風力發(fā)電機綜合防雷方案

1、風力發(fā)電綜合防雷解決方案深圳市世紀盾通訊技術有限公司二OO九年八月目 錄一、雷電與風力發(fā)電的防護二、 風力發(fā)電直擊雷防護三、 風輪、機艙、水平軸、尾舵和塔身的等電位連接 四、 風力發(fā)電機電磁屏蔽五、機艙內(nèi)各種柜的防護六、齒盤式風力發(fā)電避雷器七、風力發(fā)電電位敷設與接地系統(tǒng) 八、風力發(fā)電屏蔽處理措施 九、施工工藝十、 工程施工細則十一、防雷工程預算表十二、公司概況十三、服務承諾一、雷電與風力發(fā)電的防護11、雷電的入侵途徑，主要為直擊雷和感應雷。A直接雷擊：雷云之間或雷云對地面某一點（包括建筑物、構架、樹木、動植物等）的迅猛放電現(xiàn)象稱之為直接雷擊，它因電效應、熱效應、和機械力效應等造成物體

2、損壞和人員傷亡。B感應雷擊： 雷云放電時，在附近導體上（包括架空電纜、埋地電纜、鋼軌、水管等）產(chǎn)生的靜電感應和電磁感應等現(xiàn)象稱之為感應雷擊，它因過電壓、過電流易對微電子設備造成損壞、傷害工作人員、使傳輸或儲存的信號或數(shù)據(jù)（模擬或數(shù)字）受到干擾或丟失。風能是當前技術最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生潔凈能源。風能發(fā)電為人與自然和諧發(fā)展提供了基礎。由于風力發(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害的影響。    由于現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，風力發(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險，雷擊成了自然界中對風力發(fā)

3、電機組安全運行危害最大的一種災害。雷電釋放的巨大能量會造成風力發(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)地形復雜，雷暴日較多，應充分重視雷擊給風力風電機組和運行人員帶來的巨大威脅。例如，紅海灣風電場建成投產(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。    風機的防雷是一個綜合性的防雷工程，防雷設計的到位與否，直接關系到風機在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風機內(nèi)的各種設備不受損害等。二、 風力發(fā)電直擊雷防護    該

4、風機主體高度約80米，葉片長度約40米，即風機最高點高度約為120米，且大多數(shù)風力發(fā)電機位于空曠地帶，較孤立。風機的高度加上所處特殊的環(huán)境，造成風力發(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)的設備應屬于 LPZ1 區(qū)，這

5、其中包括電纜、發(fā)電機、齒輪箱等。塔架內(nèi)電氣柜中的設備，特別是屏蔽較好的弱電部分應屬于 LPZ2。    對與現(xiàn)有風力發(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。  &

6、#160; 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速計和風標免受雷擊。    根據(jù)風力發(fā)電機的使用性質及其重要性，參照建筑物防雷設計規(guī)范50057-94（2000版）關于建筑物的防雷分類，可以將風力發(fā)電機劃分為二類防雷建筑。二類防雷建筑對應的滾球半徑為45米，根據(jù)電氣幾何模型    hr=10·I0.65    hr雷閃的最后閃絡距離（擊距），即滾球半徑    I與hr對

7、應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hr=45米時，I=10.1KA，即在選用滾球半徑為45米時，當雷電流大于10.1KA時，雷電閃擊就會擊在接閃器上；當雷電流小于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)生了側擊。同時，較大的高度使得上行雷的概率增大。由于風力發(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，導致發(fā)生局部

8、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。    關于風力發(fā)電機的雷擊概率，可以參照高層建筑電氣設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上的，參照建筑物防雷設計規(guī)范GB500

9、57-94 及微波站防雷與接地設計規(guī)范YD2011-93 相關條款，風力發(fā)電機防雷接地電阻不能小于5。三、 風輪、機艙、水平軸、尾舵和塔身的等電位連接    機艙外殼應采用鋼板制成，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)生繞擊和側擊時，穿透機艙，對機艙內(nèi)設備造成損壞。如果機艙外殼為復合材料時，應在機艙外面敷設金屬網(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0.25/100s

10、的雷電流，應不小于40db,各網(wǎng)格連接處應焊接以保證電氣連接。    風輪與機艙間、機艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應通過鉚接、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0.03。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。四、 風力發(fā)電機電磁屏蔽    由于風力發(fā)電機為高聳塔式結構，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)等設備可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控制

