文 | 田宇，杨娅曦，曹贝贞

海上风力发电机组防雷系统浅谈

文 | 田宇，杨娅曦，曹贝贞

随着陆上风力发电技术发展的日益成熟，风力发电机组的装机容量逐年递增，陆上可经济开发的风能资源地区已经越来越少，因此人们把目光投向了风能资源丰富的海上。海上风力发电机组单机容量大且呈上升趋势，叶片越来越长，整机高度不断增加；而海上盐雾腐蚀严重，风浪载荷大，交通不便，风电机组的建造和维护成本远高于陆上风电机组，因此要求风力发电机组具有更可靠的性能。雷击可直接对机组造成不可逆的破坏，这种破坏的维修周期长，发电量损失大。因此，防雷系统作为风电机组安全防护系统之一，对保障风力发电机组的可靠性有重大作用。

本文首先针对海上的特殊情况对风力发电机组带来的问题进行分析，然后从叶片接闪器、机舱电磁屏蔽、轴承跨接防雷等方面的设计原理出发，论述了如何对防雷系统进行设计，从而保障风电机组以更稳定、可靠的性能使用海上绿色风能。最后对海上风电机组防雷的一些待解决的问题进行探讨并提出了建议。

海上风电机组所面临的挑战

与陆地环境相比，海上风电机组所处区域更加空旷，面临更多雷击可能性和更严重的雷击后果，相关研究表明：

（1）我国近海海域闪电平均密度是全球海洋的5倍，并且海陆交界处为闪电密度高值区。在冬季，由于雷云高度较低，更易发生雷击。

（2）由于风电机组遭受雷击次数与风电机组高度的平方成正比，故海上风电机组更易遭受雷击。且其中破坏性更强的上行雷（地面-雷云）比下行雷（雷云-地面）发生的概率更高，约占总雷击的80%。

（3）海上风电机组同时受到海洋环境的影响。由于长期处于潮湿和高盐环境，叶片表面集聚的潮湿盐层，导致叶片闪络放电仅为干燥时的一半，而且接闪器的接闪效率也会下降。严重时，可导致叶片断裂、烧毁。

（4）通过对海上风电机组雷击暂态一体化模型的分析，发现海上风电机组较低的接地电阻导致雷击后的波过程更为复杂。

海上风电机组防雷系统的工程设计

风力发电机组的防雷系统就是通过接闪、传导、最后泄放到大地的一体化系统。一个完整的防雷系统是外部防雷和内部防雷的总称。外部防雷由接闪器、引下线和接地装置等组成，用于直击雷防护；内部防雷由等电位连接、屏蔽、合理布线、浪涌保护器（SPD）等组成，用于减小和防止雷电流在需防护空间内所产生的电磁效应。

本章节主要介绍海上风电机组防雷系统设计要点。

一、防雷等级（LPL）

同陆上风电机组LPL确定方式不同的是，海上风电机组防雷等级要求为等级Ⅰ。陆上风电机组若通过雷电风险评估可以选择Ⅰ级以下的防雷等级，由此可见海上风电机组对于防雷系统的要求更为严格。Ⅰ级防雷的雷击电流参数见表1。这些参数是用以设计防雷部件（例如导体截面、金属板厚度、SPD的电流能力、对危险火花的间隔距离），并在对这些部件受雷击影响做模拟时定义其测试参数。

表1 Ⅰ级防雷雷电流特征值

表2 雷电球半径

防雷设计工作中一个重要的工具是雷电球，各防雷等级对应不同半径的雷电球。雷电球从机组表面滚过，所有能接触到的点都是潜在的雷击点。通过这个方法来决定接闪器的位置和定义雷电保护分区。各防雷等级雷电流半径见表2。

