□ 王敏利 □ 陸嘉驍

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 上海 200241

談海上風(fēng)機(jī)的防雷系統(tǒng)

□ 王敏利 □ 陸嘉驍

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 上海 200241

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

電力系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電；防雷

與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)電場具有風(fēng)資源儲量大、開發(fā)效率高、環(huán)境污染小、耕地面積占用小等優(yōu)點(diǎn)，近年來越發(fā)引起重視，正逐步成為我國新能源領(lǐng)域開發(fā)的亮點(diǎn)，發(fā)展?jié)摿薮螅熬皬V闊[1]。目前的情況是：海上風(fēng)機(jī)容量大且呈上升趨勢，單機(jī)成本高，葉片越來越長，整機(jī)高度不斷增加；海上雷雨多，無遮擋物，易受雷電襲擊；風(fēng)浪載荷大，交通不便，風(fēng)機(jī)的建造和維護(hù)成本遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)機(jī)。以上現(xiàn)狀對海上風(fēng)機(jī)的可靠性提出了更高的要求[2]。雷擊可直接對機(jī)組造成不可逆的破壞，使機(jī)組維修周期長，發(fā)電量損失大。因此，防雷系統(tǒng)作為風(fēng)機(jī)安全防護(hù)系統(tǒng)之一，對保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性有重要作用。

海上風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)國內(nèi)和國際標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格劃分防雷分區(qū)，針對海洋環(huán)境制定相應(yīng)的防雷措施，通過接閃、引下、接地系統(tǒng)來進(jìn)行雷電防護(hù)[3]。

1 風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)介紹

防雷系統(tǒng)的原理是為雷電流泄放提供一條低阻抗的通道，同時(shí)降低或減小雷電對電氣、電子系統(tǒng)的損害。海上風(fēng)機(jī)防雷設(shè)計(jì)應(yīng)具備如下基本概念。

1.1 防雷等級

由于海上風(fēng)機(jī)的維護(hù)成本十分高昂，因此根據(jù)德國船級社《海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組認(rèn)證指南第2012版規(guī)范》[4]、IEC61400-24《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第24部分：雷電防護(hù)》[5]、IEC62305-1《雷電防護(hù) 第1部分：總則》[6]，海上風(fēng)機(jī)被設(shè)計(jì)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(qū)域定義

根據(jù)IEC62305-1，防雷區(qū)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(jìn)一步減弱的雷擊電流，進(jìn)一步減弱的電磁場，最大電流20 kA，最大感應(yīng)電壓530 V。

風(fēng)機(jī)被雷電直擊的區(qū)域可以根據(jù)IEC62305-3《雷電防護(hù)第3部分：建筑物的實(shí)體損害和生命危險(xiǎn)》，通過滾球法來確定[7]，如圖1所示。海上風(fēng)機(jī)采用最嚴(yán)格的Ⅰ級防雷，20 m雷電球半徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。雷電球從機(jī)組表面滾過，所有能接觸到的點(diǎn)都是潛在的雷擊點(diǎn)，據(jù)此來進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

圖1 外部雷擊區(qū)域劃分

1.3 防雷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷系統(tǒng)是指雷電流通過接閃、引下，最后泄放到大地的系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)是一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)，如圖2所示。其中，外部防雷系統(tǒng)包括接閃器、引下線、接地裝置、外部屏蔽等，內(nèi)部防雷系統(tǒng)包括內(nèi)部屏蔽、等電位連接、綜合布線、電涌保護(hù)器等。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合防雷系統(tǒng)

1.4 等電位連接

等電位連接是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷工作的核心，是保證雷電流通路暢通的關(guān)鍵。為了減小各金屬設(shè)備之間的電位差，對機(jī)組的所有外露金屬部分采取等電位連接措施[8]。輪轂、機(jī)艙、塔筒內(nèi)建立等電位連接網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部主要金屬構(gòu)件、金屬管道及線路屏蔽均應(yīng)采用等電位連接，設(shè)置等電位母排。延伸到機(jī)艙、塔筒外部的電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)布設(shè)在金屬管道內(nèi)，金屬管道應(yīng)與引下線系統(tǒng)相連，電氣和控制系統(tǒng)電路應(yīng)采取過電壓保護(hù)措施。