11、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)都應安裝相應的過電壓保護裝置。    電力和信息回路由機艙到地面并網(wǎng)柜、變流器、塔底控制柜處應采取屏蔽電纜外，還應穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應在柜內(nèi)安裝相應防雷裝置，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備與屏蔽系統(tǒng)連接，每個電控柜用不小于16mm

12、2的多股塑銅線與接地端子連接。五、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，通過雷擊風險評估后，根據(jù)評估結果進行設計，根據(jù)建筑物信息系統(tǒng)的重要性和使用性質確定雷電防護等級，該風力發(fā)電機可以定為B級防護。在被保護的設備處加裝三級浪涌保護器。第一級采用開關型的電涌保護器，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，即一級標稱放電電流In15KA（10/350s）或In60KA（8/20s），二級標稱放電電流I n40KA，三級標稱放電電流I n20KA。    對于690V/380V的風力發(fā)電機供

13、電線路，為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設備，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等用電設備進線前端應安裝相應的三相交流避雷器（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備前應安裝信號避雷器。雙絞線必須穿金屬管敷設或采用屏蔽雙絞線，且金屬管或屏蔽

14、層兩頭接地。    3、機艙控制室：機艙控制室位于風機頂端，雷雨天氣時極易遭受直擊雷，里面的開關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）。      

15、以上設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）

16、0;   4、各機柜的二次儀表線路應加裝相應的電源避雷器（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備柜之前接地。電源避雷器的接地宜和風機的鋼結構體連接在一起。    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，在艙底的設備柜內(nèi)加裝通過二級分類試驗的電源避雷器，在弱點設備的電源處還應加裝通過三級分類試驗的電源避雷器，使設備得到充分的保護。六、齒盤式風力發(fā)電避雷器齒盤式風力發(fā)電避雷器結構示意圖其中1接閃針2風葉3輪轂4外齒盤5內(nèi)齒盤6軟導線具體實施方式

17、：參照圖1，一種齒盤式風力發(fā)電避雷器組件，包括接閃針1，軟導線6，避雷器外齒盤4和內(nèi)齒盤5，此四者均為金屬導電材料制成。外齒盤4固定在風機輪轂3上隨風機輪轂3同步轉動，內(nèi)齒盤5固定在機艙殼體前部是固定不動的，風機主軸從內(nèi)齒盤5中間的孔眼中穿孔而過，內(nèi)齒盤5直接與地線相連接。接閃針1端部伸出風葉2端部，起接閃作用，根據(jù)用戶喜好亦可將接閃針置于風葉內(nèi)部。所述齒盤式風力發(fā)電避雷器在安裝上要求輪轂在正常轉動時，外齒盤與內(nèi)齒盤保持同一平面位置，外齒盤與內(nèi)齒盤之間的運動間隙以不相互碰撞為準，內(nèi)齒盤與外齒盤間的運動間隙盡量靠近以保證尖端放電的敏感性效果?！褒X盤式風力發(fā)電避雷器”特征是該避雷器包括有一個外齒盤

18、和一個位于該外齒盤中間位置的內(nèi)齒盤，外齒盤和內(nèi)齒盤朝運動間隙一側分別布有相向能產(chǎn)生尖端放電效果的尖齒，內(nèi)齒盤中間開設有一供風機主軸穿過的孔眼，其中一個齒盤固定在風機輪轂上，與輪轂同步轉動，固定在輪轂上的齒盤與固定在風葉上的接閃針電連接，另一個齒盤固定在機艙殼體前端是固定不動的并與地線直接連接。通過內(nèi)、外齒盤運動間隙尖齒的配合，從風葉接閃針引來的雷電會在外齒盤與內(nèi)齒盤之間的尖齒狀結構中形成“尖端放電”現(xiàn)象，使雷電快速直接地泄放入地，避免雷電流通過風機低速主軸承后再入地，這種直接的放電形式除可保護低速主軸承外，還可最大程度地保護發(fā)電機及其它機組設備免遭雷擊破壞。 “齒盤式風力發(fā)電避雷器”結構簡單，

