风力发电机系统的雷电和电涌保护

随着人们对全球变暖的认识和对我们化石燃料的限制的日益增长，寻找更好的可再生能源的需求变得日益明显。 风能的使用是一个快速发展的行业。 这种装置通常位于开阔的高空地形上，因此具有吸引人的雷电捕获点。 如果要保持可靠的供电，重要的是减轻过电压损坏的根源。 LSP提供了适用于直流和局部雷电流的各种电涌保护设备。

风力发电机系统的雷电和电涌保护

LSP 拥有适用于风力涡轮机应用的全套电涌保护产品。 从LSP到各种DIN导轨安装的保护产品以及电涌和雷电监控产品。 随着我们进入历史的时代，向绿色能源和技术的推动不断导致建立更多的风电场，并扩大当前的风电场，涡轮机制造商和风电场所有者/运营商都越来越意识到与之相关的成本雷击。 发生雷击时，操作员所遭受的金钱损失有两种形式，一种是由于物理损坏而导致更换机器的相关费用，另一种是系统处于脱机状态且不发电。 涡轮电气系统面临周围环境的持续挑战，其中风力涡轮机通常是装置中最高的结构。 由于他们将要遭受的恶劣天气，再加上对涡轮机在其整个使用寿命中遭受多次雷击的期望，因此任何风电场运营商的业务计划中都必须考虑设备更换和维修的成本。 雷击的直接和间接破坏是由产生瞬态过电压的强电磁场造成的。 这些过电压然后通过电气系统直接传递到涡轮自身内的敏感设备。 浪涌在系统中传播，对电路和计算机设备造成直接和潜在的损害。 发电机，变压器和功率转换器以及控制电子设备，通信和SCADA系统等组件可能会因照明浪涌而损坏。 直接和直接的损坏可能很明显，但是由于多次撞击或反复遭受电涌而导致的潜在损坏可能会影响到受影响的风力涡轮机内的关键功率组件，很多时候，这种损坏不在制造商的保修范围内，因此，维修和更换费用由运营商承担。

离线成本是与风电场相关的任何业务计划中都必须考虑的另一个主要因素。 这些成本是在涡轮机被禁用且必须由服务团队进行维修或更换涉及采购，运输和安装成本的组件时发生的。 由于单次雷击而可能损失的收入可能是可观的，并且随着时间的推移而产生的潜在损害会增加该总数。 LSP的风力涡轮机防护产品即使在多次罢工之后也能够承受多次雷电冲击而不会发生故障，从而显着降低了相关成本。

风力涡轮机电涌保护系统的外壳

气候条件的不断变化以及对化石燃料的日益依赖，引起了人们对全球可持续，可再生能源的极大兴趣。 风能是绿色能源中最有前途的技术之一，除高昂的启动成本外，风能是世界上许多国家的选择。 例如，在葡萄牙，从2006年到2010年的风能发电目标是将风能发电总量提高到25％，这一目标在后来的几年中实现了甚至超过了。 虽然积极的政府计划推动风能和太阳能生产已大大扩展了风能产业，但随着风轮机数量的增加，风轮机被雷击的可能性也随之增加。 对风力涡轮机的直接打击已被认为是一个严重的问题，并且存在独特的问题，使风能中的雷电防护比其他行业更具挑战性。

风力涡轮机的结构非常独特，这些高大的金属结构极易受到雷击的损坏。 使用传统的电涌保护技术也很难保护它们，传统的电涌保护技术主要是在单次电涌后牺牲自己。 风力涡轮机可以升起超过150米的高度，通常位于偏远地区的高地上，这些地区暴露在包括雷击在内的因素下。 风力涡轮机最暴露的组件是叶片和机舱，它们通常由复合材料制成，无法承受直接的雷击。 典型的直接冲击通常发生在叶片上，从而导致电涌全部通过风车内的涡轮机部件，并可能传播至农场的所有电气连接区域。 通常用于风电场的区域接地条件差，现代风电场的处理电子设备非常敏感。 所有这些问题使得保护风力涡轮机免受与雷击有关的损害变得最为困难。

在风力涡轮机结构本身中，电子设备和轴承非常容易遭受雷击损坏。 由于更换这些部件的困难，与风力涡轮机相关的维护成本很高。 在大多数参与风力发电的董事会和政府机构中，带来了可以改善统计平均值以进行必要组件更换的技术，这是引起广泛讨论的根源。 电涌保护产品线的坚固特性在电涌保护技术中是独一无二的，因为它即使在被激活时仍可继续保护设备，并且在雷电浪涌后无需更换或重置。 这使风力发电机可以保持更长的在线时间。 离线状态统计平均值和涡轮机停机维护时间的任何改进最终都会给消费者带来更多成本。

