防雷接地系統(tǒng)

金風1500Kw風力發(fā)電機組的防雷接地系統(tǒng)介紹

作者：李強修改：孫偉2007.8.91、雷電的產(chǎn)生2、雷電的危害3、防雷保護的原理及方法

4、雷電保護區(qū)域的劃分5、1500kW機組防雷接地系統(tǒng)介紹主要內容雷電是自然界中一種常見的放電現(xiàn)象。關于雷電的產(chǎn)生有多種解釋理論，通常我們認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電荷的小水滴。當正負電荷累積達到一定的電荷值時，會在帶有不同極性的云團之間以及云團對地之間形成強大的電場，從而產(chǎn)生云團對云團和云團對地的放電過程，這就是通常所說的閃電和響雷。

1、雷電的產(chǎn)生

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

而對我們生活產(chǎn)生影響的，主要是近地的云團對地的放電。經(jīng)統(tǒng)計，近地云團大多是負電荷，其場強最大可達20kV/m。

2、雷電的危害

自然界每年都有幾百萬次閃電。雷電災害是“聯(lián)合國國際減災十年”公布的最嚴重的十種自然災害之一。最新統(tǒng)計資料表明，雷電造成的損失已經(jīng)上升到自然災害的第三位。全球每年因雷擊造成人員傷亡、財產(chǎn)損失不計其數(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因雷擊以及雷擊負效應造成的人員傷亡達3000～4000人，財產(chǎn)損失在50億元到100億元人民幣。

雷擊造成的危害主要有5種：（1）直擊雷

帶電的云層對大地上的某一點發(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，將導致放電通道內的物體、建筑物、設施、人畜遭受嚴重的破壞或損害——火災、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。（2）雷電波侵入

雷電不直接放電在建筑和設備本身，而是對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散，侵入并危及室內電子設備和自動化控制等各個系統(tǒng)。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。（3）感應過電壓雷擊在設備設施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對地放電，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生成過電壓。雷擊放電于具有避雷設施的建筑物時，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，會在引下線周圍形成強大的瞬變磁場，輕則造成電子設備受到干擾，數(shù)據(jù)丟失，產(chǎn)生誤動作或暫時癱瘓；嚴重時可引起元器件擊穿及電路板燒毀，使整個系統(tǒng)陷于癱瘓。

（4）系統(tǒng)內部操作過電壓因斷路器的操作、電力重負荷以及感性負荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內部狀態(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)內部電磁能量轉化，從而產(chǎn)生內部過電壓，即操作過電壓。操作過電壓的幅值雖小，但發(fā)生的概率卻遠遠大于雷電感應過電壓。實驗證明，無論是感應過電壓還是內部操作過電壓，均為暫態(tài)過電壓（或稱瞬時過電壓），最終以電氣浪涌的方式危及電子設備，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)庫或使軟件誤操作，使一些控制元件失控。（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施，接地網(wǎng)的地電位會在數(shù)微秒之內被抬高數(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)絡信號系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡信號系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設備。同時，在未實行等電位連接的導線回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險。3、防雷保護的原理及方法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，參見GB50057-94《建筑物防雷設計規(guī)范》，其技術措施可分接閃器、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)有結構、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。

3.2現(xiàn)代防雷保護的原理及方法：

德國防雷專家希曼斯基在《過電壓保護理論與實踐》一書中，給出了現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡的防雷框圖：

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施（含室外獨立電子設備）免遭直擊雷危害，其技術措施可分接閃器（避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器）、引下線、接地體等。3.2.2內部防雷內部防雷——快速泄放沿著電源或信號線路侵入的雷電波或各種危險過電壓這兩道防線，互相配合，各盡其職，缺一不可。內部防雷系統(tǒng)主要是對建筑物內易受過電壓破壞的電子設備（或室外獨立電子設備）加裝過壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，防雷保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設備免受損壞。內部防雷又可分為電源線路防雷和信號線路防雷。

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計算機及相關設備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過避雷器對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)設備，以及防止線纜遭受二次感應，應采取分級保護、逐級泄流的原則。一是在電源的總進線處安裝放電電流較大的首級電源避雷器，二是在重要設備電源的進線處加裝次級或末級電源避雷器。信號線路防雷由于雷電波在線路上能感應出較高的瞬時沖擊能量，因此要求信號設備能夠承受較高能量的瞬時沖擊，而目前大部分信號設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，信號設備在雷電波沖擊下遭受過電壓而損壞的現(xiàn)象越來越多。

