風力發電機系統的雷電和電湧保護

隨著人們對全球變暖的認識和對我們化石燃料的限制的日益增長，尋找更好的可再生能源的需求變得日益明顯。風能的使用是一個快速發展的行業。這種裝置通常位於開闊的高空地形上，因此存在吸引人的雷電捕獲點。如果要保持可靠的供電，重要的是減輕過電壓損壞的根源。 LSP提供了適用於直流和局部雷電流的各種電湧保護設備。

風力發電機系統的雷電和電湧保護

LSP 擁有適用於風力渦輪機應用的全套電湧保護產品。提供從LSP到各種DIN導軌安裝的保護產品以及電湧和雷電監控的產品。隨著我們進入歷史的時代，向綠色能源和技術的推動不斷導致建立更多的風電場，並擴大當前的風電場，渦輪機製造商和風電場所有者/運營商都越來越意識到與之相關的成本雷擊。發生雷擊時，操作員所遭受的金錢損失有兩種形式，一種是由於物理損壞而導致更換機器的相關費用，另一種是系統處於脫機狀態且不發電。渦輪電氣系統面臨周圍環境的持續挑戰，其中風力渦輪機通常是裝置中最高的結構。由於他們將要遭受的惡劣天氣，再加上對渦輪機在其整個使用壽命中遭受多次雷擊的期望，因此任何風電場運營商的業務計劃中都必須考慮設備更換和維修的成本。雷擊的直接和間接破壞是由產生瞬態過電壓的強電磁場造成的。這些過電壓然後通過電氣系統直接傳遞到渦輪自身內的敏感設備。電湧在系統中傳播，對電路和計算機設備造成直接和潛在的損害。發電機，變壓器和電源轉換器以及控制電子設備，通信和SCADA系統等組件可能會因照明浪湧而損壞。直接和直接的損壞可能很明顯，但是由於多次撞擊或反复遭受電湧而導致的潛在損壞可能會影響到受影響的風力渦輪機內的關鍵功率組件，很多時候，這種損壞不在製造商的保修範圍內，因此，維修和更換費用由運營商承擔。

離線成本是與風電場相關的任何業務計劃中都必須考慮的另一個主要因素。這些成本是在渦輪機被禁用且必須由服務團隊進行維修或更換涉及採購，運輸和安裝成本的組件時發生的。由於單次雷擊而可能損失的收入可能是可觀的，並且隨著時間的推移而產生的潛在損害會增加該總數。 LSP的風力渦輪機保護產品即使在多次罷工之後也能夠承受多次雷電衝擊而不會發生故障，從而顯著降低了相關成本。

風力渦輪機電湧保護系統的外殼

氣候條件的不斷變化以及對化石燃料的日益依賴，引起了人們對全球可持續，可再生能源的極大興趣。風能是綠色能源中最有前途的技術之一，除高昂的啟動成本外，風能是世界上許多國家的選擇。例如，在葡萄牙，從2006年到2010年的風能發電目標是將風能發電總量提高到25％，這一目標在後來的幾年中實現了甚至超過了。雖然積極的政府計劃推動風能和太陽能生產已大大擴展了風能產業，但隨著風輪機數量的增加，風輪機被雷擊的可能性也隨之增加。對風力渦輪機的直接打擊已被認為是一個嚴重的問題，並且存在獨特的問題，使風能中的雷電防護比其他行業更具挑戰性。

風力渦輪機的結構是獨特的，這些高大的金屬結構極易受到雷擊的損壞。使用傳統的電湧保護技術也很難保護它們，傳統的電湧保護技術主要是在單次電湧後犧牲自己。風力渦輪機可以升起超過150米的高度，通常位於偏遠地區的高地上，這些地區暴露在包括雷擊在內的因素下。風力渦輪機最暴露的組件是葉片和機艙，它們通常由複合材料製成，無法承受直接的雷擊。典型的直接衝擊通常發生在葉片上，從而導致電湧全部通過風車內的渦輪機部件，並可能傳播至農場的所有電氣連接區域。通常用於風電場的區域接地條件差，現代風電場的處理電子設備非常敏感。所有這些問題使得保護風力渦輪機免受與雷電相關的損害最為困難。

在風力渦輪機結構本身中，電子設備和軸承非常容易遭受雷擊損壞。由於更換這些部件的困難，與風力渦輪機相關的維護成本很高。在大多數參與風力發電的董事會和政府機構中，帶來了可以改善統計平均值以進行必要組件更換的技術，這是引起廣泛討論的根源。電湧保護產品線的堅固特性在電湧保護技術中是獨一無二的，因為它即使在被激活時仍可繼續保護設備，並且在雷電浪湧後無需更換或重置。這使風力發電機可以保持更長的在線時間。離線狀態統計平均值和渦輪機停機維護時間的任何改進最終都會給消費者帶來更多成本。

