单体机组风力发电机系统防雷技术方案

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南京宁翔防雷

绪论

■我国幅员辽阔风能资源丰富，随着风电技术水平的不断提高，单机容量大型化成为风力发电的趋势，中国风电装容量也呈现加速增长势头，随着单机容量的增加，为了获取更多的能量风力发电机的塔架也建造的越来越高，因此风力发电机遭受雷击的几率也比过去增加了许多，所以风机的防雷保护技术也日益引起足够的重视，大力发展防雷保护技术以使风力机在遭受雷击时使受损的可能性减为最小。

■由于风机处于一个暴露的位置，它遭受雷击的概率很高。风机内部集成了大量的电气，电子设备（开关柜，马达，驱动装置，变频器，传感器）以及相应的总线系统等。这些设备集中在一个狭小的区域里，电涌都会给风机机组带来严重的损坏。保障这些电气装置的正常工作是非常重要的，雷电流耦合或开关操作引起的过电压在这些装置上都会导致严重损坏，引起整个风机的停机。因此，风机的雷电和过电压保护非常重要。由雷击导致的风力发电机组损坏的主要有：变频器，过程控制计算机，转速表传感器，测风装置。

■接地泄流装置是防雷保护装置中的重中之重，是防雷设施安全措施的必要环节，是雷电流释放的首要通道，同时是整体防雷体系的安全保障。

第一章：风力发电机系统雷电隐患概述

1、风力发电机组防雷所处环境的恶劣

1.1风力发电机组的整体防雷系统不同于智能建筑物，它具有一定的特殊性，风机分散安置在旷野、山顶或沿海区域，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达60～100 m，遭受雷击概率高，风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件），因此，其防雷环境远比智能建筑物防雷系统技术要求更严谨、防雷条件更难。

2、风力发电机组直击雷防护装置和接地泄流系统踏勘隐患分析说明

2.1经现场对《符离集清水风电场和官山白土风电场》外部防雷（直击雷）装置技术踏勘，塔筒直击雷防护装置采用的是塔筒本身筒体壁厚作为直击雷的防护接闪体，筒体为封闭式立柱（壁厚符合GB50057-2010第5.2.8条相关技术参数要求）起到了对塔筒内的电源装置和风力发电机组设备的屏蔽保护作用，有效地防止直击雷（或侧击雷）的侵害。

2.2经现场对电源输送架设塔（传输线）直击雷防护装置的技术踏勘，架设塔传输线缆顶端架设了专用的避雷线作为电源输送架设塔（传输线）直击雷防护装置的直击雷的接闪保护措施，技术措施符合《风力发电系统的防雷保护》 IEC TR 61400-24-2002和GB50057-2010第4.3.1条要求。

2.3经现场对输变电设施直击雷防护装置的技术踏勘，现场采用的接闪器（避雷针）在原有的立杆顶端安装的接闪针作为其直击雷的防护措施，经目测计算，接闪高度符合有效的保护半径，达到对输变电设施的直击雷的保护措施。

1.1.4经现场对直击雷防护装置专用引下线（表面层）技术踏勘，单体直击雷防护装置（接闪器）引下线（引下线数量）不满足GB50057-2010第4.2.2.3条和第4.3.3条要求之专设引下线不应少于2根（现场目测单体引下连接线为1根），尤为塔筒体直击雷接闪引下线目测数量少于2根（依据塔筒体内的电气器件防雷等级和经济价值应定为第二类防雷类别），根据塔筒体周长计算依据规范确定其引下泄流线不得少于2根以上（至少2根），引下线的数量直接关系到泄流的效果和防雷的重要性与安全性。

2.4风力发电机组接地置散流接地装置体接地阻抗设计值要求为≤4Ω，经现场分别对《符离集清水风电场和官山白土风电场》风力发电机组各相关地电阻进行了现场测试，得出的数据均大于规范之要求和现场使用条件，现场采用VITOR4105A（符合国家现行规范DL/T475-2006之规定测试频率40～60Hz）接地电阻测试仪测试部分数据（▲塔筒区域现场接地装置阻抗值测试综合值为：22.6Ω▲电源输送架设四角塔现场接地装置阻抗值测试综合值为：7.2Ω▲输变电设施区域现场接地装置阻抗值测试综合值为：5.8Ω）综合表明，风力发电机组的泄流装置措施不符合设计之要求和现场使用条件，在气象条件下风力机组的金属体接闪的雷电流无法正常通过接地体通道泄放雷电流而损坏风力机组设备造成重大经济损失和人员伤亡。