2 海上風(fēng)機(jī)機(jī)組防雷措施

防雷設(shè)計(jì)的主要準(zhǔn)則是將雷電流阻擋在金屬機(jī)艙和塔架外。

風(fēng)機(jī)的一般外部雷擊路線是葉片、輪轂、機(jī)艙、塔筒、大地，其中動(dòng)靜接合處的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，如葉片與輪轂、輪轂與機(jī)艙、機(jī)艙與塔架之間的連接。

以4 MW機(jī)組為例，介紹風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷措施。

2.1 葉片

葉片防雷的本質(zhì)是將雷電流從雷擊點(diǎn)傳導(dǎo)到輪轂。葉片有專用的防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行雷電防護(hù)，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(nèi)部防雷導(dǎo)線傳至葉片根部的金屬法蘭或者其它結(jié)構(gòu)，再通過風(fēng)機(jī)自身的防雷系統(tǒng)被引導(dǎo)至大地，起到約束雷電、保護(hù)葉片的作用。葉片接閃器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)嚴(yán)格的檢測和試驗(yàn)來確定，4 MW機(jī)組每個(gè)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(nèi)部，采用柔韌的一體式金屬導(dǎo)體，提供接閃器到輪轂間的電流通道。

2.2 輪轂

輪轂金屬結(jié)構(gòu)可以作為一個(gè)連接主軸的自然連接體。輪轂內(nèi)部的電氣及液壓部件可以完全防護(hù)直擊雷電流，并通過屏蔽電纜和金屬面板防護(hù)感應(yīng)雷電流。

2.3 變槳軸承

來自于葉片的雷電流經(jīng)5個(gè)平行的電流路徑傳輸?shù)捷嗇?，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(jīng)變槳軸承。試驗(yàn)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(dǎo)約20%的峰值電流?；鸹ㄩg隙安裝在變槳軸承的內(nèi)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(shí)才會(huì)激發(fā)火花間隙。液壓油缸具有一定的導(dǎo)電性能，并且能傳導(dǎo)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(guān)系，由于液壓軟管是絕緣的，因此不會(huì)有電流流進(jìn)液壓系統(tǒng)。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(dāng)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(jìn)—步往下傳導(dǎo)。眾所周知，雷電流沿傳動(dòng)鏈傳導(dǎo)會(huì)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(jī)艙連接處安裝了4個(gè)碳刷，將雷電流從輪轂直接傳導(dǎo)至機(jī)艙架。4個(gè)碳刷按90°分布安裝，在電氣上屬于并聯(lián)，擴(kuò)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(jī)艙連接處碳刷布置示意圖

2.5 機(jī)艙

機(jī)艙是一個(gè)法拉第籠，可以為內(nèi)部的設(shè)備提供防護(hù)。金屬材質(zhì)的機(jī)艙，其本身結(jié)構(gòu)件可以作為良好的自然連接體，所有突出于機(jī)艙表面的器件都受到保護(hù)，免受直擊雷影響及電磁干擾。在機(jī)艙與外界的過渡部分，需要帶屏蔽和電涌保護(hù)器。機(jī)艙內(nèi)設(shè)備通過自然連接點(diǎn)和金屬導(dǎo)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(jīng)機(jī)架往下傳導(dǎo)至偏航軸承處時(shí)，仍通過帶火花間隙的碳刷傳導(dǎo)。碳刷共有3處，在偏航軸承內(nèi)齒圈上120°安裝，也利用了并聯(lián)通路原理。機(jī)艙底座和偏航軸承之間的碳刷布置如圖4所示。

圖4 機(jī)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(gè)自然連接體，提供了機(jī)艙到地的導(dǎo)通路徑。雷電流通過塔筒及塔筒間的連接螺栓傳導(dǎo)，同時(shí)，塔筒連接段上下法蘭間跨接金屬裝置也可輔助傳導(dǎo)雷電流?？梢姡c地網(wǎng)連接，順利地將雷電流導(dǎo)入大地。因此，良好的接地系統(tǒng)是保證雷電流安全入地的重要保證。