海上风电机组采用最严格的——半径为20m的雷电球来探测机组潜在的雷击点，并据此来进行防雷设计。

二、接地系统

防雷系统的本质就是借助防雷装置将雷电流安全地导入大地或将过电压限制在一个安全的范围内来保护风电机组本身，这都需要一个低阻的接地系统来实现。

海上风电机组接地电阻存在优势，因为海水的电阻率远低于大多数土壤。因此，对于海上的地基，例如单桩或钢筋混凝土地基，接地系统要求比较容易达到，并且不需要额外的措施。

但应该注意接地电阻的测量应使用不同于工频（50Hz－60Hz）的低频手段进行测量。

三、外部防雷系统设计

（一）避雷针

避雷针作为最直观的防雷措施，同样应用于海上风电机组。根据风电机组的具体尺寸，在机舱顶部布置数根避雷针，保障机舱处于LPZ0B区，不承受直接雷击。

（二）叶片接闪器

叶片防雷一直是风电机组防雷系统设计的一个重要部分。图1为IEC61400-24推荐的叶片防雷保护方法。

图1 叶片防雷保护方法

目前，出于性能、成本等方面的考虑，风力发电机组采用的叶片大多为非导电性材料的D型叶片。通过对叶片雷电易击点试验，90% 的损伤发生叶尖4m内。其余的10%发生在距叶片5m－10m范围内。但随着海上风电机组机组高度、叶片半径的增加，尺寸增大带来的各方面变化应予以重视。 叶片长度大于45m的，建议布置1个叶尖接闪器和3对（6个）叶中接闪器，用截面积50mm2的铜导线作为引下线进行连接，压接在叶根法兰上。

（三）法拉第电缆笼

风力发电机组的罩壳同叶片一样，也大多采用非导电性材料制作而成，机舱被确定为LPZ0B区。

LPZ0区（0A和0B区）和LPZ1区之间的界面可以确定为塔筒壁或机舱罩壳。如果机舱罩壳是玻璃钢材质的，使用金属框架或者金属带将机舱覆盖，这样至少可以将机舱界定在0B区内，使机舱设备不直接遭受雷击的破坏。但要确保这些金属框架与机架充分连接在一起。

同陆上风电机组不同的是，海上风电机组在罩壳内部采用70mm2的铜芯电缆线以相互连通的敷设方式，形成了一个封闭的法拉第笼，起到电磁屏蔽的作用。并在法拉第笼上引出两根电缆线，同金属机架相连，沿防雷路径引入大地。机架本身也是相互连接的工字钢，这样机舱整体即可定义为0B 区。图2为法拉第笼示意图。

电缆放置在机舱罩壳内的电缆沟里，只有电缆连接点和交叉点用螺栓连接在表面。据Ⅰ级防雷要求，网格的尺寸不大于5m×5m。如图2所示，黑色线条表示电缆。这里也使用了并联通路的概念，将雷电流分散，减小危害能力。图2中红圈处显示的是电缆与主轴处的防雷装置连接，在电气上保证了法拉第笼的连通。

（四）轴承处的跨接防雷

图2 机舱内法拉第笼示意图

若轴承处没有防雷保护装置，则轴承在设计之初就必须满足在整个使用寿命内遭受数次雷击而不被损坏的要求；若轴承自身不能满足设计要求，则需要间隙放电和滑动接触等保护装置。

关于雷电流对轴承的损坏效果,通过研究表明，雷电流会在轴承的滚珠和滚道上形成电弧的位置上造成擦伤。造成损伤的电流密度的下限值约是4kA/mm2，该限值将随着设备的机械负载的增加而增大。低机械负载的轴承具有离散的蚀损和熔损，而高机械负载的轴承受损时则是在沿着滚道和滚珠的接触面上呈现出笛状的伤痕。在大电流时它们的特性是相似的，但被熔损材料的数量和面积都会增加。除了电流的密度和设备的负载外，还发现当轴承润滑良好时损伤的数量会减少。

其他研究人员得出了另外的一组结果，他们将雷电流施加到旋转轴承和静止轴承上，结果发现只有旋转轴承受到损伤，在旋转的轴承上电弧击穿了滚珠和滚道之间的绝缘润滑油，从而在击穿点上造成了损伤。

