風(fēng)電場(chǎng)防雷接地系統(tǒng)

關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)防雷接地系統(tǒng)第1頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

雷電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象。關(guān)于雷電的產(chǎn)生有多種解釋理論，通常我們認(rèn)為由于大氣中熱空氣上升，與高空冷空氣產(chǎn)生摩擦，從而形成了帶有正負(fù)電荷的小水滴。當(dāng)正負(fù)電荷累積達(dá)到一定的電荷值時(shí)，會(huì)在帶有不同極性的云團(tuán)之間以及云團(tuán)對(duì)地之間形成強(qiáng)大的電場(chǎng)，從而產(chǎn)生云團(tuán)對(duì)云團(tuán)和云團(tuán)對(duì)地的放電過程，這就是通常所說的閃電和響雷。

1、雷電的產(chǎn)生第2頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

具體來說，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的凍結(jié)、云體的碰撞等均可使云粒子起電。一般云的頂部帶正電，底部帶負(fù)電，兩種極性不同的電荷會(huì)使云的內(nèi)部或云與地之間形成強(qiáng)電場(chǎng)，瞬間劇烈放電爆發(fā)出強(qiáng)大的電火花，也就是我們看到的閃電。在閃電通道中，電流極強(qiáng)，溫度可驟升至2萬攝氏度，氣壓突增，空氣劇烈膨脹，人們便會(huì)聽到爆炸似的聲波振蕩，這就是雷聲。

第3頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

而對(duì)我們生活產(chǎn)生影響的，主要是近地的云團(tuán)對(duì)地的放電。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，近地云團(tuán)大多是負(fù)電荷，其場(chǎng)強(qiáng)最大可達(dá)20kV/m。

第4頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日2、雷電的危害

自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災(zāi)害是“聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)十年”公布的最嚴(yán)重的十種自然災(zāi)害之一。最新統(tǒng)計(jì)資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災(zāi)害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因雷擊以及雷擊負(fù)效應(yīng)造成的人員傷亡達(dá)3000～4000人，財(cái)產(chǎn)損失在50億元到100億元人民幣。第5頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日雷擊造成的危害主要有5種：（1）直擊雷帶電的云層對(duì)大地上的某一點(diǎn)發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受嚴(yán)重的破壞或損害——火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。第6頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日（2）雷電波侵入雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對(duì)布放在建筑物外部的線纜放電。

線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng)。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。第7頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日（3）感應(yīng)過電壓雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對(duì)地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷，并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應(yīng)生成過電壓。雷擊放電于具有避雷設(shè)施的建筑物時(shí)，雷電波沿著建筑物頂部接閃器（避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或避雷針）、引下線泄放到大地的過程中，會(huì)在引下線周圍形成強(qiáng)大的瞬變磁場(chǎng)，輕則造成電子設(shè)備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓；嚴(yán)重時(shí)可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個(gè)系統(tǒng)陷于癱瘓。

第8頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日（4）系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發(fā)生的概率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電感應(yīng)過電壓。實(shí)驗(yàn)證明，無論是感應(yīng)過電壓還是內(nèi)部操作過電壓，均為暫態(tài)過電壓（或稱瞬時(shí)過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設(shè)備，包括破壞印刷電路印制線、元件和絕緣過早老化壽命縮短、破壞數(shù)據(jù)庫(kù)或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。第9頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日（5）地電位反擊如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會(huì)在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時(shí)，在未實(shí)行等電位連接的導(dǎo)線回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險(xiǎn)。第10頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日3、防雷保護(hù)的原理及方法3.1、傳統(tǒng)的防雷方法：傳統(tǒng)的防雷方法主要就是直擊雷的防護(hù)，參見GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，其技術(shù)措施可分接閃器、引下線、接地體和法拉第籠。

其中接閃器包括避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器。根據(jù)建筑物的地理位置、現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、重要程度等，決定是否采用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)或其聯(lián)合接閃方式。

第11頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日3.2現(xiàn)代防雷保護(hù)的原理及方法：德國(guó)防雷專家希曼斯基在《過電壓保護(hù)理論與實(shí)踐》一書中，給出了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的防雷框圖：第12頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第13頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日3.2.1外部防雷外部防雷的作用是將絕大部分雷電流直接引入地下泄散。外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防止建筑物或設(shè)施（含室外獨(dú)立電子設(shè)備）免遭直擊雷危害，其技術(shù)措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器）、引下線、接地體等。第14頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日3.2.2內(nèi)部防雷內(nèi)部防雷——快速泄放沿著電源或信號(hào)線路侵入的雷電波或各種危險(xiǎn)過電壓這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的電子設(shè)備（或室外獨(dú)立電子設(shè)備）加裝過壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí)，防雷保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。內(nèi)部防雷又可分為電源線路防雷和信號(hào)線路防雷。

