解决方案及案例

1. 概述

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视，风力发电是当今最具规模开发条件的电力资源，为了获取更多的风能，风力发电机组的单机容量在不断增大，机组都建设在风力强大的地理位置，如：海岸、丘陵、山脊等雷电多发区的制高点，以及风机的高度随着轮毂的高度和叶轮的直径增加不断升高，作为地面上高耸突出的物体，风电机组长期暴露在大气环境中，因此雷击的风险非常高。   

其中机组部分是风力发电贵重的设备，投资金额占风电工程60%以上。若遭受雷击破坏，机组的桨叶、传动装置、发电设备和控制系统造成严重的破坏，导致机组停运事故，从而引起更大的经济损失。

因此，风机的雷电和过电压保护非常重要。

2. 风力发电机组的雷电防护措施

2.1叶片

2.1.1 风机塔架处在叶片的保护范围之内，风机箱式变压器处在风机的直击雷保护范围之内

2.1.2 非金属的叶片应在其表面布设接闪器和引下导体，用于接闪器和引下导体的材料应能承受雷电流引起的电应力、热应力和电动    力。一般情况下，在桨叶表面镶嵌一条金属带作为接闪器，这种金属带可以通过在桨叶表面上喷涂金属层或嵌装金属纤维编织网来设置；或将接闪器做成片状，嵌入桨叶内部。所用接闪器和引下导体的最小材料尺寸应符合GB50057的要求，不小于表1给出的数据。

表1 用于接闪器和引下导体的最小材料尺寸（表1内容请与我司技术人员联系0755-21000139）

2.1.3 在叶片根部，引下线应连接在叶片的安装法兰或轮毂上。

2.1.4 固定在叶片上或叶片内部的传感器导线应采用屏蔽电缆或敷设在金属管内，其电缆屏蔽层或金属管与引下导体作等电位连接。

2.2 主轴和齿轮箱

2.2.1 用作传导跨过轴承的雷电流的铜质软导线铜质滑动触点或相似的措施，其使用截面不小于50 mm2。

2.2.2 为了减少通过轴承的雷电流，宜在所有轴承、齿轮箱和高速轴与机舱底板之间加装绝缘层，并在齿轮箱与发电机之间加装绝缘联轴器。

2.3 机舱

2.3.1 机舱罩和安装在机舱罩上的风向风速仪应在桨叶上的接闪器、引下导体及机舱尾部的接闪杆共同组成的接闪器的保护范围之内。

2.3.2 应专设引下线连接机舱和塔架机舱内除了需要绝缘隔离的设备外，其余所有设备均应与机舱底板做电气连接。

2.3.3 如机舱为非金屈壳体，机舱内设备宜安装在金属框架内。

2.4 塔架

2.4.1 组成钢制管状塔架的塔筒的每两段之间应可靠电气连接，在筒段圆周上应等距离布置多个跨接导体，其数量不得少于4处。跨接导体宜采用的截面不小于50mm铜或热镀锌钢。

2.4.2 钢制管状塔架的底层塔筒与接地体的电气连接应采用专用连接导体，设置数量应大于4处，连接导体宜采用截面积不小于50mm的铜或热镀锌钢。

2.5 电气与控制系统

2.5.1 风力发电机组内的电力线路和信号线路应分开布置，其信号线缆与电力线缆的净距参照GB50343的规定，按照类别最接近的要求进行布设，如表2。

表2 信号电缆与电力电缆的间距（表2内容请与我司技术人员联系0755-21000139）

2.5.2 风力发电机组内的信号线路应设置在金属线槽或钢管内，或采用屏蔽电缆。整个线路的屏蔽层应保持电气连通，并在首尾两端接地或等电位连接。

2.5.3 为了防止变累统电控系统控制箱遭受电干扰机舱内所有输入接地电缆和屏蔽层在进入控制箱内直接和接地端子连接。机舱控制器与轮毂变奖系统控制箱、塔筒控制箱之间的所有电缆都做屏蔽，屏蔽装置与接地端子条和滑环外壳做电气连接。

