1、第 6 期 机电技术 77海上风电机组的防雷保护 周英华 刘 晶 郭廷福 (江苏省 (新誉 )风电装备技术研究院 ,江苏 常州 213011) 摘 要 :海上风电机组由于所处的环境特殊 ,对可靠性要求远高于陆上风电机组。而防雷与接地系统设计的是否合理 ,对机组可靠性有重大影响 ;雷击会对机组造成致命性的破坏 ,接地系统不可靠会极大的影响机组的工作稳定性。文中简要介绍了海上风机防雷与接地系统的设计原理。 关键词 :海上风电机组 ;防雷保护 ;接地 中图分类号 :TK83 TM862 文献标识码 :A 文章编号 :1672-4801(2012)06-077-04 2010 年以来 ,在陆上风电飞速
2、发展的同时 ,海上风电的发展也引起了各厂商和投资商的高度关注。海上风电机组由于其所处环境与陆上机组不同 ,而具有其特点。 由于机组的容量越来越大 ,单机成本越来越高 叶片越来越长 整机高度不断增高1;海上雷雨多 且无遮挡物 易受雷电袭击 ;维修不便 且成本高昂 ;环境恶劣 易受腐蚀 ;所以海上风电机组无论建造还是维修成本都远高于陆上风电机组 ,因而对可靠性提出更高的要求。而防雷与接地系统对风电机组的可靠性有重大的影响 ,雷击可对机组造成根本的破坏 ,设计不良的接地系统会极大的影响机组的工作稳定性。所谓风机防雷就是通过拦截 疏导 最后泄放入地的一体化系统方式 ,以防止由直击雷或感应过电压对风电机
3、组本身或其内部设备造成损害的防护技术2。 1 海上风机防雷等级的确定 海上风机虽属于一般性工业建筑物 ,但其孤立在海平面上 ,高度超过 100 m,且四周无高的建筑物 ,在海上雷雨多发的地带 ,极易遭受雷击。 在风机设计时应准确确定风机的防雷等级3。 风机年预计雷击次数按下式计算 : geNkN A (1) 式中 : N 风机年预计雷击次数 ,次 /a; k 校正系数 ,对于海上风机取 2; gN 风场地区雷击大地的年平均密度 ,次 / (km2a); eA 与风机截收相同雷击次数的等效面积 ,km2。 风机的外形是不规则的 (如图 1 所示 ),叶片所处的高度 H 为最高 机舱的长度 L 为
4、最长 叶轮的直径 W 为最宽 ,因而在计算 eA 时 ,应将风机近似为一个高为 H ,长为 L ,宽为 W 的规则几何体进行等效计算。由于风机的高度大于 100 m,周边无遮挡物 ,因而其每边的扩大宽度应按风机的高计算 ;风机的等效面积计算如下 : 262) 10eALWHLW H (2) 图 1 常规风机外形图 如对于一台叶轮直径为 100 m,塔筒高为 80 m,机舱长为 15 m的风机 ,在 gN 为 2 次 /(km2a)的海上风场 ,可计算出 N 值为 : N =2215100+2130(15+ 100)+130210-6=0.338(次 /a) (3) 式 (3)针对的风机是常规的
5、小型海上风机 ,其所处风场的 gN 是普通雷雨区的数值 ,因而该计算值能代表大多数海上风机 ,其值大于 0.25 次 /a,依据 GB 500572010,海上风机的防雷等级应归于二类。设计时取雷电流幅值 150 kA,波头时间 T1为 10 s,半值时间 T2为 350 s,滚球半径 hr为 45 m4。 2 海上风机的外部防雷 作者简介 :周英华 (1976-),男 ,讲师 ,硕士 ,研究方向 :风力发电系统控制及电网接入系统 刘晶 (1980-),男 ,工程师 ,研究方向 :风电叶片结构及模具开发 郭廷福 (1975-),男 ,工程师 ,研究方向 :风电机组结构设计及载荷计算 机电技术
6、2012 年 12 月 78 海上风机的外部防雷主要是指处于 LPZ0A区域的部件 ,这些部件都处于滚球可以袭击的部位。防直击雷主要有叶片 轮毂 机舱 风向标 风速仪等 ;防侧击雷主要有塔架 ;防回击雷主要有输出电力的电缆和传输信号的光纤。 2.1 叶片 轮毂防雷 叶片处于最高位 ,极易受雷击 ,是风机防雷的重点部件。雷电流是电流源 ,其单位能量取决于雷电流的大小 ,而发热量取决于导体的电阻和单位能量的乘积 ,电阻越大 ,则发热量越大。 当常规玻璃钢叶片遭受雷击时 ,由于玻璃钢的电阻大 ,其发热量大 ,同时玻璃钢材料中含有一定的水分 ,会导致水的气化 ,产生巨大的压力 ,从而使叶片爆裂。 图