風力發(fā)電機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)。風力發(fā)電設備高達幾十米甚至上百米，導致其極易被雷擊并直接成為雷電的接閃物。由于風機內部結構非常緊湊，無論葉片、機艙還是塔架受到雷擊，機艙內的電控系統(tǒng)等設備都有可能受到機艙的高電位反擊。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。實際上，對于處于曠野之中高聳物體，無論怎么樣防護，都不可能完全避免雷擊。因此，對于風力發(fā)電機組的防雷來說，應該把重點放在遭受雷擊時如何迅速將雷電流引入大地，盡可能地減少由雷電導入設備的電流，最大限度地保障設備和人員的安全，使損失降低到最小的程度。金風1500kW系列機組的防雷系統(tǒng)就是遵循這一原則而設計的。4、雷電保護區(qū)域的劃分雷電保護區(qū)LPZOA

該區(qū)內的各物體都可能遭受直接雷擊，同時在該區(qū)內雷電產(chǎn)生的電磁場能自由傳播，沒有衰減。雷電保護區(qū)LPZOB

該區(qū)內的各種物體在接閃器保護范圍內，不會遭受直接雷擊，但該區(qū)內的雷電電磁場因沒有屏蔽裝置，雷電產(chǎn)生的電磁場也能自由傳播，沒有衰減。雷電保護區(qū)LPZi（i=1，2，...）當需要進一步減少雷電流和電磁場時，應引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護的系統(tǒng)所需求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。B、C、D三級防雷器(SPD)保護水平的要求：

B級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，達到限流的目的，同時將危險過電壓減小到一定的程度。

C、D級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，達到限壓的效果，使過電壓減小到設備能承受的水平。

5、1500kW機組防雷接地系統(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)以上對不同電磁兼容性防雷保護區(qū)的劃分和應用SPD的原理，在塔底的620V或690V電網(wǎng)進線側和變壓器輸出400V側安裝B級和C級SPD即防雷器以防護直接雷擊，將殘壓降低到2.5kV水平，同時做好風機的接地系統(tǒng)。

在風向標風速儀信號輸出端加裝信號防雷模塊防護，殘余浪涌電流為20kA（8/20μs）,響應時間小于等于500ns。

雷擊造成葉片損壞的機理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結構溫度急劇升高，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)的主要目標是避免雷電直擊葉片本體而導致葉片損害。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導電體，雷電導致?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，而且會增加損害的次數(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)以上研究結果，針對1500kW系列機組的葉片應用了專用防雷系統(tǒng)，此系統(tǒng)由雷電接閃器和雷電傳導部分組成，如下圖所示。在葉尖裝有接閃器捕捉雷電，再通過敷設在葉片內腔連接到葉片根部的導引線使雷電導入大地，約束雷電，保護葉片。雷電從接閃器通過導引線導入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂、主軸傳至機艙，再通過偏航軸承和塔架最終導入接地網(wǎng)。按IEC61400-24標準的推薦值，如風力發(fā)電機組要達到一級防雷擊保護要求，則葉片防雷擊銅質電纜導線截面積最小為50平方毫米。而金風1500Kw機組的葉片銅質電纜導線截面積為77平方毫米，能夠滿足一級防雷保護的要求。葉片防雷

雷電由在葉片表面接閃電極引導，由引下導線傳到葉片根部，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入接地網(wǎng)。在機艙頂部裝有一個避雷針，避雷針用作保護風速計和風標免受雷擊，在遭受雷擊的情況下將雷電流通過接地電纜傳到機艙上層平臺，避免雷電流沿傳動系統(tǒng)的傳導。機組基礎的接地設計符合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，單臺機組的接地電阻≤4Ω，使雷電流迅速流散入大地而不產(chǎn)生危險的過電壓。金風1500kW風力發(fā)電機組的防雷系統(tǒng)中所采取的過壓保護和等電位連接措施符合IEC61024、61312、IEC61400和GB50057-1994的相關規(guī)定，在不同的保護區(qū)的交界處，通過SPD（防雷及電涌保護器）對有源線路（包括電源線、數(shù)據(jù)線、測控線等）進行等電位連接。其中在LPZ0區(qū)和LPZ1區(qū)的交界處，采用通過I類測試的B級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)內部的大能量的雷電流泄放并將殘壓控制在2.5kV的范圍。對于LPZ1區(qū)與LPZ2的交界處，采用通過II類測試的C級SPD并將殘壓控制在1.5kV的范圍。為了預防雷電效應，對處在機艙內的金屬設