張曉軍 邱成龍 王征 王中良

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

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電，風(fēng)電機組，雷電防護

引言

近年來隨著海上風(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)電機組的單機容量越來越大，風(fēng)機、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)險不斷增加，一旦因雷電引發(fā)事故將會造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。

1海上風(fēng)電機組直擊雷防護

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形狀，嵌裝在葉片的葉尖部，并使盤面與葉面平齊，圓盤形狀的接閃器與葉片內(nèi)部跨接葉片全長的引下導(dǎo)體做電氣連接導(dǎo)通。

經(jīng)研究表明，當葉片長度小于20m的葉片，可僅在葉尖設(shè)置接閃器1個;當葉片的長度達到20m并小于30m時，需在葉尖設(shè)置接閃器1個，在葉片表面的壓力面和吸力面設(shè)置至少1對葉身接閃器;當葉片長度達到30m并小于45m時，需在葉尖設(shè)置接閃器1個，在葉片表面的壓力面和吸力面設(shè)置至少2對葉身接閃器;當葉片長度達到或超過45m時，需葉尖設(shè)置接閃器1個，在葉片表面的壓力面和吸力面安裝至少3對葉身接閃器。針對海上風(fēng)電機組所處環(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渡，最高不超過2mm。

1.2機艙防雷

正常設(shè)置在葉片上的接閃器和引下導(dǎo)體，能夠攔截來自機艙前方和上方的雷電下行先導(dǎo)，但對于機艙后部的雷電下行先導(dǎo)則可能無法攔截，因此，需要在機艙頂部設(shè)立接閃器。機艙頂部接閃器可以設(shè)置在機艙測風(fēng)支架上，這樣可以有效地保護艙尾的測風(fēng)系統(tǒng)、航空障礙燈及機艙后部。針對海上風(fēng)電機組所處環(huán)境的特殊性，建議機艙頂部的接閃器使用圓鋼，并進行熱浸鍍鋅防腐處理，接閃器與測風(fēng)支架的連接處，接觸面進行熱浸鍍鋅或熱噴鋅防腐處理。機艙內(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出現(xiàn)過大的暫態(tài)電位差。

1.3引下線設(shè)置及接地系統(tǒng)要求

葉片的引下線應(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)電機組的實際情況，葉片引下線還是使用70mm2銅芯線較好，并在葉根處建議安裝雷擊計數(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。

對于整機導(dǎo)通性而言，海上風(fēng)力發(fā)電機組從葉片接閃器到塔底接地裝置，需要有良好的導(dǎo)通性，各連接部位過渡電阻應(yīng)不大于0.24Ω?？紤]到實際安裝條件，單臺海上風(fēng)電機組的工頻接地電阻不大于4Ω可滿足要求，當單臺海上風(fēng)電機組的工頻接地電阻小于10Ω時，此時應(yīng)進行多機組聯(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)電機組雷擊電磁脈沖防護

2.1屏蔽及等電位連接措施

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

為了減小海上風(fēng)電機組各金屬設(shè)備之間的電位差，對機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)電機組應(yīng)進行重點等電位連接的部分主要有：機艙內(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電涌保護器的設(shè)置及要求

電涌保護器是防止雷擊電磁脈沖的措施之一。海上風(fēng)電機組首次雷擊模擬雷電流為200kA ，則理論上有100kA通過接地網(wǎng)進行泄放，有100kA進入機組內(nèi)部線路。根據(jù)上述情況，則在變流器網(wǎng)側(cè)入口、機側(cè)安裝10/350μs的3P電涌保護器，每相對直擊雷防護應(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I/O處安裝8/20μs相應(yīng)耐壓水平的SPD。

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

另外電涌保護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等級情況，確保防雷元件的特性而不易劣化，達到其設(shè)計性能指標。

結(jié)束語：海上風(fēng)電機組是海上風(fēng)電場的重要組成部分，同時也是發(fā)生雷電事故最多的系統(tǒng)部件，一旦發(fā)生問題不僅會影響政府形象，甚至對造國計民生造成重大影響。加強對海上風(fēng)電機組雷電防護技術(shù)的研究，分析研判海上風(fēng)電機組防雷安全風(fēng)險，不斷優(yōu)化改進雷電防護技術(shù)，確保海上風(fēng)電機組安全運行。

參考文獻：

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