2.5.4 由外部市电引入的风力发电机组的控制电源，在进入塔筒的配电柜前端应设置I级实验或目级实验电涌保护器，其电压保护水平应不大于25kV，计算每一保护模式的冲击电流时，雷电流值参照风机机组预计雷击次数进行。当无法确定时，每一保护模式冲击电流应不小于12.5kA。塔筒内的就地控制屏配电前端应设置Ⅱ级实验电涌保护器，其电压保护水平本大于2.0kV。在控制电路中对输入和输出信号加装电涌保护器，应设置III级实验电涌保护器，其电保保护水平不大于1.5kV。

2.5.5 塔简机舱内的电源控制柜内应安装II级实验电涌保护器，对变频器、控制设备进行保护，其电压保护水平不大于2.0kV，计算每一保护模式的冲击电流时，雷电流值参照风机机组预计雷击次数进行，当无法确定时，每一保护模式冲击电流应选不小于12.5kA。在变桨控制电路中对输入和输出信号采用 SPD进行保护，应设置III级实验电涌保护器，其电压保护水平不大于1.5kV。

2.5.6 风电场箱式变压器高压侧应设置在高压线路上的与之相适配的电涌保护器。低压侧应设I级实验电涌保护器，其电压保护不大于2.5kV，计算每一保护模式的冲击电流时，雷电流值参照风机机组预计雷击次数进行，当无法确定时，每一保护模式冲击电流应选不小于12.5kA。

2.5.7 监控信号线路应采(改)用无金属光缆。当采用金属导线时，在电子信息设备前端应设置复合波Ⅲ类试验SPD，开路电压Uoc不小于6kV和8/20us短路电流Isc不大于3kA。

2.5.8 风力发电机中上下两层的控制柜和同一层的控制柜之间应进行等电位连接。

3. 集电线路的防雷措施

3.1 应按照雷电灾害风险评估给出的要求敷设或架设集电线路的电力线路送电线路的雷电过电压保护方式，应根据线路的电压等级、负荷性质、系统运行方式、当地原有线路的运行经验、雷电活动的强弱、地形地貌的特点和十壤电阻率的高低等条件，通过技术经济比较确定

3.2 集电线路中的电力线路采用电缆接线方式时，电缆宜敷设在地下，并符合GB50217的相关规定。

3.3 集电线路中的电力线路采用架空线方式连接时，其线路架设应符合GB/T50064的要求。35kV以下线路，一般不全线架设接闪线。35kV的集电线路一般采取架设接闪线的直击雷保护方式，且其耐压水平，每基杆塔不连接闪线的工频接地电阻不宜大于10Ω，十壤电阻率高时，可适当放宽接地电阻值，不宜超过表3所列数值。

表3  有接闪线的线路杆塔的工频接地电阻表（表格内容请与我司技术人员联系0755-21000139）

3.4 集电线路中的电力线路采用架空线方式连接时，应使接闪线受雷击后线路绝缘不发生闪络，必要时需降低线路杆塔的接地电阻，或适当加强线路绝缘，对个别杆塔可使用电涌保护器。

4. 直击雷防护

4.1.1 建筑物防直击雷装置应符合GB50057的要求。综合办公楼、高压SVG室应采取第二类防雷建筑物外部防护措施，宜采用装设在建筑物上的接闪网(线、杆)，或混合组成的接闪器。110kV及以上升压站户外设立独立接闪杆若干，应通过计算，使室外所有电气设备均在接闪杆保护范围之内。

4.1.2 110kV以及以上的升压站，宜将接闪杆(线)架设在配电装置的架构上，装设接闪杆(线)的配电架构应设辅助接地装置，此接地装置与升压站接地网的连接点离变压器接地装置与升压站接地网的连接点之间的距离不应小于15m。但在土壤电阻率大于1000m的地区，宜装设独立接闪杆。

