海上風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)技術(shù)研究

張曉軍 邱成龍 王征 王中良

摘要：海上風(fēng)電機(jī)組是海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生雷電事故最多的系統(tǒng)部件，其防雷設(shè)計(jì)的科學(xué)性可以有效降低雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。由于海上風(fēng)電機(jī)組所處的環(huán)境比較特殊，本文針對(duì)其特殊性進(jìn)行研究并介紹雷電防護(hù)原理及措施。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電，風(fēng)電機(jī)組，雷電防護(hù)

引言

近年來(lái)隨著海上風(fēng)電建設(shè)能力的成熟，陸地風(fēng)電陸上風(fēng)電正逐步向海上轉(zhuǎn)移，且海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，風(fēng)機(jī)、輪轂的高度一直在增高，葉輪直徑也不斷增大，也導(dǎo)致其遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，一旦因雷電引發(fā)事故將會(huì)造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

1海上風(fēng)電機(jī)組直擊雷防護(hù)

1.1葉片防雷

葉片的防雷裝置通常由接閃器和引下導(dǎo)體組成。傳統(tǒng)的方法是將接閃器做成圓盤(pán)形狀，嵌裝在葉片的葉尖部，并使盤(pán)面與葉面平齊，圓盤(pán)形狀的接閃器與葉片內(nèi)部跨接葉片全長(zhǎng)的引下導(dǎo)體做電氣連接導(dǎo)通。

經(jīng)研究表明，當(dāng)葉片長(zhǎng)度小于20m的葉片，可僅在葉尖設(shè)置接閃器1個(gè);當(dāng)葉片的長(zhǎng)度達(dá)到20m并小于30m時(shí)，需在葉尖設(shè)置接閃器1個(gè)，在葉片表面的壓力面和吸力面設(shè)置至少1對(duì)葉身接閃器;當(dāng)葉片長(zhǎng)度達(dá)到30m并小于45m時(shí)，需在葉尖設(shè)置接閃器1個(gè)，在葉片表面的壓力面和吸力面設(shè)置至少2對(duì)葉身接閃器;當(dāng)葉片長(zhǎng)度達(dá)到或超過(guò)45m時(shí)，需葉尖設(shè)置接閃器1個(gè)，在葉片表面的壓力面和吸力面安裝至少3對(duì)葉身接閃器。針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境的特殊性，可以用葉尖接閃器和葉身接閃器組成葉片的防雷系統(tǒng)，葉身接閃器分布在迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩側(cè)，葉片防雷系統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)采用70mm2銅電纜較為安全，并要求葉身接閃器與葉片外蒙皮翼型平滑過(guò)渡，最高不超過(guò)2mm。

1.2機(jī)艙防雷

正常設(shè)置在葉片上的接閃器和引下導(dǎo)體，能夠攔截來(lái)自機(jī)艙前方和上方的雷電下行先導(dǎo)，但對(duì)于機(jī)艙后部的雷電下行先導(dǎo)則可能無(wú)法攔截，因此，需要在機(jī)艙頂部設(shè)立接閃器。機(jī)艙頂部接閃器可以設(shè)置在機(jī)艙測(cè)風(fēng)支架上，這樣可以有效地保護(hù)艙尾的測(cè)風(fēng)系統(tǒng)、航空障礙燈及機(jī)艙后部。針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組所處環(huán)境的特殊性，建議機(jī)艙頂部的接閃器使用圓鋼，并進(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理，接閃器與測(cè)風(fēng)支架的連接處，接觸面進(jìn)行熱浸鍍鋅或熱噴鋅防腐處理。機(jī)艙內(nèi)除了需要絕緣隔離的設(shè)備外，其余所有設(shè)備均應(yīng)與機(jī)艙底板作等電位連接，防止各設(shè)備和各部件之間在雷擊時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的暫態(tài)電位差。

1.3引下線(xiàn)設(shè)置及接地系統(tǒng)要求

葉片的引下線(xiàn)應(yīng)使用銅或鋁合金導(dǎo)體且規(guī)格至少50mm2。根據(jù)上海風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際情況，葉片引下線(xiàn)還是使用70mm2銅芯線(xiàn)較好，并在葉根處建議安裝雷擊計(jì)數(shù)器，配置能夠記錄雷電峰值200kA雷電流的記錄卡。另外可以利用塔筒本身的金屬結(jié)構(gòu)作為傳導(dǎo)雷電流的引下線(xiàn)。