第15頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日電源線路防雷電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過避雷器對(duì)地泄放后的殘壓過大或因更大的雷電流在擊毀避雷器后繼續(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備，以及防止線纜遭受二次感應(yīng)，應(yīng)采取分級(jí)保護(hù)、逐級(jí)泄流的原則。一是在電源的總進(jìn)線處安裝放電電流較大的首級(jí)電源避雷器，二是在重要設(shè)備電源的進(jìn)線處加裝次級(jí)或末級(jí)電源避雷器。第16頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日信號(hào)線路防雷由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時(shí)沖擊能量，因此要求信號(hào)設(shè)備能夠承受較高能量的瞬時(shí)沖擊，而目前大部分信號(hào)設(shè)備由于電子元器件的高度集成化而致耐過壓、耐過流水平下降，信號(hào)設(shè)備在雷電波沖擊下遭受過電壓而損壞的現(xiàn)象越來越多。第17頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是安裝在野外廣闊的平原地區(qū)或半山地丘陵地帶或沿海地區(qū)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備高達(dá)幾十米甚至上百米，導(dǎo)致其極易被雷擊并直接成為雷電的接閃物。由于風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常緊湊，無論葉片、機(jī)艙還是塔架受到雷擊，機(jī)艙內(nèi)的電控系統(tǒng)等設(shè)備都有可能受到機(jī)艙的高電位反擊。在電源和控制回路沿塔架引下的途經(jīng)中，也可能受到高電位反擊。實(shí)際上，對(duì)于處于曠野之中高聳物體，無論怎么樣防護(hù)，都不可能完全避免雷擊。因此，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷來說，應(yīng)該把重點(diǎn)放在遭受雷擊時(shí)如何迅速將雷電流引入大地，盡可能地減少由雷電導(dǎo)入設(shè)備的電流，最大限度地保障設(shè)備和人員的安全，使損失降低到最小的程度。金風(fēng)1500kW系列機(jī)組的防雷系統(tǒng)就是遵循這一原則而設(shè)計(jì)的。

第18頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日4、雷電保護(hù)區(qū)域的劃分第19頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日雷電保護(hù)區(qū)LPZOA

該區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭受直接雷擊，同時(shí)在該區(qū)內(nèi)雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能自由傳播，沒有衰減。雷電保護(hù)區(qū)LPZOB

該區(qū)內(nèi)的各種物體在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)，不會(huì)遭受直接雷擊，但該區(qū)內(nèi)的雷電電磁場(chǎng)因沒有屏蔽裝置，雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)也能自由傳播，沒有衰減。雷電保護(hù)區(qū)LPZi（i=1，2，...）當(dāng)需要進(jìn)一步減少雷電流和電磁場(chǎng)時(shí)，應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護(hù)的系統(tǒng)所需求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。第20頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日B、C、D三級(jí)防雷器(SPD)保護(hù)水平的要求：

B級(jí)防雷器一般采用具有較大通電流的防雷器，可以將較大的雷電流泄放入地，達(dá)到限流的目的，同時(shí)將危險(xiǎn)過電壓減小到一定的程度。

C、D級(jí)防雷采用具有較低殘壓的防雷器，可以將線路中剩余的雷電流泄放入地，達(dá)到限壓的效果，使過電壓減小到設(shè)備能承受的水平。第21頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日5、1500kW機(jī)組防雷接地系統(tǒng)介紹

主配電采用的是TN-C式供電系統(tǒng)，即系統(tǒng)的N線和PE線合為一根PEN線。根據(jù)以上對(duì)不同電磁兼容性防雷保護(hù)區(qū)的劃分和應(yīng)用SPD的原理，在塔底的620V或690V電網(wǎng)進(jìn)線側(cè)和變壓器輸出400V側(cè)安裝B級(jí)和C級(jí)SPD即防雷器以防護(hù)直接雷擊，將殘壓降低到2.5kV水平，同時(shí)做好風(fēng)機(jī)的接地系統(tǒng)。第22頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

第23頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日在風(fēng)向標(biāo)風(fēng)速儀信號(hào)輸出端加裝信號(hào)防雷模塊防護(hù)，殘余浪涌電流為20kA（8/20μs）,響應(yīng)時(shí)間小于等于500ns。

第24頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日雷擊造成葉片損壞的機(jī)理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結(jié)構(gòu)溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。葉片防雷系統(tǒng)的主要目標(biāo)是避免雷電直擊葉片本體而導(dǎo)致葉片損害。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導(dǎo)電體，雷電導(dǎo)致?lián)p害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險(xiǎn)，而且會(huì)增加損害的次數(shù)。多數(shù)情況下被雷擊的區(qū)域在葉尖背面（或稱吸力面）。根據(jù)以上研究結(jié)果，針對(duì)1500kW系列機(jī)組的葉片應(yīng)用了專用防雷系統(tǒng)，此系統(tǒng)由雷電接閃器和雷電傳導(dǎo)部分組成，如下圖所示。在葉尖裝有接閃器捕捉雷電，再通過敷設(shè)在葉片內(nèi)腔連接到葉片根部的導(dǎo)引線使雷電導(dǎo)入大地，約束雷電，保護(hù)葉片。第25頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

