海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(tǒng)淺談

文 | 田宇，楊婭曦，曹貝貞

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(tǒng)淺談

文 | 田宇，楊婭曦，曹貝貞

隨著陸上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的日益成熟，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量逐年遞增，陸上可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的風(fēng)能資源地區(qū)已經(jīng)越來越少，因此人們把目光投向了風(fēng)能資源豐富的海上。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量大且呈上升趨勢，葉片越來越長，整機(jī)高度不斷增加；而海上鹽霧腐蝕嚴(yán)重，風(fēng)浪載荷大，交通不便，風(fēng)電機(jī)組的建造和維護(hù)成本遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電機(jī)組，因此要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有更可靠的性能。雷擊可直接對機(jī)組造成不可逆的破壞，這種破壞的維修周期長，發(fā)電量損失大。因此，防雷系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組安全防護(hù)系統(tǒng)之一，對保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性有重大作用。

本文首先針對海上的特殊情況對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來的問題進(jìn)行分析，然后從葉片接閃器、機(jī)艙電磁屏蔽、軸承跨接防雷等方面的設(shè)計(jì)原理出發(fā)，論述了如何對防雷系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保障風(fēng)電機(jī)組以更穩(wěn)定、可靠的性能使用海上綠色風(fēng)能。最后對海上風(fēng)電機(jī)組防雷的一些待解決的問題進(jìn)行探討并提出了建議。

海上風(fēng)電機(jī)組所面臨的挑戰(zhàn)

與陸地環(huán)境相比，海上風(fēng)電機(jī)組所處區(qū)域更加空曠，面臨更多雷擊可能性和更嚴(yán)重的雷擊后果，相關(guān)研究表明：

（1）我國近海海域閃電平均密度是全球海洋的5倍，并且海陸交界處為閃電密度高值區(qū)。在冬季，由于雷云高度較低，更易發(fā)生雷擊。

（2）由于風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊次數(shù)與風(fēng)電機(jī)組高度的平方成正比，故海上風(fēng)電機(jī)組更易遭受雷擊。且其中破壞性更強(qiáng)的上行雷（地面-雷云）比下行雷（雷云-地面）發(fā)生的概率更高，約占總雷擊的80%。

（3）海上風(fēng)電機(jī)組同時受到海洋環(huán)境的影響。由于長期處于潮濕和高鹽環(huán)境，葉片表面集聚的潮濕鹽層，導(dǎo)致葉片閃絡(luò)放電僅為干燥時的一半，而且接閃器的接閃效率也會下降。嚴(yán)重時，可導(dǎo)致葉片斷裂、燒毀。

（4）通過對海上風(fēng)電機(jī)組雷擊暫態(tài)一體化模型的分析，發(fā)現(xiàn)海上風(fēng)電機(jī)組較低的接地電阻導(dǎo)致雷擊后的波過程更為復(fù)雜。

海上風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的防雷系統(tǒng)就是通過接閃、傳導(dǎo)、最后泄放到大地的一體化系統(tǒng)。一個完整的防雷系統(tǒng)是外部防雷和內(nèi)部防雷的總稱。外部防雷由接閃器、引下線和接地裝置等組成，用于直擊雷防護(hù)；內(nèi)部防雷由等電位連接、屏蔽、合理布線、浪涌保護(hù)器（SPD）等組成，用于減小和防止雷電流在需防護(hù)空間內(nèi)所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)。

本章節(jié)主要介紹海上風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

一、防雷等級（LPL）

同陸上風(fēng)電機(jī)組LPL確定方式不同的是，海上風(fēng)電機(jī)組防雷等級要求為等級Ⅰ。陸上風(fēng)電機(jī)組若通過雷電風(fēng)險評估可以選擇Ⅰ級以下的防雷等級，由此可見海上風(fēng)電機(jī)組對于防雷系統(tǒng)的要求更為嚴(yán)格。Ⅰ級防雷的雷擊電流參數(shù)見表1。這些參數(shù)是用以設(shè)計(jì)防雷部件（例如導(dǎo)體截面、金屬板厚度、SPD的電流能力、對危險火花的間隔距離），并在對這些部件受雷擊影響做模擬時定義其測試參數(shù)。

表1 Ⅰ級防雷雷電流特征值

表2 雷電球半徑

防雷設(shè)計(jì)工作中一個重要的工具是雷電球，各防雷等級對應(yīng)不同半徑的雷電球。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)。通過這個方法來決定接閃器的位置和定義雷電保護(hù)分區(qū)。各防雷等級雷電流半徑見表2。

