海上风电机组雷电防护技术研究

张晓军 邱成龙 王征 王中良

摘要：海上风电机组是海上风电场发生雷电事故最多的系统部件，其防雷设计的科学性可以有效降低雷灾风险。由于海上风电机组所处的环境比较特殊，本文针对其特殊性进行研究并介绍雷电防护原理及措施。

关键词：海上风电，风电机组，雷电防护

引言

近年来随着海上风电建设能力的成熟，陆地风电陆上风电正逐步向海上转移，且海上风力发电机组的单机容量越来越大，风机、轮毂的高度一直在增高，叶轮直径也不断增大，也导致其遭受雷击的风险不断增加，一旦因雷电引发事故将会造成人员伤亡和经济损失。

1海上风电机组直击雷防护

1.1叶片防雷

叶片的防雷装置通常由接闪器和引下导体组成。传统的方法是将接闪器做成圆盘形状，嵌装在叶片的叶尖部，并使盘面与叶面平齐，圆盘形状的接闪器与叶片内部跨接叶片全长的引下导体做电气连接导通。

经研究表明，当叶片长度小于20m的叶片，可仅在叶尖设置接闪器1个;当叶片的长度达到20m并小于30m时，需在叶尖设置接闪器1个，在叶片表面的压力面和吸力面设置至少1对叶身接闪器;当叶片长度达到30m并小于45m时，需在叶尖设置接闪器1个，在叶片表面的压力面和吸力面设置至少2对叶身接闪器;当叶片长度达到或超过45m时，需叶尖设置接闪器1个，在叶片表面的压力面和吸力面安装至少3对叶身接闪器。针对海上风电机组所处环境的特殊性，可以用叶尖接闪器和叶身接闪器组成叶片的防雷系统，叶身接闪器分布在迎风面和背风面两侧，叶片防雷系统导线采用70mm²铜电缆较为安全，并要求叶身接闪器与叶片外蒙皮翼型平滑过渡，最高不超过2mm。

1.2机舱防雷

正常设置在叶片上的接闪器和引下导体，能够拦截来自机舱前方和上方的雷电下行先导，但对于机舱后部的雷电下行先导则可能无法拦截，因此，需要在机舱顶部设立接闪器。机舱顶部接闪器可以设置在机舱测风支架上，这样可以有效地保护舱尾的测风系统、航空障碍灯及机舱后部。针对海上风电机组所处环境的特殊性，建议机舱顶部的接闪器使用圆钢，并进行热浸镀锌防腐处理，接闪器与测风支架的连接处，接触面进行热浸镀锌或热喷锌防腐处理。机舱内除了需要绝缘隔离的设备外，其余所有设备均应与机舱底板作等电位连接，防止各设备和各部件之间在雷击时出现过大的暂态电位差。

1.3引下线设置及接地系统要求

叶片的引下线应使用铜或铝合金导体且规格至少50mm²。根据上海风电机组的实际情况，叶片引下线还是使用70mm²铜芯线较好，并在叶根处建议安装雷击计数器，配置能够记录雷电峰值200kA雷电流的记录卡。另外可以利用塔筒本身的金属结构作为传导雷电流的引下线。

对于整机导通性而言，海上风力发电机组从叶片接闪器到塔底接地装置，需要有良好的导通性，各连接部位过渡电阻应不大于0.24Ω。考虑到实际安装条件，单台海上风电机组的工频接地电阻不大于4Ω可满足要求，当单台海上风电机组的工频接地电阻小于10Ω时，此时应进行多机组联合接地，联合接地的工頻接地电阻应小于4Ω。

2海上风电机组雷击电磁脉冲防护

2.1屏蔽及等电位连接措施

海上风电机组设置屏蔽可以有效防范雷击电磁脉冲的不利影响。对机组外部而言，充分考虑利用机舱“骨架”和轮毂可以起到屏蔽作用或者在机舱罩和导流罩中预埋金属网格作屏蔽。对机组内部而言，线路可以利用柜体或者线槽作屏蔽，当线路跨防雷分区时，应使用屏蔽电缆。

为了减小海上风电机组各金属设备之间的电位差，对机组的所有外露金属部分，在自然连接不能保证电气传导性连续的情况下，需采取等电位连接措施。海上风电机组应进行重点等电位连接的部分主要有：机舱内各电气设备、电缆托架、轮毂内电气设备、各节塔筒法兰连接处、塔筒底部电气设备、塔筒底部变流柜支架、塔筒外设备、水冷散热器、爬梯等。

2.2电涌保护器的设置及要求

电涌保护器是防止雷击电磁脉冲的措施之一。海上风电机组首次雷击模拟雷电流为200kA ，则理论上有100kA通过接地网进行泄放，有100kA进入机组内部线路。根据上述情况，则在变流器网侧入口、机侧安装10/350µs的3P电涌保护器，每相对直击雷防护应大于33.3kA。在后续防雷区，主要包括在400V电源 、24V电源及重要的信号I/O处安装8/20µs相应耐压水平的SPD。

电涌保护器设置在电力或信号线路上，要求其插入损耗应很小。当处在纵向位置的元件阻抗非常大时，其中流过的电流和就很小，流入保护器的电流与流出保护器的电流近似相等，这就保证了保护器的存在基本上不会引起所在线路上传输工作电流的变化。同理，当处在横向位置的元件阻抗尽可能小时，由于横向元件是串入线路的，工作电流直接流过该元件所产生的压降就很小，则u2≈u，即工作电压经保护器后基本上没有发生变化，从而使保护器的存在不会对所在线路上的传输工作电压造成电压损失。

另外电涌保护器的选择还需充分考虑海洋环境的影响，必须充分考虑腐蚀情况、气候情况、环境情况、污染情况和外壳防护等级情况，确保防雷元件的特性而不易劣化，达到其设计性能指标。

结束语：海上风电机组是海上风电场的重要组成部分，同时也是发生雷电事故最多的系统部件，一旦发生问题不仅会影响政府形象，甚至对造国计民生造成重大影响。加强对海上风电机组雷电防护技术的研究，分析研判海上风电机组防雷安全风险，不断优化改进雷电防护技术，确保海上风电机组安全运行。

参考文献：

[1]GB50057-2010 建筑物防雷设计规范[S]

[2]李锐;风电机组防雷标准对比及案例分析[J];风能产业;2016年5月

[3]王瑞雄;杨红全;李滨;徐琦;海上风电场雷击特点及防雷技术措施[J];风能产业;2017年12月

[4]IEC 61400-24：2019 Wind energy generation systems - Part 24：Lightning protection [S]