防止損壞低壓和控制電路至關重要，因為研究表明，超過50％的風力渦輪機故障是由此類組件的故障引起的。雷電發生後直接傳播的感應式和感應式雷擊以及回流浪湧引起的設備故障的記錄是很常見的。安裝在系統電網側的避雷器與低壓側一起接地，以減小接地電阻，從而提高整個鏈條承受單個風力發電機撞擊的能力。

風力發電機的雷電和電湧保護

本文介紹了風力渦輪機中電氣和電子設備及系統的雷電和電湧保護措施的實施方式。

風力渦輪機由於其巨大的暴露表面和高度而極易受到直接雷擊的影響。由於雷擊風輪機的風險隨高度的增加呈二次方增加，因此可以估計，大約每十二個月一次直接雷擊會擊中數兆瓦的風輪機。

饋電補償必須在幾年內攤銷高昂的投資成本，這意味著必須避免因雷電和電湧損壞而導致的停機時間以及相關的維修費用。這就是為什麼必須採取全面的防雷和電湧保護措施的原因。

在規劃風力渦輪機的防雷系統時，對於暴露位置高度超過60 m的物體，不僅要考慮雲對地閃光，還要考慮對地對雲閃光，即所謂的向上引導。。為了保護轉子葉片和選擇合適的避雷器，必須特別考慮這些向上的引線的高電荷。

標準化-風力渦輪機系統的雷電和電湧保護
保護概念應基於國際標準IEC 61400-24，IEC 62305標準系列以及Germanischer Lloyd船級社的指南。

保護措施
IEC 61400-24建議根據防雷等級（LPL）I選擇風力渦輪機的防雷系統的所有子組件，除非風險分析表明較低的LPL就足夠了。風險分析還可能顯示不同的子組件具有不同的LPL。 IEC 61400-24建議防雷系統應基於全面的防雷概念。

風力渦輪機系統的雷電和電湧保護包括外部雷電保護系統（LPS）和電湧保護措施（SPM），以保護電氣和電子設備。為了計劃保護措施，建議將風力渦輪機細分為防雷區（LPZ）。

風力渦輪機系統的雷電和電湧保護功能可保護兩個只能在風力渦輪機中使用的子系統，即轉子葉片和機械傳動系。

IEC 61400-24詳細描述瞭如何保護風力渦輪機的這些特殊部分以及如何證明防雷措施的有效性。

根據該標準，建議進行高壓測試，以驗證在普通放電中具有第一沖程和長衝程的相關係統的雷電耐受能力。

必須詳細檢查與保護轉子葉片和可旋轉安裝的零件/軸承有關的複雜問題，並取決於組件製造商和類型。 IEC 61400-24標准在這方面提供了重要的信息。

防雷區概念
防雷區概念是一種用於在對像中創建定義的EMC環境的結構措施。所定義的EMC環境由所用電氣設備的抗擾性規定。防雷區的概念可以將邊界處的傳導和輻射干擾降低到定義的值。因此，將要保護的對象細分為保護區域。

滾球法可用於確定LPZ 0A（即可能遭受直接雷擊的風力渦輪機的零件）和LPZ 0B（即受外部空氣保護免受直接雷擊的風力渦輪機的零件），集成在風力渦輪機部件中的終端系統或空氣終端系統（例如在轉子葉片中）。

根據IEC 61400-24，不得對轉子葉片本身使用滾球法。因此，應根據IEC 8.2.3-61400標準的24章測試空氣終端系統的設計。

圖1顯示了滾動球法的典型應用，而圖2顯示了將風力渦輪機劃分為不同的避雷區的可能。劃分為防雷區取決於風力渦輪機的設計。因此，應觀察風力渦輪機的結構。

但是，決定性的是，通過在所有區域邊界處採取適當的屏蔽措施和電湧保護設備，可以減少從風力渦輪機外部注入到LPZ 0A中的雷電參數，從而可以操作風力渦輪機內部的電氣和電子設備及系統安全地。

屏蔽措施
外殼應設計為密封的金屬屏蔽層。這意味著在殼體中實現了具有比風力渦輪機外部的磁場低得多的電磁場的體積。

根據IEC 61400-24，主要用於大型風力渦輪機的管狀鋼塔可以認為是近乎完美的法拉第籠，最適合電磁屏蔽。機殼或“機艙”以及操作大樓中的開關櫃和控制櫃（如果有的話）也應由金屬製成。連接電纜應具有能夠承受雷電流的外部屏蔽。

