谈海上风机的防雷系统

□ 王敏利 □ 陆嘉骁

上海电气风电集团有限公司 上海 200241

谈海上风机的防雷系统

□ 王敏利 □ 陆嘉骁

上海电气风电集团有限公司 上海 200241

海上风电是未来清洁能源的发展方向，降低海上风机雷击事故的发生率，提高其抗雷击能力，是海上风电研究的重要课题。分析和介绍了海上风机的防雷系统，通过上海电气4 MW海上机组运行证明，这一防雷系统是有效和完善的，提高了机组的安全性。

电力系统；风力发电；防雷

与陆上风电场相比，海上风电场具有风资源储量大、开发效率高、环境污染小、耕地面积占用小等优点，近年来越发引起重视，正逐步成为我国新能源领域开发的亮点，发展潜力巨大，前景广阔[1]。目前的情况是：海上风机容量大且呈上升趋势，单机成本高，叶片越来越长，整机高度不断增加；海上雷雨多，无遮挡物，易受雷电袭击；风浪载荷大，交通不便，风机的建造和维护成本远高于陆上风机。以上现状对海上风机的可靠性提出了更高的要求[2]。雷击可直接对机组造成不可逆的破坏，使机组维修周期长，发电量损失大。因此，防雷系统作为风机安全防护系统之一，对保障风力发电机组的可靠性有重要作用。

海上风机防雷系统设计应根据国内和国际标准，严格划分防雷分区，针对海洋环境制定相应的防雷措施，通过接闪、引下、接地系统来进行雷电防护[3]。

1 风电机组防雷系统介绍

防雷系统的原理是为雷电流泄放提供一条低阻抗的通道，同时降低或减小雷电对电气、电子系统的损害。海上风机防雷设计应具备如下基本概念。

1.1 防雷等级

由于海上风机的维护成本十分高昂，因此根据德国船级社《海上风力发电机组认证指南第2012版规范》[4]、IEC61400-24《风力发电机组 第24部分：雷电防护》[5]、IEC62305-1《雷电防护 第1部分：总则》[6]，海上风机被设计为Ⅰ级防雷。Ⅰ级防雷的特征值见表1。

表1 Ⅰ级防雷特征值

1.2 防雷区域定义

根据IEC62305-1，防雷区域定义如下。

（1）LPZ 0A：直击雷，全部雷击电流，全部电磁场。

（2）LPZ 0B：非直击雷，全部雷击电流，全部电磁场。

（3）LPZ 1：非直击雷，有限的雷击电流，减弱的电磁场。

（4）LPZ 2：进一步减弱的雷击电流，进一步减弱的电磁场，最大电流20 kA，最大感应电压530 V。

风机被雷电直击的区域可以根据IEC62305-3《雷电防护第3部分：建筑物的实体损害和生命危险》，通过滚球法来确定[7]，如图1所示。海上风机采用最严格的Ⅰ级防雷，20 m雷电球半径进行设计。雷电球从机组表面滚过，所有能接触到的点都是潜在的雷击点，据此来进行防雷设计。

图1 外部雷击区域划分

1.3 防雷系统结构

风力发电机组的防雷系统是指雷电流通过接闪、引下，最后泄放到大地的系统。风机防雷系统是一个综合防雷系统，如图2所示。其中，外部防雷系统包括接闪器、引下线、接地装置、外部屏蔽等，内部防雷系统包括内部屏蔽、等电位连接、综合布线、电涌保护器等。

图2 风力发电机组综合防雷系统

1.4 等电位连接

等电位连接是风力发电机组防雷工作的核心，是保证雷电流通路畅通的关键。为了减小各金属设备之间的电位差，对机组的所有外露金属部分采取等电位连接措施[8]。轮毂、机舱、塔筒内建立等电位连接网络，内部主要金属构件、金属管道及线路屏蔽均应采用等电位连接，设置等电位母排。延伸到机舱、塔筒外部的电气和控制系统电路应布设在金属管道内，金属管道应与引下线系统相连，电气和控制系统电路应采取过电压保护措施。