對(duì)于整機(jī)導(dǎo)通性而言，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從葉片接閃器到塔底接地裝置，需要有良好的導(dǎo)通性，各連接部位過(guò)渡電阻應(yīng)不大于0.24Ω。考慮到實(shí)際安裝條件，單臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組的工頻接地電阻不大于4Ω可滿(mǎn)足要求，當(dāng)單臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組的工頻接地電阻小于10Ω時(shí)，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行多機(jī)組聯(lián)合接地，聯(lián)合接地的工頻接地電阻應(yīng)小于4Ω。

2海上風(fēng)電機(jī)組雷擊電磁脈沖防護(hù)

2.1屏蔽及等電位連接措施

海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)置屏蔽可以有效防范雷擊電磁脈沖的不利影響。對(duì)機(jī)組外部而言，充分考慮利用機(jī)艙“骨架”和輪轂可以起到屏蔽作用或者在機(jī)艙罩和導(dǎo)流罩中預(yù)埋金屬網(wǎng)格作屏蔽。對(duì)機(jī)組內(nèi)部而言，線(xiàn)路可以利用柜體或者線(xiàn)槽作屏蔽，當(dāng)線(xiàn)路跨防雷分區(qū)時(shí)，應(yīng)使用屏蔽電纜。

為了減小海上風(fēng)電機(jī)組各金屬設(shè)備之間的電位差，對(duì)機(jī)組的所有外露金屬部分，在自然連接不能保證電氣傳導(dǎo)性連續(xù)的情況下，需采取等電位連接措施。海上風(fēng)電機(jī)組應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)等電位連接的部分主要有：機(jī)艙內(nèi)各電氣設(shè)備、電纜托架、輪轂內(nèi)電氣設(shè)備、各節(jié)塔筒法蘭連接處、塔筒底部電氣設(shè)備、塔筒底部變流柜支架、塔筒外設(shè)備、水冷散熱器、爬梯等。

2.2電涌保護(hù)器的設(shè)置及要求

電涌保護(hù)器是防止雷擊電磁脈沖的措施之一。海上風(fēng)電機(jī)組首次雷擊模擬雷電流為200kA ，則理論上有100kA通過(guò)接地網(wǎng)進(jìn)行泄放，有100kA進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部線(xiàn)路。根據(jù)上述情況，則在變流器網(wǎng)側(cè)入口、機(jī)側(cè)安裝10/350μs的3P電涌保護(hù)器，每相對(duì)直擊雷防護(hù)應(yīng)大于33.3kA。在后續(xù)防雷區(qū)，主要包括在400V電源 、24V電源及重要的信號(hào)I/O處安裝8/20μs相應(yīng)耐壓水平的SPD。

電涌保護(hù)器設(shè)置在電力或信號(hào)線(xiàn)路上，要求其插入損耗應(yīng)很小。當(dāng)處在縱向位置的元件阻抗非常大時(shí)，其中流過(guò)的電流和就很小，流入保護(hù)器的電流與流出保護(hù)器的電流近似相等，這就保證了保護(hù)器的存在基本上不會(huì)引起所在線(xiàn)路上傳輸工作電流的變化。同理，當(dāng)處在橫向位置的元件阻抗盡可能小時(shí)，由于橫向元件是串入線(xiàn)路的，工作電流直接流過(guò)該元件所產(chǎn)生的壓降就很小，則u2≈u，即工作電壓經(jīng)保護(hù)器后基本上沒(méi)有發(fā)生變化，從而使保護(hù)器的存在不會(huì)對(duì)所在線(xiàn)路上的傳輸工作電壓造成電壓損失。

另外電涌保護(hù)器的選擇還需充分考慮海洋環(huán)境的影響，必須充分考慮腐蝕情況、氣候情況、環(huán)境情況、污染情況和外殼防護(hù)等級(jí)情況，確保防雷元件的特性而不易劣化，達(dá)到其設(shè)計(jì)性能指標(biāo)。

結(jié)束語(yǔ)：海上風(fēng)電機(jī)組是海上風(fēng)電場(chǎng)的重要組成部分，同時(shí)也是發(fā)生雷電事故最多的系統(tǒng)部件，一旦發(fā)生問(wèn)題不僅會(huì)影響政府形象，甚至對(duì)造國(guó)計(jì)民生造成重大影響。加強(qiáng)對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)技術(shù)的研究，分析研判海上風(fēng)電機(jī)組防雷安全風(fēng)險(xiǎn)，不斷優(yōu)化改進(jìn)雷電防護(hù)技術(shù)，確保海上風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。

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