2.8 接地系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)配備有根據(jù)IEC62305-1和IEC61400-24設(shè)計(jì)的等電位連接與引下線系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)必須與業(yè)主提供的基礎(chǔ)中的接地系統(tǒng)相連[9]。單臺風(fēng)機(jī)最大接地電阻建議為10 Ω。海上機(jī)組接地電阻存在優(yōu)勢，海水的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大多數(shù)土壤。

對于單樁基礎(chǔ)，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(chǔ)，塔架通過M16不銹鋼接地螺栓連接到混凝土基礎(chǔ)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(zhì)鎧裝外層，并沿底部法蘭平均分布在4個(gè)位置。塔架內(nèi)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(tǒng)

主回路及光纖通信回路中的電涌保護(hù)器保護(hù)電氣系統(tǒng)免受附近雷擊的影響。

信號電纜和動(dòng)力電纜隔離鋪設(shè)，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(zhì)，并固定在專用連接點(diǎn)。變壓器低壓側(cè)繞組接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)必須和風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)連接。所有進(jìn)出風(fēng)機(jī)的電纜都使用金屬封裝的方式鋪設(shè)，其終端連接到風(fēng)機(jī)內(nèi)部的浪涌保護(hù)裝置上。

連接風(fēng)機(jī)與電網(wǎng)的高壓電纜需要帶屏蔽，并與風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)連接。

2.10 外部設(shè)備及電纜

所有風(fēng)機(jī)外部設(shè)備器件都必須作防腐處理。

機(jī)艙外部配有避雷針，保護(hù)風(fēng)機(jī)免受直擊雷的影響。所有進(jìn)入風(fēng)機(jī)的電纜均帶屏蔽，且進(jìn)出設(shè)備時(shí)必須通過屏蔽，對感應(yīng)雷形成雙重防護(hù)。

2.11 雷電探測

在每臺風(fēng)機(jī)最關(guān)鍵的幾個(gè)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(fēng)機(jī)塔架底部，可以安裝一個(gè)基于雷電探測的感應(yīng)器。感應(yīng)器與風(fēng)機(jī)控制器相連接。當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，風(fēng)機(jī)不會(huì)自動(dòng)停機(jī)，而是觸發(fā)一個(gè)特殊的監(jiān)測功能，為一次雷擊事件提供一個(gè)時(shí)間標(biāo)記。

3 結(jié)束語

雷電對風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的災(zāi)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(chǔ)上，將機(jī)組的雷擊災(zāi)害損失降低到最小程度，這就是風(fēng)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)的目標(biāo)[10]。海上風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)作為整機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要安全保障之一，必須結(jié)合海洋氣候環(huán)境來設(shè)計(jì)機(jī)組的防雷措施和接地系統(tǒng)。針對海上的鹽霧環(huán)境，對防雷、接地裝置的金屬結(jié)構(gòu)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(hù)器均要通過抗鹽霧試驗(yàn)。

另外，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)壽命至少為20年，為保證機(jī)組的防雷系統(tǒng)正常工作，要定期對防雷與接地裝置進(jìn)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(tǒng)的碳刷、各電控柜內(nèi)的電涌保護(hù)器、各零部件及設(shè)備間的等電位連接導(dǎo)線、機(jī)組的接地電阻值等。

[1] 饒洪亮.海上風(fēng)電機(jī)組防雷技術(shù)探討[J].風(fēng)能產(chǎn)業(yè),2013（ 8）：26-28.

[2] 楊婭曦,曹貝貞,鐘運(yùn)鵬.海上風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)淺談[C].第十一屆全國風(fēng)能應(yīng)用技術(shù)年會(huì)暨“十二五”風(fēng)能973專題研討會(huì)，林芝，2014.

[3] 周英華,劉晶,郭廷福.海上風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)[J].機(jī)電技術(shù),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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)措施[C].2014全國風(fēng)電后市場專題研討會(huì)，珠海，2014.

[9] 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50057—2010[S].

[10]張小青.風(fēng)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作

（編輯：啟 德）