7、2 侧击雷对叶片的影响 因而 ,叶片防雷要采用避免雷电流流过叶片的玻璃钢材料。对陆上风机常在叶尖处设置接闪器 ,在叶腔内设置导电铝条 ,雷电流将自接闪器经导电铝条流至叶根处的碳刷导入轮毂 ,而轮毂是由金属铸造而成 ,且成圆球型 ,具有较大的承载雷电流的能力 ;雷电流经轮毂流向传动系统 ,通过主轴传至机舱 ,在主轴设置金属刷将雷电流引至机舱底架的汇流排。而海上风电的叶片很长 ,且容易腐蚀 叶片易受到侧击雷的袭击 (如图 2 所示 )。因而海上风电的叶片要将叶尖处的接闪器改为不锈钢叶尖接闪器 ,增大接闪器的面积 (如图 3 所示 );同时用不锈钢丝网贴在叶片两面 ,将叶尖与叶根及叶片内的导电铝条连
8、为一导电体 ;将叶尖的雷电引导至机舱底架汇流母排 ,防止雷击叶片主体5。 2.2 机舱 风向标 风速仪防雷 海上风机机舱也易受雷击 ,对于采用常规玻璃钢材料制成的机舱 ,则必须在机舱顶部四周及尾部设置接闪带 ,如图 4 所示。接闪带围成的形状应小于 10 m10 m 或不大于 12 m8 m,接闪带应采用镀锌圆钢 ,截面积不小于 50 mm2,支柱间的距离不大于 1 m,高度不低于 10 cm,在转角处采用圆 (a) 陆上叶片 (b) 海上叶片 图 3 叶片的防雷形式 弧型过渡。机舱采用金属法拉第笼式结构 ,则金属板的厚度不得小于 4 mm,且在机舱内部沿机舱金属板设置承载电流强的导电轨。凸起
9、的风向标和风速仪支架上部必须安装接闪杆 ,接闪杆的高度必须确保 45 m 的滚球不会接触到风速仪和风向标 ,接闪杆应优先采用镀锌圆钢 ,且直径不小于 16 mm。 机舱接闪带 ,风速仪 风向标上接闪杆直接相连 ,且连接处不少于 2 处 ,采用专用的引下线引至机舱底架汇流排6。 图 4 机舱防雷示意图 2.3 塔架防雷 海上风机的塔架高度在 100 m左右 ,其必然会受到侧击雷的袭击 ;但塔架本体是由金属焊接而成 ,具有良好的疏导雷电流的能力 ,在塔架的法兰处 ,应设跨接导线 ,连接地点不少于 3 处 ,且导线能够瞬时承载 150 kA 的雷电流的能力 ,在塔架下部连接至机组接地体。 2.4 电
10、力电缆 信号光纤的防雷 机组输出电力的电缆与变电站连接 ,传输距离远 ,易受雷击。 因而电缆要进行防雷设计 ,电缆屏蔽网或铠装金属层两端都应可靠接地 ;电缆接入机组时穿金属管 ,其长度不小于 15 m,且金属管要可靠接地 ;电缆导电层与地之间设相应电压等级的避雷器。 机组 SCADA 系统用光缆传输信息 ,光缆传输第 6 期 周英华 等 :海上风电机组的防雷保护 79路径长 ,易受雷击。架空光缆采用的吊线在接头盒处采用金属压板连接结构 ;吊线每隔 2 km 进行一次接地 ,这样吊线具有架空地线的保护作用 ;埋式光缆中的金属件在接头处连通 ;中继段光缆的加强芯 防潮层 铠装层保持连通 ,加强件应
11、接地。对于无业务铜线的光缆 ,在光缆接头处防潮层 铠装层和加强芯应作电气断开处理 ,且都不接地 ,对地呈绝缘状态 ,避免光缆中感应雷电流的积累 ,避免防雷排流线和光缆金属构件对地阻抗差而导致大地中的雷电流由接地装置引入光缆7。 2.5 外部防雷的等电位联结 机舱中设 2 个汇流母排 (如图 5 所示 )。汇流母排 1主要用于汇集叶片 轮毂 机舱避雷带 接闪器的雷电流 ;当雷电流达到汇流母排 1 时 ,首先流过连接机组接地体的引下线 ,如果雷电流过大 ,则会流过接至塔架的引下线 ,从而保证汇流母排 2 上不会形成过大残压 ,可保护机舱内部器件。当塔架受到侧击雷时 ,雷电流会沿塔架流入机组接地体
12、;而机舱内部的电位可由接至机组接地体的引下线提供 ,确保机舱的较低参考电位 ,起保护作用。 对于处在塔架下部的电缆屏蔽层 金属管道 避雷器等 ,应就近接入机组的接地体。对于海上风机的防雷线应采用可靠的防腐蚀措施 ,避免腐蚀导致接触不良 ,影响防雷功能。 图 5 机舱汇流母排布置示意图 3 海上风电的内部防雷 机组内部分为电力和信号线路 ,而线路是与电气设备相连的 ,机组内部防雷主要是防止雷电流对线路和电气设备的影响。雷电流总是流过电阻最小的通道 ,一旦注入到电力和信号线路 及相连电气设备 ,都会造成损坏 ;雷电流在机组内部产生交变的磁场 ,机组内部电力和信号线路与雷电流平行的 ,会产生感应过电