2.5经现场与甲方工作人员交流，在现场踏勘前几天（2015-11-12）当地天气降雨量大概在20-30mm之间（相对的湿度对现场测试的阻抗值有一定的降阻值作用但不能达到设计值之要求和符合设备安全使用条件）。

2.6经现场对《符离集清水风电场和官山白土风电场》各区域地电阻测试的阻值均不符合（或高于设计值要求）设计值要求和国家现行相关防雷规范的技术要求，接地装置阻抗值越高其隐患就越大，在气象条件下遭受雷击或过电压时,由于接地电阻过大达不到（或不符合现场实际使用条件）设计规定值,雷电流就不能迅速泄入大地,造成区域内的发电机组设备自身泄流感抗残压值过高,或在接地电阻上产生很高的电压降引起发电机组电子设备（尤其是微电子控制器件）烧毁事故，同时，地电阻值越高也会抬高附近地电位态势瞬间值升高造成跨步电压和接触电压而伤及现场工作人员的人身安全。

2.7塔筒接地装置的位置布设不合理，依据GB50057-2010第4.6节124页概述：为了将雷电流散入大地而不会产生高危的过电压，接地装置的布置和尺寸比接地装置的特定值更重要，塔筒区域的接地装置（或等电位连接）尤为重要（塔筒内布设了风力发电机组的核心设备）。

2.8经现场对《符离集清水风电场和官山白土风电场》各区域接地装置（尤为引下泄流连接线）施工工艺技术要求和抗机械损伤踏勘均不符合GB50343-2012第6.3.4条和6.3.5条要求。

2.9经现场对《符离集清水风电场和官山白土风电场》各区域接地装置引下连接线技术（表面层）踏勘，其引下泄流通道数量均不符合GB50343-2012第6.3.1条要求。

2.10经现场对引下泄流线（表面层）踏勘，其引下连接装置施工工艺均未布设断接测试板，不符合GB50057-2010第5.3.6和5.3.7条要求。

2.11经踏勘，现场接地装置的施工工艺主要节点不符合D501-1～4建筑物防雷设施安装规范之要求。

■接地装置的地电阻值是整个接地置散流体的核心技术条件之一，也是整个防雷装置系统的重中之重，防雷装置在防雷系统中的作用取决于接地装置的布设和地电阻值。

3、风力发电机组设备等电位（均压防反击）连接防护措施踏勘隐患分析说明

3.1经现场对《符离集清水风电场和官山白土风电场》接地（风力发电机组各单项设备泄流体）装置电气短接测试与踏勘和塔筒区域接地装置阻抗值测试综合值（▲塔筒区域接地装置阻抗值：33.1Ω▲电源输送架设塔接地装置阻抗值：11.5Ω▲输变电设施区域接地装置阻抗值：7.7Ω不是均压Ω值、而且阻抗压差大）综合表明该区域接地装置为各自的单独接地置散泄流体（塔筒区域内电源装置变频柜、电源柜及外部露天金属设施等）未有等电位（均压防反击）联接保护措施，在气象条件下（或静电状态下产生的过电压）易造成风力发电机组电子设备（尤其是微电子控制器件）金属器件间产生的后续漏电流形成反击和电磁波伤及人员安全和电磁脉冲的二次放电（电气元器件负荷的接触瞬间过电压）产生火花而发生火灾烧毁（或击坏）发电机组的核心设备变频柜（或微电子金属器件）。

4、风力发电机组电源系统电磁脉冲保护装置踏勘隐患分析说明

4.1经现场对《符离集清水风电场和官山白土风电场》塔筒区域内电源装置（变频柜、电源柜等）综合踏勘，在负荷装置端均并联安装了对应参数的浪涌，技术布置上符合现行的国家防雷规范GB50057-2010建筑物防雷设计规范和GB50343-2012建筑物电子信息系统的防雷设计规范设置电磁脉冲防护等级的条件，踏勘中发现浪涌安装的位置、引下泄流连接线不符合GB50343-2012第6.5.1条要求，在气象条件下产生的雷电流在过长的接地泄流线上产生过电压和高电流、高阻抗影响泄流效果使冗余过电流无法迅速释放在瞬间产生热效应而烧毁与之关联的微电子器件。