19、通過內(nèi)外齒盤間動態(tài)配合放電結構，既可保證風葉運行不增加阻力，又能在雷電產(chǎn)生時快捷地將雷電流直接引接入地，既可與新設備有機地設計成一體，也適合改裝現(xiàn)役風力發(fā)電機組，提高防雷能力。齒盤式風力發(fā)電避雷器”可解決目前所有風電中所遇到的雷電難題，是目前風電防雷的最佳解決方案。七、 風力發(fā)電電位敷設與接地系統(tǒng) 接地是防雷技術中重要的環(huán)節(jié)，沒有合理而良好的接地裝置就不能有效地防雷。 GB50057-94建筑物防雷設計規(guī)范（2001版）第條規(guī)定：“穿過各防雷區(qū)界面的金屬物和系統(tǒng)，以及在一個防雷區(qū)內(nèi)部的金屬物和系統(tǒng)均應在界面處作符合要求的等電位連接。 八、風力發(fā)電屏蔽處理措施 屏蔽是減少電磁干擾的基本措施。GB

20、50057-94建筑物防雷設計規(guī)范（2001版）第條規(guī)定：為減少電磁干擾的感應效應，宜采取以下的基本屏蔽措施：建筑物和房間的外部設屏蔽措施，以合適的路徑敷設線路線路屏蔽。這些措施宜聯(lián)合使民用閉路監(jiān)視電視系統(tǒng)工程技術規(guī)范GB5019894第條“同軸電宜采用穿管暗敷或線槽的敷設方式。當必須采取架空敷設時，應采取防干擾措施”。 傳輸線埋地敷設并不能阻止雷擊設備的發(fā)生，大量的事實顯示，雷擊造成埋地線纜故障，大約占總故障的30左右，即使雷擊比較遠的地方，也仍然會有部分雷電流流入電纜。所以采用帶屏蔽層的線纜或光纜穿鋼管埋地敷設，保持鋼管的電氣連通。對防護電磁干擾和電磁感應非常有效，這主要是由于金屬管的屏蔽

21、作用和雷電流的集膚效應。如電纜全程穿金屬管有困難時，可在電纜進入終端和終端設備前穿金屬管埋地引入，但埋地長度不得小于15米，在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置相連。 九、施工工藝8.1 接地裝置及等電位連接施工工藝要求鋼質接地裝置宜采用焊接連接，其搭接長度應符合下列規(guī)定：扁鋼與扁鋼搭接為扁鋼寬度的2倍，不少于三面施焊；圓鋼與圓鋼搭接為圓鋼直徑的6倍，雙面施焊；圓鋼與扁鋼搭接為圓鋼直徑的6倍，雙面施焊；扁鋼和圓鋼與鋼管、角鋼互相焊接時，除應在接觸部位兩側施焊外，還應增加圓鋼搭接件；焊接部位應做防腐處理。銅質接地裝置應采用焊接或熔接，鋼質和銅質接地裝置之間連接應采用熔接或采用搪錫后螺栓連接

22、，連接部位應做防腐處理。接地裝置連接應可靠，連接處不應松動、脫焊、接觸不良。8. 1.4接地裝置施工完工后，測試接地電阻值必須符合設計要求，隱蔽工程部分應有檢查驗收合格記錄。8. 1.5接地線與接地體的連接應采用焊接。保護地線（PE）與接地端子板的連接應可靠，連接處應有防松動或防腐蝕措施。8. 1.6接地線與金屬管道等自然接地體的連接，應采用焊接。如焊接有困難時，可采用卡箍連接，但應有良好的導電性和防腐措施。8.2 電源線路電涌保護器（SPD）的安裝應符合下列規(guī)定：電源線路的各級電涌保護器（SPD）應分別安裝在被保護設備電源線路的前端，電涌保護器各接線端應分別與配電箱內(nèi)線路的同名端相線連接。電

23、涌保護器的接地端與配電箱的保護接地線（PE）接地端子板連接，配電箱接地端子板應與所處防雷區(qū)的等電位接地端子板連接。各級電涌保護器（SPD）連接導線應平直，其長度不宜超過0.5m。帶有接線端子的電源線路電涌保護器應采用壓接；帶有接線柱的電涌保護器宜采用線銅鼻子與接線柱連接。電涌保護器SPD應安裝牢固，其位置及布線正確。 電源電涌保護器（SPD）的連接導線最小截面積宜符合下表的規(guī)定。電源電涌保護器(SPD)連接線最小截面積防護級別SPD的類型導線截面積(2)SPD連接相線銅導線SPD接地端連接銅導線第一級開關或限壓型1625第二級限壓型1016第三級限壓型6108.3信號線路電涌保護器（SPD）的