海上風(fēng)電機(jī)組采用最嚴(yán)格的——半徑為20m的雷電球來探測機(jī)組潛在的雷擊點(diǎn)，并據(jù)此來進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

二、接地系統(tǒng)

防雷系統(tǒng)的本質(zhì)就是借助防雷裝置將雷電流安全地導(dǎo)入大地或?qū)⑦^電壓限制在一個安全的范圍內(nèi)來保護(hù)風(fēng)電機(jī)組本身，這都需要一個低阻的接地系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

海上風(fēng)電機(jī)組接地電阻存在優(yōu)勢，因?yàn)楹Ｋ碾娮杪蔬h(yuǎn)低于大多數(shù)土壤。因此，對于海上的地基，例如單樁或鋼筋混凝土地基，接地系統(tǒng)要求比較容易達(dá)到，并且不需要額外的措施。

但應(yīng)該注意接地電阻的測量應(yīng)使用不同于工頻（50Hz－60Hz）的低頻手段進(jìn)行測量。

三、外部防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）避雷針

避雷針作為最直觀的防雷措施，同樣應(yīng)用于海上風(fēng)電機(jī)組。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的具體尺寸，在機(jī)艙頂部布置數(shù)根避雷針，保障機(jī)艙處于LPZ0B區(qū)，不承受直接雷擊。

（二）葉片接閃器

葉片防雷一直是風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要部分。圖1為IEC61400-24推薦的葉片防雷保護(hù)方法。

圖1 葉片防雷保護(hù)方法

目前，出于性能、成本等方面的考慮，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的葉片大多為非導(dǎo)電性材料的D型葉片。通過對葉片雷電易擊點(diǎn)試驗(yàn)，90% 的損傷發(fā)生葉尖4m內(nèi)。其余的10%發(fā)生在距葉片5m－10m范圍內(nèi)。但隨著海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)組高度、葉片半徑的增加，尺寸增大帶來的各方面變化應(yīng)予以重視。 葉片長度大于45m的，建議布置1個葉尖接閃器和3對（6個）葉中接閃器，用截面積50mm2的銅導(dǎo)線作為引下線進(jìn)行連接，壓接在葉根法蘭上。

（三）法拉第電纜籠

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的罩殼同葉片一樣，也大多采用非導(dǎo)電性材料制作而成，機(jī)艙被確定為LPZ0B區(qū)。

LPZ0區(qū)（0A和0B區(qū)）和LPZ1區(qū)之間的界面可以確定為塔筒壁或機(jī)艙罩殼。如果機(jī)艙罩殼是玻璃鋼材質(zhì)的，使用金屬框架或者金屬帶將機(jī)艙覆蓋，這樣至少可以將機(jī)艙界定在0B區(qū)內(nèi)，使機(jī)艙設(shè)備不直接遭受雷擊的破壞。但要確保這些金屬框架與機(jī)架充分連接在一起。

同陸上風(fēng)電機(jī)組不同的是，海上風(fēng)電機(jī)組在罩殼內(nèi)部采用70mm2的銅芯電纜線以相互連通的敷設(shè)方式，形成了一個封閉的法拉第籠，起到電磁屏蔽的作用。并在法拉第籠上引出兩根電纜線，同金屬機(jī)架相連，沿防雷路徑引入大地。機(jī)架本身也是相互連接的工字鋼，這樣機(jī)艙整體即可定義為0B 區(qū)。圖2為法拉第籠示意圖。

電纜放置在機(jī)艙罩殼內(nèi)的電纜溝里，只有電纜連接點(diǎn)和交叉點(diǎn)用螺栓連接在表面。據(jù)Ⅰ級防雷要求，網(wǎng)格的尺寸不大于5m×5m。如圖2所示，黑色線條表示電纜。這里也使用了并聯(lián)通路的概念，將雷電流分散，減小危害能力。圖2中紅圈處顯示的是電纜與主軸處的防雷裝置連接，在電氣上保證了法拉第籠的連通。

（四）軸承處的跨接防雷

圖2 機(jī)艙內(nèi)法拉第籠示意圖

若軸承處沒有防雷保護(hù)裝置，則軸承在設(shè)計(jì)之初就必須滿足在整個使用壽命內(nèi)遭受數(shù)次雷擊而不被損壞的要求；若軸承自身不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需要間隙放電和滑動接觸等保護(hù)裝置。

