談海上風機的防雷系統

□ 王敏利 □ 陸嘉驍

上海電氣風電集團有限公司 上海 200241

談海上風機的防雷系統

□ 王敏利 □ 陸嘉驍

上海電氣風電集團有限公司 上海 200241

海上風電是未來清潔能源的發展方向，降低海上風機雷擊事故的發生率，提高其抗雷擊能力，是海上風電研究的重要課題。分析和介紹了海上風機的防雷系統，通過上海電氣4 MW海上機組運行證明，這一防雷系統是有效和完善的，提高了機組的安全性。

電力系統；風力發電；防雷

與陸上風電場相比，海上風電場具有風資源儲量大、開發效率高、環境污染小、耕地面積占用小等優點，近年來越發引起重視，正逐步成為我國新能源領域開發的亮點，發展潛力巨大，前景廣闊[1]。目前的情況是：海上風機容量大且呈上升趨勢，單機成本高，葉片越來越長，整機高度不斷增加；海上雷雨多，無遮擋物，易受雷電襲擊；風浪載荷大，交通不便，風機的建造和維護成本遠高于陸上風機。以上現狀對海上風機的可靠性提出了更高的要求[2]。雷擊可直接對機組造成不可逆的破壞，使機組維修周期長，發電量損失大。因此，防雷系統作為風機安全防護系統之一，對保障風力發電機組的可靠性有重要作用。

海上風機防雷系統設計應根據國內和國際標準，嚴格劃分防雷分區，針對海洋環境制定相應的防雷措施，通過接閃、引下、接地系統來進行雷電防護[3]。

1 風電機組防雷系統介紹

防雷系統的原理是為雷電流泄放提供一條低阻抗的通道，同時降低或減小雷電對電氣、電子系統的損害。海上風機防雷設計應具備如下基本概念。

1.1 防雷等級

由于海上風機的維護成本十分高昂，因此根據德國船級社《海上風力發電機組認證指南第2012版規范》[4]、IEC61400-24《風力發電機組 第24部分：雷電防護》[5]、IEC62305-1《雷電防護 第1部分：總則》[6]，海上風機被設計為Ⅰ級防雷。Ⅰ級防雷的特征值見表1。

表1 Ⅰ級防雷特征值

1.2 防雷區域定義

根據IEC62305-1，防雷區域定義如下。

（1）LPZ 0A：直擊雷，全部雷擊電流，全部電磁場。

（2）LPZ 0B：非直擊雷，全部雷擊電流，全部電磁場。

（3）LPZ 1：非直擊雷，有限的雷擊電流，減弱的電磁場。

（4）LPZ 2：進一步減弱的雷擊電流，進一步減弱的電磁場，最大電流20 kA，最大感應電壓530 V。

風機被雷電直擊的區域可以根據IEC62305-3《雷電防護第3部分：建筑物的實體損害和生命危險》，通過滾球法來確定[7]，如圖1所示。海上風機采用最嚴格的Ⅰ級防雷，20 m雷電球半徑進行設計。雷電球從機組表面滾過，所有能接觸到的點都是潛在的雷擊點，據此來進行防雷設計。

圖1 外部雷擊區域劃分

1.3 防雷系統結構

風力發電機組的防雷系統是指雷電流通過接閃、引下，最后泄放到大地的系統。風機防雷系統是一個綜合防雷系統，如圖2所示。其中，外部防雷系統包括接閃器、引下線、接地裝置、外部屏蔽等，內部防雷系統包括內部屏蔽、等電位連接、綜合布線、電涌保護器等。

圖2 風力發電機組綜合防雷系統

1.4 等電位連接

等電位連接是風力發電機組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關鍵。為了減小各金屬設備之間的電位差，對機組的所有外露金屬部分采取等電位連接措施[8]。輪轂、機艙、塔筒內建立等電位連接網絡，內部主要金屬構件、金屬管道及線路屏蔽均應采用等電位連接，設置等電位母排。延伸到機艙、塔筒外部的電氣和控制系統電路應布設在金屬管道內，金屬管道應與引下線系統相連，電氣和控制系統電路應采取過電壓保護措施。

