●司琦

（作者单位：国电宁波风电开发有限公司）

一、引言

近年来，风电机组呈现快速发展态势，截至2021年12月底，我国风电并网装机容量达到3.3亿千瓦，较2016年底实现翻番，是2020年底欧盟风电总装机的1.4倍、美国的2.6倍，已连续12年稳居全球第一，风电占全国电源总装机比例约13%、发电量占全社会用电量比例约7.5%。为了更好地利用风能，风电机组塔筒高度不断增高、风轮直径不断增大，同时，风电机组更广泛的应用于高山、沿海等气候条件更为恶劣的地区，加大了风电机组遭受雷电天气影响的风险。受雷电影响的风电机组会造成叶片等大部件损坏，还会导致包括风电机组主控在内的弱电元器件的大量损坏，直接影响风电场的安全稳定运行，给风电场带来巨大的经济损失。因此，防雷保护对风电机组安全稳定运行极为重要。

本文以原有风电机组的防雷措施为切入点，结合某风电场风电机组受雷电天气影响的运行数据进行分析，找出该风电场风电机组防雷的薄弱点，提出具有推广意义的风电机组防雷保护优化措施。和各类传感器等，风电机组的防雷保护措施亟待优化，特别要关注弱电设备的防雷保护优化。

二、某风电场风机受雷电天气影响的统计与分析

统计某风电场所在区域2017年至2020年雷电天气出现次数、风电机组故障次数、损坏部件数量及故障中损坏部件概率详见表1。通过分析得出，某风电场总体上每年风电机组故障次数和损坏部件数量与雷电天气次数均存在一定的正相比的关系，风电机组受雷雨天气影响较大。2017年至2020年受雷电天气影响故障总计62次，损坏部件21个，损坏部件总体占比33.87%，说明雷雨天气影响下风机故障中损坏部件概率较大，会带来较大的经济运营成本的支出，且损坏部件全部为弱电电气元件，包括过震动监测设备、主控IO模块、塔底控制屏

表1 某风电场风机受雷电天气影响统计表

三、风电机组防雷设计基本情况概述

某风电场风电机组防雷系统示意图如图1所示，包括叶片防雷、避雷针、轮毂与机架连接、齿轮箱与发电机绝缘、齿轮箱与机架绝缘、发电机与机架绝缘、各电气设备的接地、控制柜的屏蔽、电气线路加装SPD（电涌保护器）和接地系统等。

图1 风电机组防雷系统示意图

（一）叶片防雷

用作风机叶片的雷电保护系统的材料应该可以承受雷击电流引起的电效应、热效应和电动力效应，遵循IEC62305-3标准中作为雷电接闪器和下引导体的铜导体截面积不小于50平方毫米（直径8毫米）进行布置。

某风电场风电机组采用的叶片防雷设计包括铝制的叶尖接闪器，在叶片尖部和中部各有一个接闪器。接闪器连接到叶片内部的铜导体，从叶尖引至叶根法兰。铜导体面积是70平方毫米，符合IEC62305-3的要求。

（二）叶片到轮毂的等电位连接

参照IEC61400-24第7章“变桨轴承和偏航轴承工作在低速状态或者静止状态，不容易受雷电流损坏，可以允许雷电流流过轴承”，风电机组将叶片引下线连接到叶片根部法兰，通过变桨轴承与轮毂建立等电位连接，符合IEC61400-24标准。

（三）主轴承、齿轮箱和发电机的防护

为了防止雷电流流经主轴承、进入齿轮箱和发电机，对主轴承、齿轮箱和发电机造成损害，IEC61400-24第7章中建议在主轴与机架之间建立一条低阻抗电流通路，避免雷电电流进入主轴承、齿轮箱和发电机，并且在齿轮箱与机架间采取绝缘措施，在齿轮箱与发电机间采取绝缘措施，发电机外壳接地。

风电机组在主轴和机架之间安装了4个截面积为20毫米×32毫米的碳刷，分别位于风轮接地导轨两侧，碳刷的铜编织线截面积为120平方毫米，将主轴和机架作等电位连接。

齿轮箱固定在机架的弹性支撑采用绝缘材料，将齿轮箱与机架绝缘。齿轮箱与发电机的联轴器采用绝缘措施，发电机的弹性支撑也采用绝缘措施，这样保证流经机架的雷电流不会对齿轮箱和发电机造成影响。发电机在定、转子还分别安装了SPD以加强对发电机的防雷保护。