防止损坏低压和控制电路至关重要，因为研究表明，超过50％的风力涡轮机故障是由此类组件的故障引起的。 常见的是，有记录的设备故障是由于直接雷击和感应雷击以及雷击后立即传播的回流浪涌引起的。 安装在系统电网侧的避雷器与低压侧一起接地，以减小接地电阻，从而提高整个链条承受单个风力涡轮机撞击的能力。

风力发电机的雷电和电涌保护

本文介绍了风力涡轮机中电气和电子设备及系统的雷电和电涌保护措施的实施方式。

风力涡轮机由于其巨大的暴露表面和高度而极易受到直接雷击的影响。 由于雷击风轮机的风险随高度的增加呈二次方增加，因此可以估计，大约每十二个月一次直接雷击会击中数兆瓦的风轮机。

馈电补偿必须在几年内分摊高昂的投资成本，这意味着必须避免因雷电和电涌损坏以及相关的维修费用而导致的停机时间。 这就是为什么必须采取全面的防雷和电涌保护措施的原因。

在规划风力涡轮机的避雷系统时，对于暴露位置高度超过60 m的物体，不仅要考虑云对地的闪光，还要考虑对地云的闪光，即所谓的向上引导。 。 为了保护转子叶片和选择合适的避雷器，必须特别考虑这些向上引出线的高电荷。

标准化-风力涡轮机系统的雷电和电涌保护
保护概念应基于国际标准IEC 61400-24，IEC 62305标准系列和Germanischer Lloyd船级社的指南。

保护措施
IEC 61400-24建议根据防雷等级（LPL）I选择风力涡轮机防雷系统的所有子组件，除非风险分析表明较低的LPL就足够了。 风险分析还可能显示不同的子组件具有不同的LPL。 IEC 61400-24建议防雷系统应基于全面的防雷概念。

风力涡轮机系统的雷电和电涌保护包括外部雷电保护系统（LPS）和电涌保护措施（SPM），以保护电气和电子设备。 为了计划保护措施，建议将风力涡轮机细分为防雷区（LPZ）。

风力涡轮机系统的雷电和电涌保护功能可保护两个只能在风力涡轮机中使用的子系统，即转子叶片和机械传动系。

IEC 61400-24详细描述了如何保护风力涡轮机的这些特殊部分以及如何证明防雷措施的有效性。

根据该标准，建议进行高压测试，以验证在普通放电中具有第一冲程和长冲程的相关系统的雷电耐受能力。

必须详细检查与保护转子叶片和可旋转安装的零件/轴承有关的复杂问题，并取决于组件制造商和类型。 IEC 61400-24标准在这方面提供了重要的信息。

防雷区概念
防雷区概念是一种用于在对象中创建定义的EMC环境的结构措施。 所定义的EMC环境由所用电气设备的抗扰性规定。 防雷区的概念可以将边界处的传导和辐射干扰降低到定义的值。 因此，将要保护的对象细分为保护区域。

滚球法可用于确定LPZ 0A（即可能遭受直接雷击的风力涡轮机的零件）和LPZ 0B（即受外部空气保护免受直接雷击的风力涡轮机的零件）。集成在风力涡轮机部件中的终端系统或空气终端系统（例如在转子叶片中）。

根据IEC 61400-24，不得对转子叶片本身使用滚球法。 因此，应根据IEC 8.2.3-61400标准的24章测试空气终端系统的设计。

图1显示了滚动球法的典型应用，而图2显示了将风力涡轮机划分为不同的雷电保护区域的可能。 划分为防雷区取决于风力涡轮机的设计。 因此，应观察风力涡轮机的结构。

然而，决定性的是，通过在所有区域边界处采取适当的屏蔽措施和电涌保护设备，可以减少从风力涡轮机外部注入到LPZ 0A中的雷电参数，从而可以操作风力涡轮机内部的电气和电子设备及系统安全地。

屏蔽措施
外壳应设计为密封的金属屏蔽层。 这意味着在壳体中实现了具有比风力涡轮机外部的磁场低得多的电磁场的体积。

根据IEC 61400-24，主要用于大型风力涡轮机的管状钢塔可以认为是近乎完美的法拉第笼，最适合电磁屏蔽。 机壳或“机舱”中以及操作大楼中的开关柜和控制柜（如果有的话）也应由金属制成。 连接电缆应具有能够承受雷电流的外部屏蔽。