2 海上风机机组防雷措施

防雷设计的主要准则是将雷电流阻挡在金属机舱和塔架外。

风机的一般外部雷击路线是叶片、轮毂、机舱、塔筒、大地，其中动静接合处的设计很关键，如叶片与轮毂、轮毂与机舱、机舱与塔架之间的连接。

以4 MW机组为例，介绍风力发电机组的防雷措施。

2.1 叶片

叶片防雷的本质是将雷电流从雷击点传导到轮毂。叶片有专用的防护系统进行雷电防护，包括接闪器和引下线。叶片接闪器的防雷原理为：雷电流通过叶片内部防雷导线传至叶片根部的金属法兰或者其它结构，再通过风机自身的防雷系统被引导至大地，起到约束雷电、保护叶片的作用。叶片接闪器系统的设计，应根据严格的检测和试验来确定，4 MW机组每个叶片都配有四组接闪器，每组接闪器分别安装在叶片的两边，位置分布在叶片的50%、75%、87.5%和100%处。引下线安装在叶片内部，采用柔韧的一体式金属导体，提供接闪器到轮毂间的电流通道。

2.2 轮毂

轮毂金属结构可以作为一个连接主轴的自然连接体。轮毂内部的电气及液压部件可以完全防护直击雷电流，并通过屏蔽电缆和金属面板防护感应雷电流。

2.3 变桨轴承

来自于叶片的雷电流经5个平行的电流路径传输到轮毂，包括变桨轴承、碳刷、火花间隙、液压油缸，以及位置传感器的电缆屏蔽层，其中大部分雷电流流经变桨轴承。试验证明，变桨轴承能承受雷电流而本身并无明显的损坏，碳刷可以传导约20%的峰值电流。火花间隙安装在变桨轴承的内齿圈和外齿圈之间，保证两部分之间的电压最低，只有被大型雷电击中时才会激发火花间隙。液压油缸具有一定的导电性能，并且能传导一小部分雷电流，这部分取决于轴承和液压缸的阻抗和两者之间的连接关系，由于液压软管是绝缘的，因此不会有电流流进液压系统。位置传感器的电缆屏蔽层通过的电流小于液压缸，原因是屏蔽层的直径和截面积都很小。

2.4 主轴和轴承

当雷电流沿上述路径传递到轮毂金属体后，通过轮毂与主轴法兰盘的直接连接进—步往下传导。众所周知，雷电流沿传动链传导会造成极大的破坏。为了最大限度减小传入主轴承的雷电流，在轮毂或主轴与机舱连接处安装了4个碳刷，将雷电流从轮毂直接传导至机舱架。4个碳刷按90°分布安装，在电气上属于并联，扩大了雷电流的通路。碳刷布置位置如图3所示。

图3 轮毂与机舱连接处碳刷布置示意图

2.5 机舱

机舱是一个法拉第笼，可以为内部的设备提供防护。金属材质的机舱，其本身结构件可以作为良好的自然连接体，所有突出于机舱表面的器件都受到保护，免受直击雷影响及电磁干扰。在机舱与外界的过渡部分，需要带屏蔽和电涌保护器。机舱内设备通过自然连接点和金属导体接地，消除跨步电压和接触电压。

2.6 偏航轴承

雷电流沿前述路径经机架往下传导至偏航轴承处时，仍通过带火花间隙的碳刷传导。碳刷共有3处，在偏航轴承内齿圈上120°安装，也利用了并联通路原理。机舱底座和偏航轴承之间的碳刷布置如图4所示。

图4 机舱底座与偏航轴承之间碳刷布置示意图

2.7 塔架

塔架作为一个自然连接体，提供了机舱到地的导通路径。雷电流通过塔筒及塔筒间的连接螺栓传导，同时，塔筒连接段上下法兰间跨接金属装置也可辅助传导雷电流。可见，塔基与地网连接，顺利地将雷电流导入大地。因此，良好的接地系统是保证雷电流安全入地的重要保证。