雷電從接閃器通過導(dǎo)引線導(dǎo)入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂、主軸傳至機(jī)艙，再通過偏航軸承和塔架最終導(dǎo)入接地網(wǎng)。按IEC61400-24標(biāo)準(zhǔn)的推薦值，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要達(dá)到一級(jí)防雷擊保護(hù)要求，則葉片防雷擊銅質(zhì)電纜導(dǎo)線截面積最小為50平方毫米。而金風(fēng)1500Kw機(jī)組的葉片銅質(zhì)電纜導(dǎo)線截面積為77平方毫米，能夠滿足一級(jí)防雷保護(hù)的要求。葉片防雷第26頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第27頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

雷電由在葉片表面接閃電極引導(dǎo)，由引下導(dǎo)線傳到葉片根部，通過葉片根部傳給葉片法蘭，通過葉片法蘭和變槳軸承傳到輪轂，通過輪轂法蘭和主軸承傳到主軸，通過主軸和基座傳到偏航軸承，通過偏航軸承和塔架最終導(dǎo)入接地網(wǎng)。在機(jī)艙頂部裝有一個(gè)避雷針，避雷針用作保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)免受雷擊，在遭受雷擊的情況下將雷電流通過接地電纜傳到機(jī)艙上層平臺(tái)，避免雷電流沿傳動(dòng)系統(tǒng)的傳導(dǎo)。機(jī)組基礎(chǔ)的接地設(shè)計(jì)符合IEC61024-1或GB50057-94的規(guī)定，采用環(huán)形接地體，包圍面積的平均半徑≥10m，單臺(tái)機(jī)組的接地電阻≤4Ω，使雷電流迅速流散入大地而不產(chǎn)生危險(xiǎn)的過電壓。第28頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第29頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日

金風(fēng)1500kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷系統(tǒng)中所采取的過壓保護(hù)和等電位連接措施符合IEC61024、61312、IEC61400和GB50057-1994的相關(guān)規(guī)定，在不同的保護(hù)區(qū)的交界處，通過SPD（防雷及電涌保護(hù)器）對(duì)有源線路（包括電源線、數(shù)據(jù)線、測(cè)控線等）進(jìn)行等電位連接。其中在LPZ0區(qū)和LPZ1區(qū)的交界處，采用通過I類測(cè)試的B級(jí)SPD將通過電流、電感和電容耦合三種耦合方式侵入到系統(tǒng)內(nèi)部的大能量的雷電流泄放并將殘壓控制在2.5kV的范圍。對(duì)于LPZ1區(qū)與LPZ2的交界處，采用通過II類測(cè)試的C級(jí)SPD并將殘壓控制在1.5kV的范圍。為了預(yù)防雷電效應(yīng)，對(duì)處在機(jī)艙內(nèi)的金屬設(shè)備如：金屬構(gòu)架、金屬裝置、電氣裝置、通訊裝置和外來的導(dǎo)體作了等電位連接，連接母線與接地裝置連接。匯集到機(jī)艙底座的雷電流，傳送到塔架，由塔架本體將雷電流傳輸?shù)降撞?，并通過3個(gè)接入點(diǎn)傳輸?shù)浇拥鼐W(wǎng)。在LPZ0與LPZ1、LPZ1與LPZ2區(qū)的界面處應(yīng)做等電位連接。第30頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第31頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第32頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第33頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日第34頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日6.1為什么要接地為什么要接地，需要我們了解一些概念：

電磁騷擾（EMD,ElectroMagneticDisturbance）:任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí)或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生作用的電磁現(xiàn)象。電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號(hào)或傳播媒介自身的變化。

電磁干擾（EMI,ElectroMagneticInterference）:是電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。

電磁干擾的三要素：1電磁干擾源；2耦合路徑（傳輸通道）；3敏感設(shè)備。

電磁騷擾是電磁現(xiàn)象，是一種客觀存在的物理現(xiàn)象，可能會(huì)引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降級(jí)，但不一定會(huì)形成后果，即電磁干擾。

電磁兼容（EMC,ElectroMagneticCompatibility）一般指電氣及電子設(shè)備在共同的電磁環(huán)境中能執(zhí)行各自功能的共存狀態(tài)，正常工作而互不干擾，達(dá)到“兼容”。6接地基本知識(shí)第35頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電磁兼容的措施：

1、抑制干擾源，減少不希望的發(fā)射；

2、消除或減弱干擾耦合；

3、增加敏感設(shè)備的抗干擾能力，削弱不希望的響應(yīng)。如接地、屏蔽、濾波限幅等。第36頁，共41頁，2023年，2月20日，星期日6.2接地的概念“地”一般定義為電路或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)。直流電壓的零電位點(diǎn)或零電位面不一定為實(shí)際的大地地面，還可以是設(shè)備的外殼或其他金屬板線。“接地”一個(gè)含義是指為電路或系統(tǒng)提供一個(gè)零電位參考點(diǎn)