僅當屏蔽層的兩端均等電位連接時，屏蔽電纜才能抵抗EMC干擾。屏蔽層必須通過完全（360°）接觸端子進行接觸，而無需在風力渦輪機上安裝不兼容EMC的長連接電纜。

電磁屏蔽和電纜佈線應按照IEC 4-62305的第4節進行。因此，應使用符合IEC / TR 61000-5-2的EMC兼容安裝規範的一般準則。

屏蔽措施包括：

在GRP塗層的機艙上安裝金屬編織層。
金屬塔。
金屬開關櫃。
金屬控制櫃。
帶雷電流的屏蔽連接電纜（金屬電纜導管，屏蔽管等）。
電纜屏蔽層。

外部防雷措施
外部LPS的功能是攔截包括雷擊在內的直接雷擊到風力發電機塔架中，並將雷電流從雷擊點釋放到地面。它也可用於在地面上分配雷電流，而不會造成熱或機械損壞或危險的火花，這些火花可能會引起火災或爆炸，並危及人員生命。

風力渦輪機（除轉子葉片之外）的潛在衝擊點可以通過圖1所示的滾動球法確定。對於風力渦輪機，建議使用LPS I級。半徑r = 20 m在風力渦輪機上滾動以確定撞擊點。在球體接觸風力渦輪機的地方需要空氣終止系統。

機艙/機殼結構應集成在防雷系統中，以確保機艙中的雷擊會擊中能夠承受此載荷的天然金屬零件或為此目的而設計的空氣終端系統。帶有GRP塗層的機艙應裝有空氣終端系統和引下線，在機艙周圍形成籠狀結構。

該籠子中的空氣裸露系統（包括裸露的導體）應能夠根據所選的雷電防護等級承受雷擊。法拉第籠中的其他導體的設計方式應使其承受承受的雷電電流份額。根據IEC 61400-24，用於保護安裝在機艙外部的測量設備的空氣終端系統的設計應符合IEC 62305-3的一般要求，並且引下線應連接到上述籠中。

LPS中可以集成由導電材料製成的“自然組件”，這些組件永久安裝在風力渦輪機內/風力渦輪機上並保持不變（例如，轉子葉片，軸承，主機，混合動力塔等的防雷系統）。如果風力渦輪機是金屬結構的，則可以假定它們滿足根據IEC 62305的LPS I類外部雷電防護系統的要求。

這就要求雷電擊必須被轉子葉片的LPS安全攔截，以便雷電可以通過軸承，主機，塔架和/或旁路系統等自然組件（例如開放的火花隙，碳刷）。

空氣終端系統/引下線
如圖1所示。機艙，包括上層建築；風力發電機的轉子輪轂和塔架可能被雷擊。
如果它們可以安全地攔截200 kA的最大雷電衝擊電流並可以將其放電到接地系統，則可以用作風力發電機組外部雷電保護系統的空氣終端系統的“自然組件”。

代表雷擊的定義打擊點的金屬接收器通常沿著GRP葉片安裝，以保護轉子葉片免受雷擊損壞。引下線從接收器路由到葉片根部。在發生雷擊的情況下，可以假定雷擊擊中了葉片的尖端（接收器），然後通過葉片內部的引下線通過機艙和塔架排到了接地系統。

接地系統
風力渦輪機的接地系統必須執行多種功能，例如人身保護，EMC保護和防雷保護。

有效的接地系統（見圖3）對於分配雷電流和防止風力渦輪機損壞至關重要。此外，接地系統必須保護人類和動物免受電擊。萬一發生雷擊，接地系統必須向地面釋放高雷電流，並將其分配到地面，而不會產生危險的熱和/或電動效應。

通常，重要的是建立用於風力渦輪機的接地系統，該接地系統用於保護風力渦輪機免受雷擊並使電源系統接地。

注意：高壓電氣法規，例如Cenelec HO 637 S1或適用的國家標準，規定瞭如何設計接地系統，以防止由於高壓或中壓系統中的短路引起的高接觸電壓和階躍電壓。關於人員保護，IEC 61400-24標準引用了IEC // TS 60479-1和IEC 60479-4。

接地電極的佈置

IEC 62305-3描述了用於風力渦輪機的兩種基本類型的接地極佈置：

類型A：根據IEC 61400-24的附件I，此佈置不得用於風力渦輪機，但可以用於附件（例如，包含測量設備的建築物或與風電場相關的辦公室棚屋）。 A型接地電極裝置由水平或垂直接地電極組成，水平或垂直接地電極通過建築物上的至少兩個引下線連接。

