1500kW防雷接地系统设计说明(A0版)

3.5 机组基础防雷接地
图 4 机舱接地示意图
3.5.1 机组基础的接地设计符合 IEC61024-1 或 GB50057-94 的规定，采用环形接地体，包围面积的平 均半径≥10m，单台机组的接地电阻≤4Ω，使雷电流迅速流散入大地而不产生危险的过电压。 3.6 过压保护和等电位连接
3.6.1 东电新能源 1500kW 风力发电机组的防雷系统中所采取的过压保护和等电位连接措施符合 IEC61024、61312、IEC61400 和 GB50057-1994 的相关规定，在不同的保护区的交界处，通过 SPD（防 雷及电涌保护器）对有源线路（包括电源线、数据线、测控线等）进行等电位连接。其中在 LPZ0 区和 LPZ1 区的交界处，采用通过 I 类测试的 B 级 SPD 将通过电流、电感和电容耦合三种耦合方式侵入到系 统内部的大能量的雷电流泄放并将残压控制在<2.5kV 的范围。对于 LPZ1 区与 LPZ2 的交界处，采用通 过 II 类测试的 C 级 SPD 并将残压控制在<1.5kV 的范围。 3.6.2 为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备如：金属构架、金属装置、电气装置、通讯装置 和外来的导体作了等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架， 由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过 3 个接入点传输到接地网。在 LPZ0 与 LPZ1、LPZ1 与 LPZ2 区的界面处应做等电位连接。比如风向标、风速仪、环境温度传感器在机舱 TOPBOX 内作等电位连接；
1 范围 本文件适用于东电新能源 1500kW 系列风力发则说明。 2 概述
风力发电机组都是安装在野外广阔的平原地区，风力发电设备高达几十米甚至上百米，导致其极 易被雷击并直接成为雷电的接闪物。由于风机内部结构非常紧凑，无论叶片、机舱还是尾翼受到雷击， 机舱内的电控系统等设备都可能受到机舱的高电位反击。在电源和控制回路沿塔架引下的途中，也可 能受到高电位反击。实际上，对于处于旷野之中高耸物体，无论怎么样防护，都不可能完全避免雷击。 因此，对于风力发电机组的防雷来说，应该把重点放在遭受雷击时如何迅速将雷电流引入大地，尽可 能地减少由雷电导入设备的电流，最大限度地保障设备和人员的安全，使损失降低到最小的程度。东 电新能源1500kW系列机组的防雷系统就是遵循这一原则而设计的，从叶尖到风机基础，各部分均采用 了严密的防雷击保护措施，防雷按照IEC61024标准所规定的I级保护等级要求，参照执行IEC 61400-24、 DIN VDE 0127、GB50057-1994等标准。
图 2 叶尖防雷接地系统示意图 3.3.3 雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接 闪器可以经受多次雷电的袭击，受损后也可以更换。如图 3 的 A 点所示。 3.3.4 雷电传导部分在叶片内部将雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主 轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。
图 3 叶尖雷电接闪器示意图
-2-
3.4 机舱部分防雷接地
3.4.1 在机舱顶部装有一个避雷针，避雷针用作保护风速计和风标免受雷击，在遭受雷击的情况下将 雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统的传导。见图 4 的 A 处。 3.4.2 机舱上层平台为钢结构件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。见 图 4 的 B 处。
3 防雷接地系统设计说明
3.1 防雷系统设计的基本方法
东电新能源 1500kW 系列机组的防雷系统，根据相应的标准并充分考虑雷电的特点，将风力发电系
统的内外部分成多个电磁兼容性防雷保护区。其中，在叶片、机舱、塔身和主控室内外可以分为 LPZ0、
LPZ1 和 LPZ2 三个区，如图 1 所示。针对不同防雷区域采取有效的防护手段，主要包括雷电接受和传
-3-
避雷针、机舱 TOPBOX、发电机开关柜等在机舱平台的接地汇流排上作等电位连接；主空开进线电缆 接地线与控制柜、变压器、电抗器在塔底接地汇流排上作等电位连接。 3.7 电控系统防雷 3.7.1 主配电采用的是 TN-C 式供电系统，即系统的 N 线和 PE 线合为一根 PEN 线。根据以上对不同电 磁兼容性防雷保护区的划分和应用 SPD 的原理，在塔底的 620V 电网进线侧和变压器输出 400V 侧安装 B 级 SPD 以防护直接雷击，将残压降低到 2.5kV 水平，同时做好风机的接地系统。
-I-
前言
本文件用于对1500kW系列机组防雷接地系统的设计说明。 本文件由东电新能源科技股份有限公司提出并归口。 本文件起草单位：东电新能源科技股份有限公司技术部电控室。 本文件主要起草人： 本文件为首次发布。 本文件批准人：
- II -
东电新能源 1500kW 系列风力发电机组 防雷接地系统设计说明
图 4 电控系统 B 级防雷示意图 3.7.2 C 级防雷说明：在风向标风速仪信号输出端加装信号防雷模块防护，残余浪涌电流为 20kA （8/20μs）,响应时间小于等于 500ns。如图 5 所示。
图 5 电控系统 C 级防雷示意图 ——————————
-4-
东电新能源有限公司技术文件
1500kW 系列风力发电机组 防雷接地系统设计说明
版 本：A0 编 制： 校 对： 审 核： 标准化： 批 准： 日 期：
目次
前言 ................................................................................. II 1 范围 .............................................................................. 1 2 概述 .............................................................................. 1 3 防雷接地系统设计说明 .............................................................. 1 3.1 防雷系统设计的基本方法 ........................................................... 1 3.2 雷电接受和传导途径 ............................................................... 2 3.3 叶片部分防雷接地 ................................................................. 2 3.4 机舱部分防雷接地 ................................................................. 3 3.5 机组基础防雷接地 ................................................................. 3 3.6 过压保护和等电位连接 ............................................................. 3 3.7 电控系统防雷 ..................................................................... 4
导系统、过电压保护和等电位连接、电控系统防雷等措施，这些都充分考虑了雷电的特点而设计，实
践证明这一方法简单而
有效。
图 1 防雷保护区划分示意图
-1-
3.2 雷电接受和传导途径 3.2.1 雷电由在叶片表面接闪电极引导，由雷电引下线传到叶片根部，通过叶片根部传给叶片法兰， 通过叶片法兰和变桨轴承传到轮毂，通过轮毂法兰和主轴承传到主轴，通过主轴和基座传到偏航轴承， 通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。 3.3 叶片部分防雷接地 3.3.1 作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标；同时叶片又是风力发电机 组中最昂贵的部件之一，因此叶片的防雷保护至关重要。 3.3.2 雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨 胀，压力上升造成爆裂破坏。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体而导致叶片损害。研 究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的 形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。多数情况下被雷击的区域在叶尖 背面（或称吸力面）。根据以上研究结果，针对 1500kW 系列机组的叶片应用了专用防雷系统，此系统 由雷电接闪器和雷电传导部分组成，如图 2 所示。在叶尖装有接闪器捕捉雷电，再通过敷设在叶片内 腔连接到叶片根部的导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片。