（四）气象仪器和机舱的防护

气象仪器（风速仪和风向仪）一般位于机舱后侧，此区域为LPZ0A区域，可能遭受雷电直击，必须安装避雷针进行保护。

中国船级社在《2008风力发电机组规范》中建议：轮毂高度60米以上的风力发电机组的测风传感器应装设屏蔽型避雷针和相应的外部导线。

风电机组避雷针采用的材料为直径40毫米、壁厚3毫米的钢管，引下接地线截面积为70平方毫米，并连接到机舱座上，再通过塔筒和接地线连接大地。

（五）机架和塔筒的接地设计

雷电流到达机舱机架后，采用引下线、塔筒和接地线等将雷电流泄放到大地。各接地线均按照要求以最短距离接地；机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间、塔架除本身螺栓连接之外还增加了导体连接；最后通过接地扁钢连接地网。

IEC61400-24第7章认为，偏航轴承工作在低速状态或者静止状态，不容易受雷电流损坏，可以允许雷电流流过轴承。但风电机组在设计中在此处仍然增加了两个接地碳刷，碳刷规格为截面积20毫米×32毫米，铜编织线截面积为120平方毫米，以更好地保护偏航轴承，在机架与塔筒间建立良好的电流通路。

（六）等电位连接

风电机组不同防雷区等电位连接导体的铜导体截面积不小于16平方毫米，同一防雷区等电位连接导体的铜导体截面积不小于6平方毫米，符合IEC62305-3标准。

机舱内为LPZ0B区，其中的发电机外壳至机舱座的等电位线为70平方毫米，控制柜与机架等电位接地线为6平方毫米。塔筒内为LPZ1区，发电机中性线连接至塔筒根部接地排的为120平方毫米（定子）和95平方毫米（转子）铜电缆，变流器接地线通过4根120平方毫米电缆或2根240平方毫米电缆接至塔筒接地排。

（七）接地系统

风电机组接地阻抗按照不大于4欧姆进行设计（IEC62305-3）。风电机组的基础接地系统采用50毫米×5毫米扁钢做成环形接地体，混凝土基础内300毫米有个内环，混凝土基础外1000毫米有个外环，并且在外环上共有16根直径25毫米、长2000毫米的钢筋作为垂直接地极打入冻土层以下。

塔筒底部内有4根热镀锌接地扁钢，其中塔筒门右侧靠近变频器的接地扁钢用于变频器和箱变主电缆接地，其他3根接地扁钢用于连接塔筒基础段。将风机塔底3根用于连接基础段的接地扁钢用M12的螺栓固定在塔架基础段法兰的接地螺栓上。

（八）电气系统防护

风电机组的控制柜用薄钢板制成，对控制柜内的电气系统进行屏蔽，并接到等电位连接带，为LPZ2防雷区域。风速风向仪采用屏蔽线，塔上控制柜与塔基控制柜的通讯线采用光纤，不受雷电感应影响。

1.变流器

变流器通过地下电缆穿过镀锌钢管连接到附近的箱式变压器，镀锌钢管起到保护屏蔽作用，线路埋入地下1米左右。变流器位于塔筒内部，属于LPZ1区，因此变流器内电缆进线端为LPZ0B区与LPZ1区分界处，在此处采用I级（B）类SPD保护。

风电机组变流器在并网柜的进线端安装有SPD。该SPD参数为UN＝400伏，最大持续工作电压440伏（N-PE），额定放电电流In（8/20微秒）＝50千安，最大冲击电流Iimp（10/350微秒）＝50千安/20安秒（峰值/电荷量），保护电平Up≤2.5千伏，响应时间≤100纳秒，漏电流≤0.1毫安，符合IEC61643-1∶1998-02标准。

2.变桨系统

变桨系统位于轮毂内，处于LPZ1区，供电电源通过滑环，穿过主轴连接到机舱的变压器处，机舱内属于LPZ0B区，因此，在变桨系统的400伏进线端采用了Ⅱ级（C）SPD进行防护。