B型：根據IEC 61400-24的附件I，此佈置必須用於風力渦輪機。它由安裝在地面上的外部環形接地電極或基礎接地電極組成。環形接地電極和基礎中的金屬零件必須連接到塔架結構。

塔架基礎的加固應集成在風力渦輪機的接地概念中。塔架基座和操作大樓的接地系統應通過接地電極的網狀網絡連接，以獲得覆蓋範圍盡可能大的接地系統。為防止雷擊產生過多的階躍電壓，必須在塔架基座周圍安裝電位控制和耐腐蝕的環形接地電極（由不銹鋼製成），以確保對人員的保護（見圖3）。

基礎接地電極

基礎接地電極具有技術和經濟意義，例如，在供電公司的德國技術連接條件（TAB）中是必需的。基礎接地電極是電氣安裝的一部分，並具有基本的安全功能。因此，必須由電氣技術人員或在電氣技術人員的監督下安裝它們。

用於接地電極的金屬必須符合IEC 7-62305表3中列出的材料。必須始終觀察金屬在地下的腐蝕行為。基礎接地電極必須由鍍鋅或非鍍鋅鋼（圓鋼或帶鋼）製成。圓鋼的最小直徑必須為10毫米。帶鋼的最小尺寸必須為30 x 3,5 mm。請注意，該材料必須至少覆蓋5厘米的混凝土（防腐蝕）。基礎接地電極必須與風力渦輪機中的主等電位連接桿連接。必須通過不銹鋼製接線片的固定接地點建立耐腐蝕連接。此外，必須在地面上安裝由不銹鋼製成的環形接地電極。

從LPZ 0A過渡到LPZ 1時的保護

為了確保電氣和電子設備的安全運行，必須對LPZ的邊界進行屏蔽以防輻射干擾，並保護其免受傳導干擾（見圖2和4）。在從LPZ 0A到LPZ 1的過渡處，必須安裝能夠釋放高雷電電流而不會造成破壞的電湧保護器（也稱為“雷電等電位連接”）。這些電湧保護器被稱為I類避雷器，並通過10/350μs波形的衝擊電流進行了測試。在從LPZ 0B過渡到LPZ 1和LPZ 1以及更高的電壓時，僅必須應對由系統外部感應的電壓或系統中產生的電湧引起的低能量脈衝電流。這些電湧保護器被稱為II類電湧放電器，並通過8/20μs波形的脈衝電流進行了測試。

根據防雷區概念，所有進入的電纜和線路必須毫無例外地通過LPZ 0A至LPZ 1或LPZ 0A至LPZ 2邊界處的I類雷電避雷器集成到雷電等電位連接中。

必須為要保護的體積內的每個其他區域邊界安裝另一個局部等電位聯結，其中必須集成進入該邊界的所有電纜和線路。

在從LPZ 2B到LPZ 0以及從LPZ 1到LPZ 1的過渡處必須安裝2型電湧放電器，而在從LPZ 2到LPZ 3的過渡處必須安裝III類電湧放電器。II類和III類的功能電湧放電器是為了減少上游保護級的殘餘干擾，並限制風力渦輪機內感應或產生的電湧。

根據電壓保護等級（Up）和設備抗擾度選擇SPD

為了描述LPZ中的Up，必須定義LPZ中設備的抗擾度級別，例如，根據IEC 61000-4-5和IEC 60664-1的電源線和設備連接；根據IEC 61000-4-5，ITU-T K.20和ITU-T K.21的規定用於電信線路和設備連接，以及根據製造商的說明用於設備的其他線路和連接。

電氣和電子組件製造商應能夠根據EMC標準提供所需的抗擾度信息。否則，風力渦輪機製造商應進行測試以確定抗擾度等級。 LPZ中定義的組件抗擾度級別直接定義了LPZ邊界所需的電壓保護級別。在適用的情況下，必須證明所有安裝的SPD以及要保護的設備均具有系統的抗擾性。

電源保護

風力渦輪機的變壓器可以安裝在不同的位置（在單獨的配電站，塔架底座，塔架，機艙中）。例如，對於大型風力渦輪機，塔架基座中未屏蔽的20 kV電纜被連接到中壓開關設備，該設備包括真空斷路器，機械鎖定的選擇器隔離開關，輸出接地開關和保護繼電器。

MV電纜從風力渦輪機塔架中的MV開關設備安裝佈線到位於機艙中的變壓器。變壓器通過TN-C系統（L1; L2; L3; PEN導體; 3PhY; 3 W + G）為塔式基座中的控制櫃，機艙中的開關櫃和輪轂中的變槳系統供電。機艙中的開關櫃向電氣設備提供230/400 V的交流電壓。

