兆瓦級的風(fēng)力渦輪機(jī)的雷電和浪涌保護(hù)
人類對可再生能源的索取獲取，一直都是有增無減的。獲取的途徑主要有：風(fēng)力發(fā)電、太陽能/光伏發(fā)電，以及利用沼氣或地?zé)岚l(fā)電。在德國，現(xiàn)今約有19000個(gè)風(fēng)電設(shè)備供應(yīng)商，總功率近21000兆瓦，已經(jīng)超出了對能源總需求的百分之三。
據(jù)德國風(fēng)能研究所的預(yù)言 ，至2030年，在公海上將安裝約4000個(gè)風(fēng)電設(shè)備。 這樣，離岸風(fēng)力發(fā)電場產(chǎn)生的額定功率約為2萬兆瓦，風(fēng)電設(shè)備防雷保護(hù)的重要性由此顯而易見。
雷擊的危害
風(fēng)電設(shè)施的經(jīng)營者是無法承受停機(jī)所造成的損失的。與此相反，對風(fēng)電設(shè)備的高額投資往往是相當(dāng)巨大的。
每個(gè)風(fēng)電設(shè)備都在極小空間里集中了完備的電氣、電子裝置，所有在電氣、電子工程中能夠提供的裝置，都可以在這里找到，如：開關(guān)柜，馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器、變頻器、總線系統(tǒng)及其傳感器和驅(qū)動(dòng)器。毋庸置疑，電涌的出現(xiàn)會(huì)給系統(tǒng)帶來相當(dāng)大的損害。雷擊的風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)備高度的平方成正比，而兆瓦級的風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片總高度達(dá)150米，因此遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)極大，對該設(shè)備進(jìn)行全面的防雷擊及浪涌保護(hù)是十分必要的。
雷擊頻率
某地區(qū)每年的云地閃電的數(shù)量可從知名的等雷頻線（ isokeraunic level）中得到。在歐洲，海岸地區(qū)和中等高度的山脈地區(qū)的雷擊頻率為每年每平方公里1至3個(gè)云地閃電。
此外，還應(yīng)考慮防雷裝置的空間尺寸。如果物體的高度大于60米，并暴露在雷擊的風(fēng)險(xiǎn)下，那么，除了云地閃電外，還存在地云閃電，即所謂的上行先導(dǎo)。這就造成了實(shí)際值比上述公式計(jì)算所得理論值要大。
地云閃電的發(fā)生，起始于高空的暴露物體, 雷電流的泄放強(qiáng)度一般都很大，因而這對轉(zhuǎn)子槳葉的保護(hù)和雷電流保護(hù)器的設(shè)計(jì)都提出了更高的要求。
標(biāo)準(zhǔn)化保護(hù)措施
德國勞埃德 (Lloyd)準(zhǔn)則是雷電保護(hù)概念設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
德國保險(xiǎn)協(xié)會(huì)（ GDV ）在其出版物 VdS 2010《風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向的雷電和浪涌保護(hù)》 中建議，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備應(yīng)實(shí)施二級以上的防雷保護(hù)，以滿足保護(hù)這些設(shè)施的最低要求。
在這一科技文獻(xiàn)中，更主要關(guān)注是如何實(shí)施防雷保護(hù)措施，尤其是對風(fēng)電設(shè)備中的電氣和電子儀器，如何采取保護(hù)措施，防止電涌的干擾。
對轉(zhuǎn)子的槳葉和旋轉(zhuǎn)部件實(shí)施保護(hù)是十分復(fù)雜的，需要分別針對不同的生產(chǎn)商及其特定的產(chǎn)品類型，進(jìn)行詳細(xì)地考察。
通過在沖擊電流實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的這些試驗(yàn)，可驗(yàn)證所選保護(hù)措施的有效性，并有助于優(yōu)化“整體保護(hù)方案” 。
圖 1 德和盛公司 （ DEHN + SÖHNE）的沖擊電流實(shí)驗(yàn)室 – 最大的雷電沖擊電流是200 kA, 波形為10/350μs