關(guān)于雷電流對軸承的損壞效果,通過研究表明，雷電流會在軸承的滾珠和滾道上形成電弧的位置上造成擦傷。造成損傷的電流密度的下限值約是4kA/mm2，該限值將隨著設(shè)備的機(jī)械負(fù)載的增加而增大。低機(jī)械負(fù)載的軸承具有離散的蝕損和熔損，而高機(jī)械負(fù)載的軸承受損時則是在沿著滾道和滾珠的接觸面上呈現(xiàn)出笛狀的傷痕。在大電流時它們的特性是相似的，但被熔損材料的數(shù)量和面積都會增加。除了電流的密度和設(shè)備的負(fù)載外，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)軸承潤滑良好時損傷的數(shù)量會減少。

其他研究人員得出了另外的一組結(jié)果，他們將雷電流施加到旋轉(zhuǎn)軸承和靜止軸承上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)只有旋轉(zhuǎn)軸承受到損傷，在旋轉(zhuǎn)的軸承上電弧擊穿了滾珠和滾道之間的絕緣潤滑油，從而在擊穿點(diǎn)上造成了損傷。

重載軸承和靜止的軸承能傳輸雷電流而本身并無明顯的損壞，所以對于緩慢移動的變槳軸承和偏航軸承可能并不需要防雷保護(hù)，但強(qiáng)烈建議對于有風(fēng)險的軸承采用軟導(dǎo)線、滑動接觸器或其他類似部件將其跨接以提供一條額外的電流路徑，見圖3。

軸承處防雷裝置，實(shí)質(zhì)為旋轉(zhuǎn)到非旋轉(zhuǎn)部件的跨接傳導(dǎo)裝置，將本來從軸承中通過的雷電流改為由防雷裝置來傳導(dǎo)，這樣極大地減小了軸承滾珠、滾道被電蝕的危險，保證了軸承的安全。對于軸承處跨接的雷電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)要點(diǎn)總結(jié)如下：

（1）在每個軸承處分布有數(shù)個防雷裝置，數(shù)量根據(jù)機(jī)組防雷等級、選擇的防雷器件參數(shù)、機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)性共同決定，但必須盡量保持并聯(lián)電路的均衡性；陸上機(jī)組防雷裝置一般180均分，設(shè)置兩處；海上機(jī)組尺寸大，設(shè)置三處防雷裝置，120均分。

（2）采用間隙放電板+防靜電刷或間隙放電板+碳刷的組合方式，應(yīng)結(jié)合機(jī)組實(shí)際的機(jī)械結(jié)構(gòu)。從圖3可以看出，防靜電刷在變槳軸承這種空間相對狹小的地方是非常適用的；采用這種組合是因?yàn)殚g隙放電板在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下是高阻狀態(tài)，對于雷電流傳遞路徑來說是一個斷路，只能在雷電高壓情況下建立通路；而防靜電刷或碳刷則能時刻建立各部件間的電氣連接，保持雷電傳遞路徑的暢通。

（3）雷電流會自動流向低阻的物體，并根據(jù)它們的阻抗來分流，因此必須保證防雷裝置安裝到位，保證通路的低阻，才能順利地引導(dǎo)雷電流。

圖3 變槳軸承處雷電保護(hù)裝置

圖4 塔筒段間輔助防雷通道

（4）海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所用的防雷裝置，包括防靜電刷，間隙放電板，防雷碳刷，刷架等應(yīng)全部考慮海上的鹽霧環(huán)境，按C4環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。海上防雷碳刷與陸上型不同，不添加任何金屬材質(zhì)并加以輔助的防腐成分。防雷刷架采用黃銅鍍鎳材質(zhì)來防鹽霧腐蝕。放電間隙板和其他支架部分均采用不銹鋼材料，并進(jìn)行表面防鹽霧腐蝕處理。

（5）防靜電刷、碳刷所接觸的表面，為保證良好的導(dǎo)電性，不能進(jìn)行涂層處理。

四、塔筒連接段

全鋼制的塔筒自身是一個完美的法拉第籠，雷電流通過塔筒及塔筒段間的連接螺栓傳導(dǎo)入地。但海上風(fēng)電機(jī)組專門的防腐蝕設(shè)計(jì)，可能會造成塔筒段間雷電流通路的不順暢。因此在塔筒連接段上下法蘭間跨接金屬傳遞裝置，輔助雷電流的傳導(dǎo)。

目前，采用在塔筒連接處上下法蘭的端面上增加鍍鋅銅辮子，作為輔助防雷通道，見圖4。實(shí)驗(yàn)證明，單根銅辮子通流量可達(dá)800A，在有限的安裝空間條件下，較電纜有很大的優(yōu)勢。與陸上風(fēng)電機(jī)組比較，海上風(fēng)電機(jī)組塔筒直徑大，因此增加了均分的柔性連接器個數(shù)（每個連接處布6根銅辮子，60°均分），也相當(dāng)于增加了并聯(lián)路徑。