2 海上風機機組防雷措施

防雷設計的主要準則是將雷電流阻擋在金屬機艙和塔架外。

風機的一般外部雷擊路線是葉片、輪轂、機艙、塔筒、大地，其中動靜接合處的設計很關鍵，如葉片與輪轂、輪轂與機艙、機艙與塔架之間的連接。

以4 MW機組為例，介紹風力發電機組的防雷措施。

2.1 葉片

葉片防雷的本質是將雷電流從雷擊點傳導到輪轂。葉片有專用的防護系統進行雷電防護，包括接閃器和引下線。葉片接閃器的防雷原理為：雷電流通過葉片內部防雷導線傳至葉片根部的金屬法蘭或者其它結構，再通過風機自身的防雷系統被引導至大地，起到約束雷電、保護葉片的作用。葉片接閃器系統的設計，應根據嚴格的檢測和試驗來確定，4 MW機組每個葉片都配有四組接閃器，每組接閃器分別安裝在葉片的兩邊，位置分布在葉片的50%、75%、87.5%和100%處。引下線安裝在葉片內部，采用柔韌的一體式金屬導體，提供接閃器到輪轂間的電流通道。

2.2 輪轂

輪轂金屬結構可以作為一個連接主軸的自然連接體。輪轂內部的電氣及液壓部件可以完全防護直擊雷電流，并通過屏蔽電纜和金屬面板防護感應雷電流。

2.3 變槳軸承

來自于葉片的雷電流經5個平行的電流路徑傳輸到輪轂，包括變槳軸承、碳刷、火花間隙、液壓油缸，以及位置傳感器的電纜屏蔽層，其中大部分雷電流流經變槳軸承。試驗證明，變槳軸承能承受雷電流而本身并無明顯的損壞，碳刷可以傳導約20%的峰值電流。火花間隙安裝在變槳軸承的內齒圈和外齒圈之間，保證兩部分之間的電壓最低，只有被大型雷電擊中時才會激發火花間隙。液壓油缸具有一定的導電性能，并且能傳導一小部分雷電流，這部分取決于軸承和液壓缸的阻抗和兩者之間的連接關系，由于液壓軟管是絕緣的，因此不會有電流流進液壓系統。位置傳感器的電纜屏蔽層通過的電流小于液壓缸，原因是屏蔽層的直徑和截面積都很小。

2.4 主軸和軸承

當雷電流沿上述路徑傳遞到輪轂金屬體后，通過輪轂與主軸法蘭盤的直接連接進—步往下傳導。眾所周知，雷電流沿傳動鏈傳導會造成極大的破壞。為了最大限度減小傳入主軸承的雷電流，在輪轂或主軸與機艙連接處安裝了4個碳刷，將雷電流從輪轂直接傳導至機艙架。4個碳刷按90°分布安裝，在電氣上屬于并聯，擴大了雷電流的通路。碳刷布置位置如圖3所示。

圖3 輪轂與機艙連接處碳刷布置示意圖

2.5 機艙

機艙是一個法拉第籠，可以為內部的設備提供防護。金屬材質的機艙，其本身結構件可以作為良好的自然連接體，所有突出于機艙表面的器件都受到保護，免受直擊雷影響及電磁干擾。在機艙與外界的過渡部分，需要帶屏蔽和電涌保護器。機艙內設備通過自然連接點和金屬導體接地，消除跨步電壓和接觸電壓。

2.6 偏航軸承

雷電流沿前述路徑經機架往下傳導至偏航軸承處時，仍通過帶火花間隙的碳刷傳導。碳刷共有3處，在偏航軸承內齒圈上120°安裝，也利用了并聯通路原理。機艙底座和偏航軸承之間的碳刷布置如圖4所示。

圖4 機艙底座與偏航軸承之間碳刷布置示意圖

2.7 塔架

塔架作為一個自然連接體，提供了機艙到地的導通路徑。雷電流通過塔筒及塔筒間的連接螺栓傳導，同時，塔筒連接段上下法蘭間跨接金屬裝置也可輔助傳導雷電流。可見，塔基與地網連接，順利地將雷電流導入大地。因此，良好的接地系統是保證雷電流安全入地的重要保證。

2.8 接地系統

風機配備有根據IEC62305-1和IEC61400-24設計的等電位連接與引下線系統。這個系統必須與業主提供的基礎中的接地系統相連[9]。單臺風機最大接地電阻建議為10 Ω。海上機組接地電阻存在優勢，海水的電阻率遠遠低于大多數土壤。