变桨系统在进线端安装有SPD，VAL-MS230ST其电气参数为UN＝230伏，最大持续工作电压275伏（L-N），额定放电电流In（8/20微秒）＝20千安，最大放电电流Imax（8/20微秒）＝40千安，保护电平Up≤1.35千伏，响应时间≤25纳秒，漏电流≤0.3毫安；F-MS电气参数为UN＝230伏，最大持续工作电压260伏，额定放电电流In（8/20微秒）＝20千安，最大放电电流Imax（8/20微秒）＝40千安，保护电平Up≤1.5千伏，响应时间≤100纳秒，漏电流≤1微安。符合IEC61643-1∶1998-02标准。

3.机舱控制柜

机舱控制柜处于LPZ0B区，由于其外壳为金属，内部屏蔽良好，属于LPZ1区，其内部的230伏电涌保护器采用Ⅱ级（C）SPD。

在主电源进线端安装SPD。690伏/400伏进线SPD电气参数为最大持续工作电压600伏，额定放电电流In（8/20微秒）＝15千安，最大放电电流Imax（8/20微秒）＝30千安，保护电平Up≤2.5千伏，响应时间≤25纳秒。400伏/230伏进线SPD电气参数为最大持续工作电压255伏，额定放电电流In（8/20微秒）＝20千安，最大放电电流Imax（8/20微秒）＝40千安，保护电平Up≤1.5千伏，响应时间≤100纳秒，短时过电压1200伏/200毫秒。

变桨滑环处于LPZ0B区，控制柜内部为LPZ1区，因此，在控制柜与变桨滑环连接处安装了SPD，电气参数为最大持续工作电压275伏，额定放电电流In（8/20微秒）＝20千安，最大放电电流Imax（8/20微秒）＝40千安，保护电平Up≤1.25千伏，响应时间≤25纳秒，短时过电压335伏/5秒。

润滑泵、加热、插座照明等用电设备端位于LPZ0B区，控制柜内部为LPZ1区，因此在这些设备所连接的变压器低压出线端采用了适合LPZ0B区的SPD。

230伏控制系统用电源取自主电源，虽然都是在控制柜内部，属于LPZ1区，仍然在控制系统用变压器低压出线端安装SPD，与主电源进线端SPD实现配合，进一步限制过电压。

风速风向仪除了本身外壳和连接电缆具有很厚的金属屏蔽层，置于避雷针的保护之下，它到控制柜的信号线先接于二极管过压保护端子，再到输入模块。

对于风电机组主控模块、输入输出继电器和传感器等使用24伏直流电源的元件，通过专用的交直流隔离变流器件供电，一定程度上可以阻止残余过电压的侵入。

UPS位于控制柜内部，为LPZ1区。在UPS的输出给塔基柜和轮毂控制系统用电设备处分别采用了SPD。

4.塔下控制柜

塔下控制柜位于塔筒内部，位于LPZ1区，属于分配电系统，在其一般电源进线和UPS电源进线处分别安装Ⅱ级SPD。

四、防雷措施的优化

结合历年来风电机组损坏部件的情况，不难发现，部分防雷保护并没有真正的起到良好的防雷保护作用。在上述风电机组现有防雷保护措施的基础上，进行如下防雷保护优化的尝试。

（一）风电机组叶片接闪器加装导流条

原有叶片接闪器保护范围较小，仅能保护叶片尖端0.1米的部分，加装的导流条可以保护叶片叶尖约4米长度的覆盖范围，导流条原理是增加叶片表面局部形成更多的上行先导，当导流条上的金属片所形成的上行先导与雷电流形成导通后，以表面闪络的形式传导雷电流并引流至叶片固有接闪器，达到雷电接闪和泄放的目的，可增强叶片的接闪能力，有效提高叶片的雷电防护能力。

（二）风轮盘接地轨道打磨工装设计与加装

风轮盘接地导轨因长期处于沿海盐雾较大的环境下，出现了不同程度的腐蚀，需要将存在锈蚀的风轮盘接地轨道进行打磨，恢复其光滑表面，使风轮接地碳刷可靠接触，降低接触电阻。

人工打磨不能保证风轮接地轨道圆弧度，将风轮盘下塔机械加工又会产生巨大的经济费用。设计并装设一种能够依靠风轮自身转动，自动打磨风轮盘接地轨道的机械装置将可以很好解决以上问题。将合适粒度的油石安装在支架上，支架可靠固定在风电机组机架处，油石磨头与风轮接地导轨接触，依靠风轮转动进行打磨。为保证打磨精度，油石通过恒压簧固定在支架上，确保油石可以一直以同样的力度打磨风轮接地导轨，恢复轨道表面光滑和平整，在消除原有轨道表面腐蚀层后，测量接触电阻符合要求后，拆除打磨工装。

