线应接到等电位连接带。等电位连接带的构成和安装应易于接近、检查，等电位连接带应与接地装置连接。4.2.3 可采用以下方法完成等电位连接：（1）在自然连接不能保证电气贯通处，可用连接导线连接。（2）在不允许用连接导线时，可采用电涌保护器跨接，电涌保护器的安装应便于检查。4.2.4 对外来导体,应尽可能在靠近进户点处作等电位连接。4.2.5 对电气装置和通信装置,一般应尽可能在靠近进户点处按本节 4.2.2 的要求作等电位连接。如导体有屏蔽层或穿于金属管内，如屏蔽物上的电阻电位差不危及电缆和所连接的设备时，则仅将这类屏蔽物作等电位连接即可。线路的所有导体应直接或非直接连接。相线应采用电涌保护器连到防雷装置或总接地连接带上。在 TN 系统中，PE 线或 PEN 线应直接连到防雷装置或总接地连接带上。5风力发电机的防雷措施风力发电机的防雷措施 5.1 塔架基础接地体 5.1.1 基础接地体(见图 5.1.1)的设计应符合 GB50057 或本社接受标准的规定。但应注意，当塔架用放入混凝土内的预应力拉桩螺栓固定时，不应将这些元件用于接地目的。5.1.2 塔底直径不超过 3m 时，从基础接地体到塔架钢结构应至少有两处相连接；对于更大的塔底直径应至少有三处相连接。5.1.3 基础接地体应是可延伸的，以便必要时连接环形接地体或者连接已有的接地设施（风电场、配电系统），见图 5.1.3。其接地体应符合 GB50074 或本社接受标准的要求。5.1.4 接地体的接地电阻应满足本章 4.1.5 的要求。5.1.5 基础接地体和/或环形接地体的端部接线夹应进入塔架内部，并连接到一个有适当标记的等电位连接带。5.1.6 所有从基础接地体或混凝土的外部加强转接到空气中其他连接体的电缆应为绝缘电缆。5.1.7 如果混凝土的加强具有较高的导电率并且与接地排的接点在两点及以上，则附加的基础接地体可免设。图 5.1.1 接到基础接地体等电位连接的方法 图 5.1.3 独立的变电站和风力发电机组的等电位连接 5.2 塔架设计 5.2.1 柱型钢塔、桁架式钢塔和钢筋混凝土塔架特别适合于防雷措施。这些类型的塔架固定在已准备好的基础上（如本节 5.1 所述），通过它们提供了塔架直至偏航环高度的连续接地保护。欲达到LPZ1 防雷区要求只有使用封闭的钢塔或钢筋混凝土塔，桁架式塔结构内部只能满足 LPZ0B防雷区的要求。5.2.2 对于钢筋混凝土结构，建造期间应使用专用的线夹在尽可能多的点将钢筋相互连接，以保证电气互连，并经由塔内的一个或多个接地基准点引伸到塔体外面。金属连接的法兰（在基础底部和偏航环顶部）应接到钢筋上。如果符合上述条件，则塔架内部可认作 LPZ1 防雷区。5.3 偏航轴承处的连接 5.3.1 为将基础接地体经塔架到机器底座达到连续的接地连接，应采用高导电、低电感的接法。5.3.2 由于偏航环处需要较长的连接电缆，不宜采用电缆连接，以防塔和机器底座间通过高频雷电流时连接电缆两端产生高电压，故应采取下列适当的措施：（1）能传导雷电流的滑环（这些滑环也可在偏航环的内部）和金属滑动触头；（2）能传导雷电流的轴承；（3）放电间隙。5.4 机器底座与接地装置的连接 5.4.1 一般，机器底座通过偏航环的螺栓连接，能良好地接到接地装置。5.4.2 如机器底座是用柔性阻尼元件与偏航环连接，则所有阻尼元件应采用有足够截面积的扁铜带跨接。5.5 发电机和齿轮箱与接地装置的连接 5.5.1 通常，齿轮箱和发电机通过机器底座的连接螺栓与接地装置保持良好的连接。5.5.2 如齿轮箱和/或发电机用柔性阻尼元件与机器底座连接，则所有阻尼元件应采用有足够截面积的扁铜带跨接。5.6 机舱中其它部件的连接 5.6.1 包含电气元件（执行器、开关装置、金属开关等）的所有部件应在电气上相互连接并与机器底座连接。5.6.2 如本节 5.6.1 要求未能通过其本身的安装实现，则应采取其它措施。最佳方法是采用等电位连接带与底座相连。该连接带应尽可能短，如采用铜导体时，截面积应不小于 10mm。5.7 机舱罩 5.7.1 如使用金属罩，则金属罩应包含在等电位连接中，可使金属罩在较大范围内多点用钢带与机器底座连接来实现。任何铰链应尽可能用宽的柔性铜带跨接。5.7.2 如使用非金属罩，则应装置避雷针和相应的外部导体，并连接到机器底座。避雷针和导体的高度与数目取决于机舱罩的尺寸。在决定避雷针高度时，应假定避雷针提供最大 45的保护角，这个保护角必须覆盖整个机舱。5.8 风轮叶片的雷电传导 5.8.1 风轮叶片应装设引下线，以使所要求的保护等级（见本章 3.2）的雷电流经由轮毂或机舱罩安全导引下去。