4.2塔筒区域内电源装置（电源器件、现有防雷装置敷设）的搭接头工艺未有良好的灭弧装置措施，电气装置在静电状态下产生的过电压造成电气装置的短路现象而引起电弧发生热效应引起火灾隐患。

第二章：风力发电机系统雷电防护装置技术完善措施设计方案内容

1、风力发电机组系统雷电防护装置技术设计理念

1.1风力发电机组系统的防雷是一个系统工程，它包括直击雷的防护、感应雷的防护、等电位连接措施、屏蔽措施、规范的综合布线、安装电涌保护器（SPD）、完善合理的接地系统六个部分组成。在一个完善的防雷系统工程中缺一不可。

1.2风力发电机组系统的防雷设计应进行全面规划、综合治理、多重保护，将外部防雷措施和内部防雷措施整体统一考虑，做到安全可靠、技术先进、经济合理、施工维护方便。

1.3根据《符离集清水风电场和官山白土风电场》现场踏勘的综合情况及甲方工作人员对《符离集清水风电场和官山白土风电场》整体的风力发电机组的防雷现状隐患叙述，按照现行国家防雷规范相关技术措施要求和防雷减灾的经济角度出发建议完善《符离集清水风电场和官山白土风电场》原有的防雷装置整改措施使之符合设计要求和使用条件，使防雷装置真正起到防雷减灾的作用，在气象条件下保障风力发电机组设备正常的运行。

2、风力发电机组系统雷电防护装置技术整改主要规范依据

2.1《风力发电系统的防雷保护》 IEC TR 61400-24，2002

2.2《建筑物防雷设计规范》 GB 50057-2010

2.3《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012

2.4《雷电电磁脉冲的防护》 IEC 1312-1，2，3

2.5建筑物防雷设施安装规范D501-1～4

2.6建筑电气工程施工质量验收规范GB50303—2002

2.7《低压供电系统中的过电压保护器》 IEC 61643，1998

2.8《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》 GA 267-2000

2.9《电子计算机房设计规范》 GB 50174-2008

2.10《建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范》 CECS 72-97

2.11《雷电电磁脉冲的防护》 IEC1312

3、风力发电机系统雷电防护装置技术整改设计方案整改对象与主要内容

3.1风力发电机组系统雷电防护装置整改对象

◆《符离集清水风电场和官山白土风电场》各单体风力发电机组

3.2风力发电机组系统雷电防护装置整改措施主要内容

◆完善的外部防直击雷系统

◆合理配置过电压保护装置（SPD保护装置）

◆良好的接地装置（接地装置体地电阻值设计值≤4Ω）

◆等电位连接均压装置

◆防雷装置设施（器材）施工技术工艺质量保障措施

第三章：风力发电机系统雷电防护装置技术整改设计方案具体措施

1、风力发电机组系统外部防直击雷防护措施技术方案

1.1《符离集清水风电场和官山白土风电场》外部防雷（塔筒直击雷防护装置）现场采用的是塔筒本身筒体壁厚作为直击雷的防护接闪体，筒体为封闭式立柱（壁厚符合GB50057-2010第5.2.8条相关技术参数要求）起到了对塔筒内的电源装置和风力发电机组设备的屏蔽保护作用，有效地防止直击雷（或侧击雷）的侵害。

1.2《符离集清水风电场和官山白土风电场》电源输送架设塔（传输线）直击雷防护装置现场采用架设塔传输线缆顶端架设了专用的避雷线作为电源输送架设塔（传输线）直击雷防护装置的直击雷的接闪保护措施，技术措施符合《风力发电系统的防雷保护》 IEC TR 61400-24-2002和GB50057-2010第4.3.1条要求。

1.3《符离集清水风电场和官山白土风电场》输变电设施直击雷防护装置现场采用的接闪器（避雷针）在原有的立杆顶端安装的接闪针作为其直击雷的防护措施，接闪高度符合有效的保护半径，达到对输变电设施的直击雷的保护措施。