根據IEC 60364-4-44，安裝在風力渦輪機中的所有電氣設備必鬚根據風力渦輪機的標稱電壓具有特定的額定衝擊耐受電壓。這意味著根據系統的標稱電壓，要安裝的電湧放電器必須至少具有規定的電壓保護等級。用於保護400/690 V電源系統的電湧放電器必須具有最低電壓保護等級Up≤2,5 kV，而用於保護230/400 V電源系統的電湧放電器必須具有最低電壓保護等級Up≤1,5 kV，以確保保護敏感的電氣/電子設備。為了滿足此要求，必須安裝用於400/690 V電源系統的電湧保護設備，該設備應能夠傳導10/350μs波形的雷電流而不會造成破壞，並確保電壓保護等級Up≤2,5 kV。

230/400 V電源系統

塔架底座中的控制櫃，機艙中的開關櫃和輪轂中的變槳系統（通過230/400 V TN-C系統（3PhY，3W + G）供電）應受到II類保護避雷器，例如SLP40-275 / 3S。

保護飛機警示燈

在相關區域轉換處（LPZ 0B→0，LPZ 1→1），應使用II類電湧放電器來保護LPZ 2B傳感器桅杆上的飛機警告燈（表1）。

400 / 690V電源系統必須安裝用於400/690 V電源系統（例如SLP40-750 / 3S）的高跟隨電流限制的協調單極雷電流避雷器，以保護400/690 V變壓器，逆變器，電源濾波器和測量設備。

保護髮電機線

考慮到高電壓公差，必須安裝額定電壓高達1000 V的II級電湧放電器，以保護髮電機的轉子繞組和逆變器的電源線。附加的基於火花隙的避雷器具有額定工頻耐受電壓UN / AC = 2,2 kV（50 Hz），用於電勢隔離，並防止基於變阻器的避雷器由於可能出現的電壓波動而過早運行在逆變器運行期間。在發電機定子的每一側都安裝了模塊化三極II類電湧放電器，用於690 V系統的壓敏電阻的額定電壓增加。

SLP40-750 / 3S型模塊化三極II類避雷器是專門為風力渦輪機設計的。考慮到運行期間可能發生的電壓波動，它們的壓敏電阻Umov的額定電壓為750 V AC。

IT系統的避雷器

IEC 61643-21中描述了用於保護電信和信號網絡中的電子設備免受雷擊和其他瞬態浪湧的間接和直接影響的電湧放電器，並按照防雷保護區的概念將其安裝在區域邊界。

多級避雷器必須設計成無盲區。必須確保不同的保護階段相互協調，否則不會激活所有的保護階段，從而導致電湧保護裝置出現故障。

在大多數情況下，玻璃纖維電纜用於將IT線佈線到風力渦輪機中，並將控制櫃從塔架基座連接到機艙。執行器和傳感器與控制櫃之間的電纜連接是通過屏蔽銅電纜實現的。由於排除了電磁環境的干擾，因此除非玻璃纖維電纜具有必須直接集成到等電位連接中或通過電湧保護裝置集成的金屬護套，否則不必用電湧放電器保護玻璃纖維電纜。

通常，必須用電湧保護裝置保護將執行器和傳感器與控制櫃連接起來的以下屏蔽信號線：

氣象站信號線在傳感器桅杆上。
信號線在機艙和輪轂中的變槳系統之間佈線。
音調系統的信號線。

氣象站的信號線

氣象站傳感器和開關櫃之間的信號線（4 – 20 mA接口）從LPZ 0B佈線到LPZ 2，並可以通過FLD2-24進行保護。這些節省空間的組合式避雷器可保護具有相同參考電位以及不平衡接口的兩根或四根單線，並提供直接或間接屏蔽接地。兩個柔性彈簧端子用於將屏蔽層與避雷器的受保護和不受保護側永久性地低阻抗屏蔽接觸，用於屏蔽接地。

符合IEC 61400-24的實驗室測試

IEC 61400-24描述了兩種用於對風力渦輪機進行系統級抗擾度測試的基本方法：

在工作條件下進行脈衝電流測試期間，在存在電源電壓的情況下，將脈衝電流或部分雷電流注入控制系統的各個線路中。這樣做時，要保護的設備（包括所有SPD）都要經過衝擊電流測試。
第二種測試方法模擬雷電電磁脈衝（LEMP）的電磁效應。將全部雷電流注入到釋放雷電流的結構中，並通過盡可能實際地模擬運行條件下的佈線來分析電氣系統的行為。雷電流陡度是決定性的測試參數。