德和盛公司（DEHN+ SÖHNE)可以充分利用它的先進(jìn)的雷電流沖擊實(shí)驗(yàn)室，針對每個(gè)客戶的特殊需求，尋找最佳的解決方案。它能夠提供以下工程和測試服務(wù)：
=> 為保護(hù)電氣裝置，為客戶測試特定的預(yù)接線單元
=> 測試軸承的雷電流承載能力
=> 對引下線和轉(zhuǎn)子槳葉上的傳感器進(jìn)行相關(guān)的雷電流測試
防雷分區(qū)概念
防雷分區(qū)概念是在某一界定范圍內(nèi)，為了創(chuàng)造一個(gè)特定的抗電磁干擾的環(huán)境 (抗EMC環(huán)境)所采取的結(jié)構(gòu)性的措施。特定的抗EMC環(huán)境，是通過所使用電氣設(shè)備的抗電磁干擾的能力來衡量的（圖2 ）。
圖2 風(fēng)電設(shè)備的防雷分區(qū)概念
防雷分區(qū)概念作為一個(gè)保護(hù)措施，它限定了其所定義的邊界上的傳導(dǎo)及電磁干擾，并力求降至最低。出于這個(gè)目的，我們將被保護(hù)的物體劃分在不同的保護(hù)分區(qū)內(nèi)。在劃分風(fēng)電設(shè)備的防雷分區(qū)時(shí)，應(yīng)充分考慮其結(jié)構(gòu)上的特征。 重要的是，要將從外部進(jìn)入雷電保護(hù)區(qū) LPZ 0A 區(qū)的、起直接作用的雷電參數(shù)，通過屏蔽措施以及配置相應(yīng)的浪涌保護(hù)裝置，盡可能地減小，以確保風(fēng)電設(shè)備中的電力和電子系統(tǒng)能夠無干擾地正常運(yùn)行。
屏蔽措施
機(jī)艙應(yīng)設(shè)計(jì)為一個(gè)自閉的金屬屏蔽。相對于外部，機(jī)艙內(nèi)的電磁場應(yīng)得到極大的衰減。機(jī)艙中的，以及可能存在于在操作間中的開關(guān)柜和控制柜，都應(yīng)由金屬制成。與其相連接的電纜也應(yīng)配備相應(yīng)的外部連接和屏蔽，并具有雷電流承載能力。從抗干擾保護(hù)的角度出發(fā)，只有當(dāng)屏蔽線的兩端都連接到等電位連接中，屏蔽電纜才能有效地隔離電磁干擾。屏蔽接觸必須為圓形連接端子，以避免不利的電磁干擾（EMC），不允許長的接線端子“ Pigtails ”留存于設(shè)備側(cè)。
接地系統(tǒng)
在任何情況下，風(fēng)電設(shè)備的接地系統(tǒng)都應(yīng)利用鐵塔的鋼筋架構(gòu)。在鐵塔的塔基以及在操作間的基礎(chǔ)中設(shè)立基礎(chǔ)接地體，首要應(yīng)地考慮接地體的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
塔基和操作間的接地裝置（圖3 ）應(yīng)通過接地網(wǎng)相互連接，以盡可能地獲得最大面積的接地系統(tǒng)。
塔基周圍多大的范圍內(nèi)敷設(shè)額外的控制等電位的環(huán)形接地體，取決于在發(fā)生雷擊時(shí)，最終可能形成的跨步電壓和接觸電壓的高低，以及如何能達(dá)到保護(hù)生命的目的。
圖3 風(fēng)電設(shè)備的接地網(wǎng)
防雷分區(qū)LPZ 0A至LPZ 1或更高分區(qū)的邊界處，對進(jìn)入LPZ 0A區(qū)的線纜應(yīng)采取保護(hù)。
為了電氣和電子儀器的安全運(yùn)行，在防雷保護(hù)分區(qū)（LPZ)的邊界處，除了應(yīng)屏蔽與場強(qiáng)相關(guān)的干擾源，還應(yīng)防止與電纜相關(guān)的干擾源。
在防雷保護(hù)分區(qū)的LPZ 0A 至LPZ 1邊界處 （通常也稱為防雷保護(hù)-等電位連接）必須使用保護(hù)裝置，并且它們應(yīng)具備傳導(dǎo)雷電流的能力。這些保護(hù)裝置為雷電流保護(hù)器（I型SPD），其測試電流脈沖波形為10/350μs。
在防雷保護(hù)分區(qū)的LPZ 0B 至LPZ 1及更高分區(qū)的邊界處，要控制來自外部感應(yīng)電壓引起的低能量脈沖電流或者系統(tǒng)本身產(chǎn)生的電涌。這些保護(hù)裝置被稱為電涌保護(hù)器（II型 SPD），其測試電流脈沖的波形為8/20μs。
應(yīng)根據(jù)電氣和電子系統(tǒng)的工作參數(shù)選擇相應(yīng)的保護(hù)裝置。
用于供電系統(tǒng)的保護(hù)裝置，在雷電流泄放后，必須能夠安全地遮斷工頻續(xù)流。這是繼沖擊電流承載能<
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