■综合现场外部原有的（塔筒直击雷防护装置、电源输送架设塔（传输线）直击雷防护装置、输变电设施直击雷防护装置）防雷设施依据现行的防雷规范技术要求和现场环境符合在气象条件下风力发电机组的常规运行，本案不作风力发电机系统的外部防雷技术措施的设计与防雷工程工艺的整改。

2、风力发电机组系统过电压（SPD）保护装置技术方案

2.1《符离集清水风电场和官山白土风电场》现场塔筒区域内电源装置（变频柜、电源柜等）在负荷装置端均并联安装了对应参数的浪涌，技术布置上符合现行的国家防雷规范GB50057-2010建筑物防雷设计规范和GB50343-2012建筑物电子信息系统的防雷设计规范设置电磁脉冲防护等级的条件。

■综合现场风力发电机组系统原有的过电压（SPD）保护装置依据现行的防雷规范技术要求和现场环境符合在气象条件下风力发电机组的常规运行，本案不作风力发电机系统的过电压（SPD）保护装置技术参数的设计与整改。

3、风力发电机组系统接地装置整改措施技术方案

3.1依据GB50057-2010第4.4.5条要求和《风力发电系统的防雷保护》 IEC TR 61400-24-2002防雷装置（接闪器、等电位均压环）的泄流接地置散体采用共用接地装置，根据本案的防护等级和综合条件本案防雷装置（接闪泄流系统、过电压SPD保护装置和等电位均压环）的泄流接地置散体的地电阻阻抗值设计值为≤4Ω。

3.2接地置散泄流体整改措施采用冗余式制作模式

3.2.1本案风力发电机系统均安装耸立在山体上（海拨约250-400m之间），土壤（土壤率平均值≥2000）环境复杂（山体石与土的比例为10:1），给原有的接地阻抗值（小于≤4Ω）带来了相当的难度，根据现场环境和风力发电机系统在气象条件下接闪的雷电流泄流的特定要求，良好的接地装置是保障风力发电机组不受雷电侵害的重要途径之一。

3.2.2根据现场复杂的土壤环境和恶劣条件，制作符合风力发电机系统泄流的接地置散泄流体，依靠原有的土壤制作接地泄流体（地电阻值≤4Ω）是不可能达到（或符合）设计值的要求，只有采用换土的模式和采用离子接地棒、高导模块、降阻剂和地笼式来制作（冗余式）接地置散泄流体，使冗余式接地置散泄流体达到风力发电机系统对泄流体≤4Ω的技术要求。

3.2.3依据GB50057-2010第4.6节124页概述：为了将雷电流散入大地而不会产生高危的过电压，接地装置的布置和尺寸比接地装置的特定值更重要，在人员必经路过区域并作防跨步电压和接触电压装置设置（跨步电压防护装置措施制作方法参照GB50057-2010第4.5.6.2.2条实施）。

3.2.4接触电压和跨步电压分布曲线图（略图）

3.2.5为了风电机组系统单体的各金属体接闪的闪电电涌快速安全的泄放，接地泄流装置与接闪金属体可靠地连接有效地防止接触电压的产生，并在接闪金属体的醒目位置制作一组安全警示牌，其主要警示内容：《在气象条件下切勿靠近接闪装置，防止接触电压的产生伤及人员安全》，条件允许下制作安全防护栏有效地防护接触电压的产生。

3.2.6综合考虑风力发电机系统单体机组在气象条件下的工作环境和条件及安全的重要性，本案设计风力发电机系统单体机组的泄流地电阻为≤4Ω的主要目的是防止接触电压和防跨步电压的产生（接地电阻值越小则接触电压和防跨步电压产生率就越低）及泄流体通道的畅通有效保障风力发电机系统的安全运行。

■具体的冗余式接地置散泄流体制作方式和制作设计图详见施工组织技术方案，技术设计方案不作具体标注只作文字略计说明。

4、风力发电机组系统等电位连接均压装置整改措施技术方案

4.1依据GB50057-2010第6.3.1条要求和GB50343-2012第6.4条及《风力发电系统的防雷保护》 IEC TR 61400-24-2002防雷装置、《雷电电磁脉冲的防护》 IEC 1312-1，2，3要求实施本案风力发电机系统单体机组（塔筒、电源输送架设塔、输变电设施）内的金属器件（电气设备）的等电位连接，有效地防止相互间产生的过电压（过电流）形成反击造成安全生产的隐患。