（三）机舱防雷保护优化

该风电场风电机组机舱顶部安装有避雷针对机舱内设备进行防雷保护，但从雷电天气风电机组运行情况来看，防雷效果并不佳，且现在行业通常采用机舱罩壳内部预埋防雷屏蔽线的做法以加强对机舱的防雷保护。

机舱罩壳内部预埋防雷屏蔽线在已运行的风电场现场施工中难以实现，遂在机舱内部布设横向和纵向的防雷屏蔽线，并将屏蔽线与机架可靠连接，将感应雷电流经机架释放到大地。

（四）风电机组接地通道各连接部分接触电阻检测和等电位修复

经过多年的高湿度环境的侵蚀，风电机组接地通道各连接部分的铜导体出现锈蚀，通过测量发现接触电阻变大，导致雷电流不能有效释放至大地。为有效降低发电机及塔筒连接部分的接触电阻，提升风电机组防雷能力，能够快速地释放雷电流电流，对风电机组接地通道各连接部分的接触电阻进行测量和等电位修复。

测量塔基与第一节塔筒连接处，1、2、3节塔筒连接处，发电机定子侧、转子侧接地与发电机外壳连接处等位置的接触电阻，若接触电阻大于0.2欧姆，需对连接处铜导体进行更换，并对铜导体连接位置进行除锈和防腐处理，处理完成后再次进行测量，直至接触电阻小于0.2欧姆。

（五）风电机组机舱至塔基接地电缆加装

在机舱至塔底接地基础环加装接地电缆。接地电缆选用风电专用可扭曲软电缆FDEF-251×185平方毫米。将发电机定子、转子侧接地用35平方毫米接地线连接至机舱690伏主供电电源避雷器接地汇流排上，再由185平方毫米主接地电缆沿机舱、偏航平台、马鞍桥经线槽引至塔底接地基础环，各连接点均需可靠连接并确保接触电阻合格。

（六）电气系统防护优化

1.风电机组SPD加装和升级改造

风电机组变流器柜、变桨主柜、塔基柜和机舱柜仅在230伏或400伏进线端安装有SPD，未在24伏这个电压等级安装SPD进行防护，部分24伏模块供电出口仅采用交直流隔离变流器件供电，以阻止残余过电压的侵入。从实际防雷效果来看，24伏电气设备受雷电影响损坏较多，防雷效果并不佳，需对24伏回路防雷保护进行升级改造。

塔基柜24伏开关电源出口目前使用的一个压敏电阻作为保护模块，压敏电阻有一定的限制EMC的作用，但是不能释放雷电电流，存在着浪涌电流入侵的风险。本次防雷保护优化针对该24伏开关电源出线侧加装SPD，更换为24伏直流电流专用DRM2P30FM SPD，提高弱电电气元件的防雷保护能力。

机舱柜24伏开关电源出口、变桨主柜24伏开关电源出口均未安装有SPD，存在雷电流电流入侵的风险。在各24伏开关电源出口处加装DRM2P30FM SPD。

机舱柜690伏主电源空开进线侧安装的是二级SPD VAL-MS500ST600V，升级为DBM1440FM一级SPD，以加强机舱柜整体防雷能力。

2.风电机组塔基柜柜体接地电缆加装

从风电机组受雷电天气影响产生的故障来看，风电机组塔基柜内设备故障较多。原有塔基柜通过外壳与塔筒相连接，柜体固定连接表面有设备原有油漆，未构成可靠的接地，为改善接地效果，在风电机组塔基柜柜体加装30平方毫米接地线直接与接地基础环连接。

五、结语

防雷保护对风电机组安全稳定运行极为重要。本文从风电机组受雷电天气影响的实际情况出发，对风电机组4年的运行情况进行了详细的统计，结合历史故障数据和风电机组自设计之处就存在的防雷系统薄弱点，对风电机组的防雷系统进行了优化，并已完成防雷优化的技术改造。后续通过后评价持续完善防雷保护措施，尽量减少雷电天气对风电机组带来的危害。