如何保障防雷接地系统的可靠性？

1.防雷系统

以金风1.5MW系列机组的防雷系统为例，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7-4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7-4　防雷保护区划分示意图

2.雷电接受和传导途径

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，再通过轮毂法兰和主轴承传到主轴和底座传到偏航轴承，之后通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。

3.叶片部分防雷接地

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。

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1.5MW系列机组的叶片应用了专用防雷系统，即叶尖防雷接地系统，如图7-5所示，此系统由雷电接闪器和雷电传导部分组成。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。

雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，如图7-6中A点，接闪器可以经受多次雷击的袭击，受损后也可以更换。

雷电传导部分在叶片内部将雷电从接闪器通过引导线引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7-5　叶尖防雷接地系统示意图(www.xing528.com)

图7-6　叶尖雷电接闪器示意图

4.机舱部分防雷接地

（1）在机舱顶部装有一个避雷针，避雷针用作保护风速仪和风向标免受雷击，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传导。

（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，接地线应尽可能短直。

5.机组基础防雷接地

机组基础的接地设计符合GB50057—2010《建筑物防雷设计规范（附条文说明）》的规定，采用环形接地体，包围面积的平均半径不小于10m，单台机组的接地电阻不大于4Ω，使雷电迅速流散入大地而不产生危险的过电压。

6.过压保护和等电位连接

（1）金风1.5MW风力发电机组防雷系统中所采取的过压保护和等电位连接措施符合IEC61400和GB50057—2010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。

（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、通信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；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；主控开关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。

7.电控系统防雷

（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，同时做好风力发电机组的接地系统。

（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），响应时间不大于500ns。