2.8 接地系统

风机配备有根据IEC62305-1和IEC61400-24设计的等电位连接与引下线系统。这个系统必须与业主提供的基础中的接地系统相连[9]。单台风机最大接地电阻建议为10 Ω。海上机组接地电阻存在优势，海水的电阻率远远低于大多数土壤。

对于单桩基础，接地很简单，塔架直接安装在底部法兰上，与海水直接相连。

对于重力基础，塔架通过M16不锈钢接地螺栓连接到混凝土基础中的铸钢板上，铸钢板底部焊接有3根400 mm长、φ10 mm不锈钢棒，每根不锈钢棒都附带铁质铠装外层，并沿底部法兰平均分布在4个位置。塔架内部金属部件都是等电位连接的，并与塔架相连。

2.9 电气系统

主回路及光纤通信回路中的电涌保护器保护电气系统免受附近雷击的影响。

信号电缆和动力电缆隔离铺设，信号电缆需带屏蔽层。所有隔离盒和接线盒都要采用金属材质，并固定在专用连接点。变压器低压侧绕组接地系统的中性点必须和风机接地系统连接。所有进出风机的电缆都使用金属封装的方式铺设，其终端连接到风机内部的浪涌保护装置上。

连接风机与电网的高压电缆需要带屏蔽，并与风机接地系统连接。

2.10 外部设备及电缆

所有风机外部设备器件都必须作防腐处理。

机舱外部配有避雷针，保护风机免受直击雷的影响。所有进入风机的电缆均带屏蔽，且进出设备时必须通过屏蔽，对感应雷形成双重防护。

2.11 雷电探测

在每台风机最关键的几个位置，如叶片根部等安装雷电探测卡，以便测定雷电流的峰值。需要注意的是，探测卡只测量雷电流的最大峰值电流。

在风机塔架底部，可以安装一个基于雷电探测的感应器。感应器与风机控制器相连接。当发生雷击时，风机不会自动停机，而是触发一个特殊的监测功能，为一次雷击事件提供一个时间标记。

3 结束语

雷电对风电机组产生的灾害是难以完全避免的，但可以在采取合理有效防雷措施的基础上，将机组的雷击灾害损失降低到最小程度，这就是风电机组防雷设计的目标[10]。海上风机防雷系统作为整机稳定运行的重要安全保障之一，必须结合海洋气候环境来设计机组的防雷措施和接地系统。针对海上的盐雾环境，对防雷、接地装置的金属结构件做必要的防腐处理，并且对电缆芯及接线端子做防腐处理，所有的电涌保护器均要通过抗盐雾试验。

另外，海上风力发电机组的设计寿命至少为20年，为保证机组的防雷系统正常工作，要定期对防雷与接地装置进行检查，主要检查的对象有：叶片接闪器、避雷装置的等电位连接、避雷系统的碳刷、各电控柜内的电涌保护器、各零部件及设备间的等电位连接导线、机组的接地电阻值等。

[1] 饶洪亮.海上风电机组防雷技术探讨[J].风能产业,2013（ 8）：26-28.

[2] 杨娅曦,曹贝贞,钟运鹏.海上风机防雷系统浅谈[C].第十一届全国风能应用技术年会暨“十二五”风能973专题研讨会，林芝，2014.

[3] 周英华,刘晶,郭廷福.海上风电机组的防雷保护[J].机电技术,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.浅谈风力发电机组的雷电防护措施[C].2014全国风电后市场专题研讨会，珠海，2014.

[9] 建筑物防雷设计规范：GB50057—2010[S].

[10]张小青.风电机组防雷与接地[M].北京：中国电力出版社,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，硕士，工程师，主要从事风力发电机组电气系统设计工作

（编辑：启 德）