4.1.3 独立接闪杆(线)设置应符合GB/T50064中的要求。独立接闪杆(线)宜设独立接地装置，在非高十壤电阴率地区，其接地电阻不宜超过10Ω。当有困难时，该接地装置可与主接地网连接，但接闪杆与主接地网的地下连接点至35kV及以下设备与这接地网的地下连接点之间，沿接地体的长度不得小于15m。独立接闪杆不应设在人经常通行的地方，接闪杆及其接地装置与道路或出入口等的距离不宜小于3m，否则应采取均压措施，或铺设砾石或沥青地面，也可铺设混凝十地面。

4.1.4 独立接闪杆(线)与配电装置在空气中距离以及独立接闪杆(线)的接地装置与升压站接地网间的地中距离应符合GB/T50064的要求。

4.1.4.1 独立接闪杆与配电装置带电部分、发电厂和变电站电气设备接地部分、架构接地部分之间的空气中距离，应符合式(1)的要求:

 (1) Sa≥0.2Ri+01hj 

式中:Sa一空气中距离(m);

Ri-接闪杆的冲击接地电阻(Ω);

hi-接闪杆校验点的高度(m)。

4.1.4.2 独立接闪杆的接地装置与发电厂或变电站接地网间的地中距离，应符合式(2)的要求:

(2) Se≥0.3Ri

式中:Se地中距离(m);

Ri-接闪杆的冲击接地电阻(Q)。

4.2 雷击电磁脉冲防护

4.2.1 220kV及以下的电压等级升压站应在单独运行的母线上都应安装电涌保护器，采用GIS的升压站应在每回线路的入口安装电涌保护器。

4.2.2 35kV及以上电压等级升站进线段采用电缩线路时，在申缆线与加空线连接外，应装设一组电涌保护器保护，并且使电涌保护器的接地端与电缆的金属外皮连接。

4.2.3 升压站的变压器防雷保护应符合GB/T50064的要求。根据GB/T50065和GB/T50064的规定。分别在升压站的110kV、35kV母线上装设一组金属氧化锌电涌保护器对雷电波侵入和其他过电压进行保护;每一台箱式变电站高压侧装设一组金属氧化锌电涌保护器;主变中性点装设金属氧化锌电涌保护器一只，与隔离开关和放电间隙配合使用。

5. 接地装置

5.1 接地装置除利用基础钢筋接地外，另敷设水平接地极和垂直接地极组成的人工接地体，并回填黄土来降低接地电阻，必要时应设置接地模块。人工接地体的外缘应闭合成环形，人工环形接地装置的水平接地体的埋设深度不应小于05m敷设深度不小于冻土层深度;垂直接地体应沿水平接地体均匀埋设，其长度宜为25m，垂直接地体的间距宜大于其长度的两倍。

5.2 风力发电机组的接地电阻值按R≤4Ω设计。升压站接地网的设置应符合GB/T50065的要求，其接地电阻值应符合GB/T50065的要求。

5.2.1 一般情况下，接地装置的接地电应符合式(3):

 (3) &m时风力发电机组的环形接地体所包围的面积的等效圆半径不应小于(p-550)/50()。

5.4 独立接闪杆(含悬挂独立接闪线的架构)的接地电阻。在土壤电阻率不大于500Ωm的地区不应大于10:在高十壤电率地区接地电阻应符合GB/T50064的要求。

5.5 水平接地网采用50mmx5mm镀锌扁钢，应设置成环形并与钢筋混凝十基础连接，垂直接地极采用50mmx50mmx5mm锌角钢、成50的锌圆钢，垂直接地极长25m。接地休的材料、结构和最小截面应符合GB50057-2010中的表5.4.1的规定，不宜超过如下表要求的尺寸。

技术特点

泄流能量大，响应速度快，残压低

内置过热过流脱扣装置，安全可靠

插拔式模式结构，安装维护方便，可带电更换

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外壳材料采用防腐、强化热熔阻燃材料

产品选型表