仅当屏蔽层的两端均等电位连接时，屏蔽电缆才能抵抗EMC干扰。 屏蔽层必须通过完全（360°）接触端子进行接触，而无需在风力涡轮机上安装不兼容EMC的长连接电缆。

电磁屏蔽和电缆布线应按照IEC 4-62305的第4节进行。 因此，应使用符合IEC / TR 61000-5-2的EMC兼容安装规范的一般准则。

屏蔽措施包括：

• 在GRP涂层的机舱上安装金属编织层。
• 金属塔。
• 金属开关柜。
• 金属控制柜。
• 带雷电流的屏蔽连接电缆（金属电缆导管，屏蔽管等）。
• 电缆屏蔽层。

外部防雷措施
外部LPS的功能是拦截包括雷击在内的直接雷击到风力发电机塔架中，并将雷电流从雷击点释放到地面。 它还用于在地面上分配雷电流，而不会造成热或机械损坏或危险的火花，这些火花可能会引起火灾或爆炸，并危及人员生命。

风力涡轮机（除转子叶片之外）的潜在冲击点可以通过图1所示的滚动球法确定。对于风力涡轮机，建议使用LPS I级。半径r = 20 m在风力涡轮机上滚动以确定撞击点。 在球体接触风力涡轮机的地方需要空气终止系统。

机舱/机壳结构应集成在防雷系统中，以确保机舱中的雷击会击中能够承受此载荷的天然金属零件或为此目的而设计的空气终端系统。 带有GRP涂层的机舱应装有空气终端系统和引下线，在机舱周围形成笼状结构。

该笼子中的空气裸露系统（包括裸露的导体）应能够根据所选的雷电防护等级承受雷击。 法拉第笼中的其他导体的设计方式应使其承受承受的雷电电流份额。 根据IEC 61400-24，用于保护安装在机舱外部的测量设备的空气终端系统的设计应符合IEC 62305-3的一般要求，并且引下线应连接到上述笼中。

LPS中可以集成由导电材料制成的“自然组件”，这些组件永久安装在风力涡轮机内/风力涡轮机上，并且保持不变（例如，转子叶片，轴承，主机，混合动力塔等的防雷系统）。 如果风力涡轮机是金属结构的，则可以假定它们满足根据IEC 62305的LPS I类外部雷电防护系统的要求。

这就要求雷电击必须被转子叶片的LPS安全拦截，以便雷电可以通过自然的零件，例如轴承，主机，塔架和/或旁路系统（例如敞开的火花隙，碳刷）。

空气终端系统/引下线
如图1所示。 机舱，包括上层建筑； 风力发电机的转子轮毂和塔架可能被雷击。
如果它们可以安全地拦截200 kA的最大雷电冲击电流并将其放电到接地系统，则它们可以用作风力发电机组外部雷电保护系统的空气终端系统的“自然组件”。

代表雷击的定义打击点的金属接收器通常沿着GRP叶片安装，以保护转子叶片免受雷击损坏。 引下线从接收器路由到叶片根部。 在发生雷击的情况下，可以假定雷击击中了叶片尖端（接收器），然后通过叶片内部的引下线通过机舱和塔架排到了接地系统。

接地系统
风力涡轮机的接地系统必须执行多种功能，例如人身保护，EMC保护和防雷保护。

有效的接地系统（见图3）对于分配雷电流和防止风力涡轮机损坏至关重要。 此外，接地系统必须保护人类和动物免受电击。 万一发生雷击，接地系统必须向地面释放高雷电流，并将其分配到地面，而不会产生危险的热和/或电动效应。

通常，重要的是建立用于风力涡轮机的接地系统，该接地系统用于保护风力涡轮机免受雷击并使电源系统接地。

注意：高压电气法规，例如Cenelec HO 637 S1或适用的国家标准，规定了如何设计接地系统，以防止由于高压或中压系统中的短路引起的高接触电压和阶跃电压。 关于人员保护，IEC 61400-24标准引用了IEC // TS 60479-1和IEC 60479-4。

接地电极的布置

IEC 62305-3描述了用于风力涡轮机的两种基本类型的接地极布置：

类型A：根据IEC 61400-24的附件I，此布置不得用于风力涡轮机，但可以用于附件（例如，包含测量设备的建筑物或与风电场相关的办公室棚屋）。 A型接地电极装置由水平或垂直接地电极组成，该接地电极通过建筑物上的至少两个引下线连接。