對于單樁基礎，接地很簡單，塔架直接安裝在底部法蘭上，與海水直接相連。

對于重力基礎，塔架通過M16不銹鋼接地螺栓連接到混凝土基礎中的鑄鋼板上，鑄鋼板底部焊接有3根400 mm長、φ10 mm不銹鋼棒，每根不銹鋼棒都附帶鐵質鎧裝外層，并沿底部法蘭平均分布在4個位置。塔架內部金屬部件都是等電位連接的，并與塔架相連。

2.9 電氣系統

主回路及光纖通信回路中的電涌保護器保護電氣系統免受附近雷擊的影響。

信號電纜和動力電纜隔離鋪設，信號電纜需帶屏蔽層。所有隔離盒和接線盒都要采用金屬材質，并固定在專用連接點。變壓器低壓側繞組接地系統的中性點必須和風機接地系統連接。所有進出風機的電纜都使用金屬封裝的方式鋪設，其終端連接到風機內部的浪涌保護裝置上。

連接風機與電網的高壓電纜需要帶屏蔽，并與風機接地系統連接。

2.10 外部設備及電纜

所有風機外部設備器件都必須作防腐處理。

機艙外部配有避雷針，保護風機免受直擊雷的影響。所有進入風機的電纜均帶屏蔽，且進出設備時必須通過屏蔽，對感應雷形成雙重防護。

2.11 雷電探測

在每臺風機最關鍵的幾個位置，如葉片根部等安裝雷電探測卡，以便測定雷電流的峰值。需要注意的是，探測卡只測量雷電流的最大峰值電流。

在風機塔架底部，可以安裝一個基于雷電探測的感應器。感應器與風機控制器相連接。當發生雷擊時，風機不會自動停機，而是觸發一個特殊的監測功能，為一次雷擊事件提供一個時間標記。

3 結束語

雷電對風電機組產生的災害是難以完全避免的，但可以在采取合理有效防雷措施的基礎上，將機組的雷擊災害損失降低到最小程度，這就是風電機組防雷設計的目標[10]。海上風機防雷系統作為整機穩定運行的重要安全保障之一，必須結合海洋氣候環境來設計機組的防雷措施和接地系統。針對海上的鹽霧環境，對防雷、接地裝置的金屬結構件做必要的防腐處理，并且對電纜芯及接線端子做防腐處理，所有的電涌保護器均要通過抗鹽霧試驗。

另外，海上風力發電機組的設計壽命至少為20年，為保證機組的防雷系統正常工作，要定期對防雷與接地裝置進行檢查，主要檢查的對象有：葉片接閃器、避雷裝置的等電位連接、避雷系統的碳刷、各電控柜內的電涌保護器、各零部件及設備間的等電位連接導線、機組的接地電阻值等。

[1] 饒洪亮.海上風電機組防雷技術探討[J].風能產業,2013（ 8）：26-28.

[2] 楊婭曦,曹貝貞,鐘運鵬.海上風機防雷系統淺談[C].第十一屆全國風能應用技術年會暨“十二五”風能973專題研討會，林芝，2014.

[3] 周英華,劉晶,郭廷福.海上風電機組的防雷保護[J].機電技術,2012（ 6）:78-80.

[4]GL.Guidelinefor theCertificationof OffshoreWindTurbines：2012[S].

[5] Wind Turbine Generator Systems-Part 24:Lightning Protection： IEC61400-24：2010[S].

[6] Protection against Lightning-Part 1:General Principles：IEC 62305-1:2010[S].

[7]Protection against Lightning-Part 3:Physical Damage to Structures and Life Hazard： IEC 62305-3:2006[S].

[8] 俞黎萍.淺談風力發電機組的雷電防護措施[C].2014全國風電后市場專題研討會，珠海，2014.

[9] 建筑物防雷設計規范：GB50057—2010[S].

[10]張小青.風電機組防雷與接地[M].北京：中國電力出版社,2009.

Offshorewind power isthefuturetrend of clean energy development,it isan important issuetoreduce the incidence of lightning stroke to offshore wind turbine and improve its anti-lightning ability.The lightning protection system of offshore wind turbines was analyzed and introduced.Through the service of Shanghai Electric4 MWoffshoreunit,it provesthat thelightningprotection systemiseffectiveand perfect and the safety of theunit isenhanced.

Power System ；Wind Turbine ；Lightning Protection

TH122；TK83

A

1672-0555（2017）03-030-04

2017年3月

王敏利（1980—），女，碩士，工程師，主要從事風力發電機組電氣系統設計工作

（編輯：啟 德）