五、內(nèi)部防雷裝置

機(jī)艙內(nèi)法拉第電纜籠為海上風(fēng)電機(jī)組提供了一個相對良好的電磁屏蔽環(huán)境，使機(jī)組機(jī)艙所處的防雷分區(qū)與陸上風(fēng)電機(jī)組無異，內(nèi)部防雷設(shè)計(jì)僅需嚴(yán)格遵從標(biāo)準(zhǔn)來合理設(shè)計(jì)布線并選擇恰當(dāng)?shù)腟PD，因此內(nèi)部防雷主要從等電位連接選擇來優(yōu)化。

絕大多數(shù)陸上風(fēng)電機(jī)組采用金屬機(jī)架作為等電位體，機(jī)艙內(nèi)各電氣部件的接地、防雷分區(qū)跨接處SPD的接地線都直接壓接于機(jī)架處。與陸上風(fēng)電機(jī)組不同處在于，海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)架尺寸更為巨大，為了提供一個更理想的等電位連接體，更好的方式是在機(jī)架上設(shè)置一個專門的等電位母排（EBB），EBB與機(jī)架之間可靠連接，機(jī)艙內(nèi)所有的接地直接與此母排連接，保證機(jī)艙各部件良好的等電位。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒內(nèi)也有很多電氣部件，因此在塔筒底部也設(shè)計(jì)了一個專門的EBB，EBB與塔筒可靠連接，塔基所有電氣部件的接地直接與此母排連接，保證塔基各部件的等電位。最后機(jī)艙和塔筒間2個等電位母排也通過電纜相連，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的等電位。接地電纜線的規(guī)格最小選取16mm2的銅芯電纜線。實(shí)際工程中，建議選擇50mm2或70mm2的銅芯電纜線。

海上風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)尚需研究的問題

目前海上防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不成熟，實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也較少，仍有以下問題需要解決：

（1）關(guān)于雷擊演化物理機(jī)制的研究仍不完善，缺少關(guān)于機(jī)組雷電暫態(tài)過程的整體分析。

（2）海洋環(huán)境對機(jī)組性能的影響研究不夠深入。

（3）風(fēng)電機(jī)組防雷技術(shù)處于理論和實(shí)驗(yàn)室研究模擬測試階段，測試采用的多是尺寸縮小的葉片。實(shí)際中的長葉片可能會出現(xiàn)強(qiáng)度問題。

（4）缺乏葉片接閃器效率、布置優(yōu)化及葉片機(jī)械爆裂機(jī)理的系統(tǒng)理論化研究。

（5）現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組年雷擊次數(shù)計(jì)算公式存在問題，應(yīng)探討適合大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的年雷擊次數(shù)計(jì)算方法。

（6）新葉片材料的防雷性能研究，及實(shí)際應(yīng)用應(yīng)快速開展。目前已知碳纖維材料能有效增強(qiáng)復(fù)合材料的防雷性能，但其價格太高，仍需進(jìn)一步研究降低成本的方法。

（7）面對實(shí)際工程應(yīng)用，國內(nèi)海上風(fēng)電剛起步不久，雷暴對機(jī)組的損壞記錄匱乏，特別是機(jī)組內(nèi)部設(shè)備如變槳、主控等受到的雷暴損害數(shù)據(jù)較少。廠家對于機(jī)組哪些部件更容易受到雷暴損害、損害程度、故障頻率沒有數(shù)據(jù)積累，因此在設(shè)計(jì)上只能依據(jù)理論和仿真以及陸上風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)驗(yàn)，而不能提出針對海上的解決方案。

結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(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)合海洋特殊的氣候環(huán)境，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組實(shí)際的電氣、機(jī)械情況，來設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組的防雷系統(tǒng)。內(nèi)部防雷系統(tǒng)和外部防雷系統(tǒng)必須相互配合，相互統(tǒng)一。

本文結(jié)合海上特殊的環(huán)境條件和風(fēng)電機(jī)組部件的實(shí)際情況，闡述了外部防雷系統(tǒng)中避雷針、葉片接閃器、法拉第電纜籠、軸承處的跨接防雷、塔筒的防雷方案，以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部布線、等電位連接等內(nèi)部防雷措施應(yīng)用。這些設(shè)計(jì)針對海洋環(huán)境，增強(qiáng)了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(tǒng)的電流傳導(dǎo)能力及環(huán)境耐受能力，可最大限度地提高海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整套防雷系統(tǒng)的可靠性，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

（作者單位：東方電氣風(fēng)電有限公司）