24、安裝應符合下列規(guī)定：線路電涌保護器SPD應連接在被保護設備的信號端口上。電涌保護器SPD輸出端與被保護設備的端口相連。電涌保護器SPD也可以安裝在機柜內(nèi)，固定在設備機架上或附近支撐物上。信號線路電涌保護器SPD接地端宜采用截面積不小于1.5mm2的銅芯導線與設備機房內(nèi)局部等電位接地端子板連接，接地線應平直。8.3.3電涌保護器SPD應安裝牢固，其位置及布線正確。8.3.4信號電涌保護器（SPD）的連接導線最小截面積宜符合下表的規(guī)定。信號電涌保護器(SPD)連接線最小截面積防護級別SPD的類型導線截面積(2)SPD連接銅導線SPD接地端連接銅導線第一級半導體器件468.4 線纜敷設施工工藝要求8

25、.4.1接地線在穿越墻壁、樓板和地坪處應套鋼管，鋼管應與接地線做電氣連通。8.4.2線槽或線架上的線纜，其綁扎間距應均勻合理，綁扎線扣應整齊，松緊適宜；綁扎線頭宜隱藏而不外露。8.4.3接地線的敷設應平直、整齊。十、 工程施工細則9.1 施工準則根據(jù)中國氣象局制定的防雷工程專業(yè)施工資質管理辦法中的若干規(guī)定及我公司防雷工程施工質量手冊相關標準，結合工程施工具體實際，特制定本實施細則?，F(xiàn)場勘察設計防雷方案擬定施工計劃按計劃施工工程驗收、交付9.2 施工方案電源部分：第一步驟：SPD的定位，根據(jù)SPD安裝規(guī)范，SPD距配電設施越近越好，距離不宜超過510米，最好裝在電源配電箱內(nèi)或加裝在電源箱旁。第二

26、步驟：SPD的連接，SPD的連接螺絲要擰緊，導線接口施工規(guī)范，施工時要斷電操作，以保證安全。信號部分保證線路安全暢通、不間斷，安裝時要特別注意線不能接反、接錯。地網(wǎng)在不影響正常工作的情況下進行，先在建筑物外施工，而后進行與建筑物內(nèi)均壓環(huán)連接。等電位在不影響正常工作的情況下進行等電位連接。9.3施工時間具體時間由客戶提出。十一、防雷工程預算表 單位：人民幣（元）序器材名稱規(guī)格型號單位數(shù)量單價金額備注一、電源系統(tǒng)防護1電源防雷箱市電進入一級保護2分配電柜二級保護34防雷插座主要設備保護器材總價輔材費 施工費總價注： 1、報價含已含稅。2、三年質保，太平洋保險公司承保。 十二、公司概況深圳市世紀盾通

27、訊技術有限公司成立于2006年7月，集防雷產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、工程設計、工程施工為一體的專業(yè)性防雷高科技企業(yè)。公司地處深圳市南山區(qū)科技園，辦公及廠區(qū)面積1600平方，08年先后通過“ISO9001：2000國際質量管理體系認證、ISO14001環(huán)境體系認證及國家審定頒發(fā)的高新技術企業(yè)”。09年3月獲的廣東省氣象局頒發(fā)的防雷工程施工證書和深圳華為防雷配套入圍選型廠家。公司擁有防雷產(chǎn)品的一項發(fā)明專利和3項實用新型專利。通過同西安交通大學、清華大學的緊密合作，建成了國內(nèi)一流的雷擊試驗室，可以進行150KA（8/20S）的雷電沖擊實驗、方波2mS（能量耐量）實驗、高溫負荷實驗裝置實驗、工頻耐受實驗、電流熔斷實驗、氣體放電管工頻耐受實驗、負載實驗、模擬過電壓實驗等，檢測設備齊全，可對防雷產(chǎn)品及原材料進行全面的檢測，加上先進的工藝流程和完備的生產(chǎn)設施，確保了我們卓越的產(chǎn)品質量。世紀盾防雷，全力打造自有防雷品牌。開發(fā)了電源防雷箱、電源防雷器（模塊）、計算機網(wǎng)絡防雷器、視頻和監(jiān)控