5.8.2 下引线在其整个长度范围内，应至少具有如下截面积：1)铜或铝合金：50mm 2)钢带：60mm 3)圆钢：78mm 此外，设计下引线时，应考虑到，雷电流的传输不应使风轮叶片的温度超过允许值。5.8.3 制造叶片时可在叶尖部分预先埋设导体网作为接闪器，并与叶片内部作为引下线的钢丝绳或铜导体连接，亦可在雷电经常击中的叶尖部位安装一个金属销，并与导体网相连。在叶片根部，用编织导线将钢丝绳与轮毂连接。当闪电击中叶片时，雷电流通过金属销、导体网、钢丝绳、编织导线传到轮毂。5.8.4 风轮半径超过 30m 时，至少 2 个受雷器应均匀布置在整个风轮叶片上。5.9 风轮轮毂的雷电传导 5.9.1 从轮毂到机器底座的避雷导体应能使所要求的保护等级（见本章 3.2）的雷电流安全通过，为此可采用下列措施：（1）能够传导雷电流的滑环（这些滑环也可在偏航环的内部）和与金属滑动触头；（2）能够传导雷电流的轴承；（3）放电间隙。5.9.2 齿轮箱和发电机之间的联轴节应该绝缘，以免雷电流流经发电机和发电机轴承。5.10 测风传感器的雷电传导 5.10.1轮毂高度60m以上的风力发电机组的测风传感器应装设“屏蔽型”避雷针和相应的。5.10.2 轮毂高度不超过 60m 的风力发电机组的测风传感器可装设普通避雷针和相应的外部导线。5.10.3 在所有情况下，导线应引至机器底座，并与机器底座连接。5.11 塔架内的电控系统和开关柜 5.11.1 防止控制系统受雷电感应所引起的过电压损害，一般应采用下列保护措施：（1）比较完善的屏蔽。带面板的开关柜每侧一般应用薄钢板制成，并接到等电位连接带。如不需防雷区界面连接，或开关柜内的各单元已符合规定的防雷区条件（如通过金属封装），开关柜也可不用薄钢板封装；（2）用带屏蔽的隔离变压器隔离电源；（3）在各个传感器和计算机输入端用电涌保护器加以保护。6.其他设施的防雷措施其他设施的防雷措施 6.1 与风力发电机组分开的操作间和变电站 6.1.1 为使操作间和/或变电站内达到 LPZ1 防雷区，一般这些设施可用薄钢板建造，或选择无窗的钢筋混凝土建筑物。混凝土建筑物所有面（地板、天花板和墙壁）均应含有钢筋，以作为屏蔽措施。其入口处应安装用诸如薄钢板、铝或细金属丝网做成的屏蔽门。6.1.2 如建筑物位于塔的附近，有可能受到直接雷击（根据雷电滚球法检查）建筑物应按照 GB50057 或本社接受标准装设避雷针和引下线，并连接到接地体。6.1.3 基础接地体或环形接地体应进入室内一点，并接到等电位连接带（见图 5.1.3）。6.1.4 独立建筑物的接地体应连接到塔架接地体和场地的其它接地体。6.2 塔架和独立建筑物之间敷设电缆的连接 6.2.1 为了保持一个连续的 LPZ1 防雷区，在塔架和独立的建筑物之间应提供一条屏蔽的电缆 线路。6.2.2 可采用下列屏蔽方法：（1）屏蔽电缆，其两端接到等电位连接的屏蔽网；（2）两端接到等电位连接的金属管；（3）接到塔架和建筑物接地体的钢筋管道。6.3 独立建筑物内的开关柜 6.3.1 开关柜每个面均应用薄钢板做成，并接到等电位连接带。如不需防雷区界面连接或开关柜内的各单元已符合规定的防雷区条件（如通过金属封装），则开关柜也可不用薄钢板封装。7.防雷区界面处电缆和电线的处理防雷区界面处电缆和电线的处理 7.1 LPZ0A 与 LPZ1 界面处电缆和电线的处理 7.1.1 LPZ0A 与 LPZ1 之间的界面处，所有引入的电缆和电线应毫无例外地包括在防雷的等电位连接中，并配备作等电位连接用的连线夹、避雷导线、放电间隙等器件，这些器件可以导引预期的部分雷电流而不致使电缆和电线遭受损坏。7.2 其他防雷区的界面处电缆和电线的处理 7.2.1 其他防雷区的界面处，在被保护的空间内应提供另一个局部等电位连接。通过上述界面处的所有电缆和电线应接入这个局部等电位连接带。7.3 局部等电位连接带 7.3.1 所有的金属设备，如开关柜、电动机和发电机，应连接到局部等电位连接带。为局部等电位连接所选的元件和保护装置应根据该区的危险程度和装置对干扰的抑制情况选择。7.3.2 局部等电位连接带应相互连接，并用连接导线接到 LPZ0A 和LPZ0B 与 LPZ1 之间的界面。7.4 保护装置的应用 7.4.1 保护装置应根据所要求的保护等级，并考虑系统特性和兼容性选择。7.4.2 对从 LPZ0A 或 LPZ0B 进入 LPZ1 的电缆和电线，应为电源、通信和数据传输提供适当的避雷保护装置。7.4.3对从 LPZ1进入 LPZ2 的电缆和电线应装设适宜的电涌保护器。7.4.4 对更高一级的防雷区界面应装设适宜等级的电涌保护器。