B型：根据IEC 61400-24的附件I，此布置必须用于风力涡轮机。 它由安装在地面上的外部环形接地电极或基础接地电极组成。 环形接地电极和基础中的金属零件必须连接到塔架结构。

塔架基础的加固应集成在风力涡轮机的接地概念中。 塔架基座和操作大楼的接地系统应通过接地电极的网状网络连接，以获得尽可能大面积的接地系统。 为防止雷击产生过多的阶跃电压，必须在塔架基座周围安装电位控制和耐腐蚀的环形接地电极（由不锈钢制成），以确保对人员的保护（见图3）。

基础接地电极

基础接地电极具有技术和经济意义，例如，在供电公司的德国技术连接条件（TAB）中是必需的。 基础接地电极是电气安装的一部分，并具有基本的安全功能。 因此，必须由电气技术人员或在电气技术人员的监督下安装它们。

用于接地电极的金属必须符合IEC 7-62305表3中列出的材料。 必须始终注意金属在地下的腐蚀行为。 基础接地电极必须由镀锌或非镀锌钢（圆钢或带钢）制成。 圆钢的最小直径必须为10毫米。 带钢的最小尺寸必须为30 x 3,5 mm。 请注意，该材料必须至少覆盖5厘米的混凝土（防腐蚀）。 基础接地电极必须与风力涡轮机中的主等电位连接杆连接。 必须通过不锈钢制接线片的固定接地点建立耐腐蚀连接。 此外，必须在地面上安装由不锈钢制成的环形接地电极。

从LPZ 0A过渡到LPZ 1时的保护

为了确保电气和电子设备的安全运行，必须对LPZ的边界进行屏蔽以防辐射干扰，并保护其免受传导干扰（见图2和4）。 在从LPZ 0A到LPZ 1的过渡处，必须安装能够释放高雷电电流而不会造成破坏的电涌保护器（也称为“雷电等电位连接”）。 这些电涌保护器被称为I类避雷器，并通过10/350μs波形的冲击电流进行了测试。 在从LPZ 0B到LPZ 1和LPZ 1及更高的过渡时，仅必须应对由系统外部感应的电压或系统中产生的电涌引起的低能量脉冲电流。 这些电涌保护器被称为II类电涌放电器，并通过8/20μs波形的脉冲电流进行了测试。

根据防雷区概念，所有进入的电缆和线路必须毫无例外地通过LPZ 0A至LPZ 1或LPZ 0A至LPZ 2边界处的I类雷电避雷器集成到雷电等电位连接中。

必须为要保护的体积内的每个其他区域边界安装另一个局部等电位联结，其中必须集成进入该边界的所有电缆和线路。

在从LPZ 2B到LPZ 0以及从LPZ 1到LPZ 1的过渡处必须安装2型电涌放电器，而在从LPZ 2到LPZ 3的过渡处必须安装III类电涌放电器。II类和III类的功能电涌放电器是为了减少上游保护级的残余干扰，并限制风力涡轮机内感应或产生的电涌。

根据电压保护等级（Up）和设备抗扰度选择SPD

为了描述LPZ中的Up，必须定义LPZ中设备的抗扰度级别，例如，根据IEC 61000-4-5和IEC 60664-1的电源线和设备连接； 根据IEC 61000-4-5，ITU-T K.20和ITU-T K.21的规定用于电信线路和设备连接，以及根据制造商的说明用于设备的其他线路和连接。

电气和电子组件制造商应能够根据EMC标准提供所需的抗扰度信息。 否则，风力涡轮机制造商应进行测试以确定抗扰度等级。 LPZ中定义的组件抗扰度级别直接定义了LPZ边界所需的电压保护级别。 在适用的情况下，必须证明所有安装的SPD以及要保护的设备均具有系统的抗扰性。

电源保护

风力涡轮机的变压器可以安装在不同的位置（在单独的配电站，塔架底座，塔架，机舱中）。 例如，对于大型风力涡轮机，塔架基座中未屏蔽的20 kV电缆被连接到中压开关设备，该设备包括真空断路器，机械锁定的选择器隔离开关，接地开关和保护继电器。

MV电缆从风力涡轮机塔架中的MV开关设备安装布线到位于机舱中的变压器。 变压器通过TN-C系统（L1; L2; L3; PEN导体; 3PhY; 3 W + G）为塔式基座中的控制柜，机舱中的开关柜和轮毂中的变桨系统供电。 机舱中的开关柜向电气设备提供230/400 V的交流电压。