13、压 ,幅值达几十千伏 ,对机组内部电力和信号线路产生影响 并造成损坏 ;雷电流会在接地体上产生残压 ,抬高地电位 从而影响机组控制系统稳定性。 3.1 防止雷电流直接注入 雷电流直接注入相关线路和设备是严重的雷击现象 ,会产生巨大的破坏。因而避免雷电流进入相关的线路和电气设备是防雷的首要任务。实现这种保护是比较容易的 ,科学的布置接闪器 接闪带 引下线 汇流排等 ,并将其可靠连接。确保雷电流能够以最短的路径流到引下线 ,如图 5 所示 ,雷电流会首先流过接至接地体的引下线 ,因为该线路最短 电阻最小 ,流至机组下部的接地体 ,从而保证雷电流不会进入其他的线路和设备。对采用接闪杆保护的风速仪 风
14、向标的信号线路应该沿着金属构件布置并且加以屏蔽 绝缘 ,以防止雷电流进入信号线路。 3.2 感应过电压的抑制 雷击产生的感应过电压会损伤机组内部的电力和信号线路 电气设备等。 这些损伤可能是潜在的 ,但在未来的运行过程中可能会引发大的故障 ;也可能是显性的 ;更重要的是会导致机组的工作的不稳定。因而感应过电压是最难防的。减少感应过电压的一般方法有 : 1) 电力和信号线路尽可能短 ,尽可能靠近金属构件 ,低压和高压电缆保证有一定安全距离。 2) 对于距离较长的控制线路 ,尽可能的采用光纤通信。 3) 塔架内自上而下的 长距离的辅助供电的线路采用屏蔽电缆 ,且两端接地 ;所有非光纤的信号线路都采
15、用屏蔽电缆 ,对于传输低频信号的屏蔽层应两端可靠接地 ,传输高频信号的 应在最靠近接地体的地方接地 ;最大限度的保证控制信号和电源的稳定性。 4) 敏感的控制线路应布置在两端固定的线槽中。 5) 机组控制器中的各电压等级的电源变压器 通信线路 ,宜采用相应电压等级的开关型浪涌保护器 以防止过电压 ;而控制器中的 24V 直流电源 I/O 模块 ,则采用限制型浪涌保护器。 3.3 抑制雷电流抬高地电位对机组控制稳定性的影响 机电技术 2012 年 12 月 80 机组接地分保护性接地和功能性接地 (见表1),每一种接地都有特定作用 ,而机组实际很难将所有的接地都分开。防雷接地是要将雷电流导入地
16、,对地电位产生很大影响 ,抬高地电位 ,影响其他地的功能 ,因而机组首先应将防雷接地单独接。如果条件允许 ,则应尽量将不同的地分开接地 ,以保证每个地少受其他地的影响。 表 1 海上风电机组的接地类型 分类 接地名称 目的 保护接地 保护接地 防雷接地 静电接地 防腐接地 保护人身安全 雷电流导入地 静电引入地 阴极保护 功能接地 工作接地 逻辑接地 信号接地 屏蔽接地 保证系统正常 获得参考电位 获得基准电位 防止电磁干扰 海上风机接地系统是一个围绕风机基础的环状导体 ,此导体布置在距风机基础一定距离的水面或淤泥下 1 m 处 ,采用 50 mm2铜导体或直径更大的铜导体 ,并确保接地体始终
17、处于水面下 ,并且采用牺牲阳极的阴极保护 (如图 6 所示 );并引出多个接地端子 ,以接不同的地。 4 总结 海上风机 ,如不能可靠的解决防雷与接地 ,将 (a) 结构示意图 (b) 防雷接地断接卡 图 6 机组接地体结构 影响进军海上风电的步伐。因为雷击是影响风机乃至整个风场安全运行的重要因素 ,而海上和陆上地区的雷电活动差异大 ,特别是我国风电机组技术都是陆上机组 ,因此必须加强对海上风电机组防雷技术的研究 ,制造出适合我国海域环境的风电机组是迫切需要的8。 参考文献 : 1 IEC/TR 61400-24,Wind turbine generator systemsS . 2 GB50
18、057- 94,建筑物防雷设计规范 S. 3 IANCOTTON,BRIAN MCNIFF,TROELS SOERENSON.Lightning protection for wind tuebines A.25th International conference on lighting protection C.Greece:Rhodes,2000,98-102. 4 宫靖远 .风电场工程手册 M.北京 :机械工业出版社 ,2004. 5 GL-Guideline for the Certification of Wind TurbinesS 6 IEC 61312-1,Protection against lightning electromagnetic impulseS. 7 赵海翔 ,王晓蓉 .风电机组的雷击机理与防雷技术 J.电网技术 ,2003,27(7):12-15. 8 Vestas风电集团 .风电场与防雷保护 J.风力发电 ,2000(1):5- 8.