4.2等电位均压环装置采用S型等电位连接方式作为单点连接的等电位接地基准点，水平连接装置采用扁铁60*6热镀锌（或≥BVR95mm）制作。

4.3依据GB50343-2012第6.3.1条要求本案等电位均压环装置泄流引下连接装置与接地装置体之间连接引下水平连接带本案泄流点为2组，材料采用扁铁40*4热镀锌制作，其连接点采用焊接方式型式搭接，其施工工艺和抗机械损伤参照GB50343-2012第6.3.4条和6.3.5条实施。

4.4依据GB50343-2012第6.4.4条要求等电位连接网格的连接本案采用焊接方式型式搭接，金属器件（电气设备）与等电位均压环装置采用螺栓连接，其连接线采用屏蔽金属导线黄色相间BVR50mm制作。

4.5依据GB50057-2010第4.5节124页概述：共用接地网或带的作用就是降低地电阻值和均衡互相间的单体地电阻值，防雷泄流得到的改善越多。由此可见，风力发电机系统内防雷装置引下泄流设施采用共用接地网络的泄流模式，是保障防雷装置在防雷电闪击泄流中的重要性和防雷泄流的可靠性，共用接地网络（等电位链接）的泄流作用在整体防雷系统中显得尤为重要。

4.6风力发电机系统单体机组内的金属设施等电位连接装置必须实施年检巡查制度，测试均压等电装置的有效电气通路和工艺节点防腐蚀维保，保障等电位均压装置在正常的运行中有效地保护风力发电机系统单体机组内的设备安全运转。

■具体的风力发电机系统单体机组内的金属设施等电位连接装置制作方式和制作设计图详见施工组织技术方案，技术设计方案不作具体标注只作文字略计说明。

5、风力发电机组系统防雷设施（器材）施工工艺质量整改措施技术方案

5.1根据GB50343-2012第6.2.4条要求和GB50303—2002第24.2.1条要求，接地装置顶面埋设深度不应小于 0.5m。圆钢、角钢及钢管接地极应垂直埋入地下，间距不应小于 5m。接地装置的焊接应采用搭接焊，搭接长度应符合下列规定：

1） 扁钢与扁钢搭接为扁钢宽度的 2 倍，不少于三面施焊；

2） 圆钢与圆钢搭接为圆钢直径的 6 倍，双面施焊；

3） 圆钢与扁钢搭接为圆钢直径的 6 倍，双面施焊；

4）扁钢与钢管，扁钢与角钢焊接，紧贴角钢外侧两面，或紧贴 3/4 钢管表面，

上下两侧施焊；

5）除埋设在混凝土中的焊接接头外，有防腐措施。

5.2根据GB50343-2012第6.4条要求建筑物等电位联结干线应从与接地装置有不少于 2 处直接连接的接地干线或总等电位箱引出，等电位联结干线或局部等电位箱间的连接线形成环形网路，环形网路应就近与等电位联结干线或局部等电位箱连接。支线间不应串联连接。

5.3根据GB50343-2012第6.3条要求，接地装置应在不同的位置至少引出两根连接导体与室内等电位连接装置汇流排可靠连接，接地引出线与接地装置连接处应焊接或热熔焊，连接点应有防腐措施。

5.4接地装置泄流体施工流程

施工人员确定→接地装置技术设计参数→施工计划→材料确定→现场材料分类→安装位置确定→确定安装材料型号→主材与辅材型号配比→接地装置地沟开挖→垂直接地极预埋→水平连接带焊接→与引下线装置连接（断接卡）→接地装置水平连接带沥青防腐（绝缘）处理→Ω值测试→回填土→安装自检→正常复位→安装记录

5.5等电位链接施工流程

施工人员确定→安装计划→材料确定→现场材料分类→安装位置确定→确定安装材料型号→主材与辅材型号配比→均压环平面间距定位→绝缘子固定→汇流排固定间距打孔→汇流排与绝缘子固定连接→主汇流排与分汇流排搭接与连接→主汇流排与接地装置引下线装置可靠连接→汇流排与等电位实施（设备）PE点连接→安装自检→正常复位→安装记录

■具体的风力发电机系统单体机组内的防雷设施（器材）施工工艺质量整改措施制作方式和制作设计图详见施工组织技术方案，技术设计方案不作具体标注只作文字略计说明。

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