根据IEC 60364-4-44，安装在风力涡轮机中的所有电气设备必须根据风力涡轮机的标称电压具有特定的额定冲击耐受电压。 这意味着根据系统的标称电压，要安装的电涌放电器必须至少具有规定的电压保护等级。 用于保护400/690 V电源系统的电涌放电器必须具有最低电压保护等级Up≤2,5 kV，而用于保护230/400 V电源系统的电涌放电器必须具有最低电压保护等级Up≤1,5 kV，以确保保护敏感的电气/电子设备。 为了满足此要求，必须安装用于400/690 V电源系统的电涌保护设备，该设备应能够传导10/350μs波形的雷电流而不会造成破坏，并确保电压保护等级Up≤2,5 kV。

230/400 V电源系统

塔架底座中的控制柜，机舱中的开关柜和轮毂中的变桨系统（通过230/400 V TN-C系统（3PhY，3W + G）供电）应受到II类保护避雷器，例如SLP40-275 / 3S。

保护飞机警示灯

在相关区域过渡处（LPZ 0B→0，LPZ 1→1），应使用II类电涌放电器来保护LPZ 2B传感器桅杆上的飞机警告灯（表1）。

400 / 690V电源系统必须安装用于400/690 V电源系统（例如SLP40-750 / 3S）的高跟随电流限制的协调单极雷电流避雷器，以保护400/690 V变压器，逆变器，电源滤波器和测量设备。

保护发电机线

考虑到高电压公差，必须安装额定电压高达1000 V的II级电涌放电器，以保护发电机的转子绕组和逆变器的电源线。 附加的基于火花隙的避雷器具有额定工频耐受电压UN / AC = 2,2 kV（50 Hz），用于电势隔离，并防止基于变阻器的避雷器由于可能出现的电压波动而过早运行在逆变器运行期间。 在发电机定子的每一侧都安装了模块化三极II类电涌放电器，用于690 V系统的压敏电阻的额定电压增加。

SLP40-750 / 3S型模块化三极II类避雷器是专门为风力涡轮机设计的。 考虑到操作期间可能发生的电压波动，它们的压敏电阻Umov的额定电压为750 V AC。

IT系统的避雷器

IEC 61643-21中描述了电涌放电器，用于保护电信和信号网络中的电子设备免受雷击和其他瞬态浪涌的间接和直接影响，并按照防雷区的概念安装在区域边界处。

多级避雷器必须设计成无盲区。 必须确保不同的保护阶段相互协调，否则不会激活所有的保护阶段，从而导致电涌保护装置出现故障。

在大多数情况下，玻璃纤维电缆用于将IT线布线到风力涡轮机中，并将控制柜从塔架基座连接到机舱。 执行器和传感器与控制柜之间的电缆连接是通过屏蔽铜电缆实现的。 由于排除了电磁环境的干扰，因此除非玻璃纤维电缆具有必须直接集成到等电位连接中或通过电涌保护装置集成的金属护套，否则不必用电涌放电器保护玻璃纤维电缆。

通常，必须用电涌保护装置保护将执行器和传感器与控制柜连接起来的以下屏蔽信号线：

• 气象站信号线在传感器桅杆上。
• 信号线在机舱和轮毂中的变桨系统之间布线。
• 音调系统的信号线。

气象站的信号线

气象站传感器和开关柜之间的信号线（4 – 20 mA接口）从LPZ 0B布线到LPZ 2，并可以通过FLD2-24进行保护。 这些节省空间的组合式避雷器可保护具有相同参考电位以及不平衡接口的两根或四根单线，并提供直接或间接屏蔽接地。 两个柔性弹簧端子用于将屏蔽器与受保护器的受保护和不受保护侧永久性地低阻抗屏蔽接触，用于屏蔽接地。

符合IEC 61400-24的实验室测试

IEC 61400-24描述了两种用于对风力涡轮机进行系统级抗扰度测试的基本方法：

• 在工作条件下进行脉冲电流测试期间，在存在电源电压的情况下，将脉冲电流或部分雷电流注入控制系统的各个线路中。 这样做时，要保护的设备（包括所有SPD）都要经过冲击电流测试。
• 第二种测试方法模拟雷电电磁脉冲（LEMP）的电磁效应。 将全部雷电流注入到释放雷电流的结构中，并通过尽可能实际地模拟运行条件下的布线来分析电气系统的行为。 雷电流陡度是决定性的测试参数。