重载轴承和静止的轴承能传输雷电流而本身并无明显的损坏，所以对于缓慢移动的变桨轴承和偏航轴承可能并不需要防雷保护，但强烈建议对于有风险的轴承采用软导线、滑动接触器或其他类似部件将其跨接以提供一条额外的电流路径，见图3。

轴承处防雷装置，实质为旋转到非旋转部件的跨接传导装置，将本来从轴承中通过的雷电流改为由防雷装置来传导，这样极大地减小了轴承滚珠、滚道被电蚀的危险，保证了轴承的安全。对于轴承处跨接的雷电保护装置设计要点总结如下：

（1）在每个轴承处分布有数个防雷装置，数量根据机组防雷等级、选择的防雷器件参数、机组机械结构、经济性共同决定，但必须尽量保持并联电路的均衡性；陆上机组防雷装置一般180均分，设置两处；海上机组尺寸大，设置三处防雷装置，120均分。

（2）采用间隙放电板+防静电刷或间隙放电板+碳刷的组合方式，应结合机组实际的机械结构。从图3可以看出，防静电刷在变桨轴承这种空间相对狭小的地方是非常适用的；采用这种组合是因为间隙放电板在机组正常运行状态下是高阻状态，对于雷电流传递路径来说是一个断路，只能在雷电高压情况下建立通路；而防静电刷或碳刷则能时刻建立各部件间的电气连接，保持雷电传递路径的畅通。

（3）雷电流会自动流向低阻的物体，并根据它们的阻抗来分流，因此必须保证防雷装置安装到位，保证通路的低阻，才能顺利地引导雷电流。

图3 变桨轴承处雷电保护装置

图4 塔筒段间辅助防雷通道

（4）海上风力发电机组所用的防雷装置，包括防静电刷，间隙放电板，防雷碳刷，刷架等应全部考虑海上的盐雾环境，按C4环境条件进行设计。海上防雷碳刷与陆上型不同，不添加任何金属材质并加以辅助的防腐成分。防雷刷架采用黄铜镀镍材质来防盐雾腐蚀。放电间隙板和其他支架部分均采用不锈钢材料，并进行表面防盐雾腐蚀处理。

（5）防静电刷、碳刷所接触的表面，为保证良好的导电性，不能进行涂层处理。

四、塔筒连接段

全钢制的塔筒自身是一个完美的法拉第笼，雷电流通过塔筒及塔筒段间的连接螺栓传导入地。但海上风电机组专门的防腐蚀设计，可能会造成塔筒段间雷电流通路的不顺畅。因此在塔筒连接段上下法兰间跨接金属传递装置，辅助雷电流的传导。

目前，采用在塔筒连接处上下法兰的端面上增加镀锌铜辫子，作为辅助防雷通道，见图4。实验证明，单根铜辫子通流量可达800A，在有限的安装空间条件下，较电缆有很大的优势。与陆上风电机组比较，海上风电机组塔筒直径大，因此增加了均分的柔性连接器个数（每个连接处布6根铜辫子，60°均分），也相当于增加了并联路径。

五、内部防雷装置

机舱内法拉第电缆笼为海上风电机组提供了一个相对良好的电磁屏蔽环境，使机组机舱所处的防雷分区与陆上风电机组无异，内部防雷设计仅需严格遵从标准来合理设计布线并选择恰当的SPD，因此内部防雷主要从等电位连接选择来优化。

绝大多数陆上风电机组采用金属机架作为等电位体，机舱内各电气部件的接地、防雷分区跨接处SPD的接地线都直接压接于机架处。与陆上风电机组不同处在于，海上风电机组机架尺寸更为巨大，为了提供一个更理想的等电位连接体，更好的方式是在机架上设置一个专门的等电位母排（EBB），EBB与机架之间可靠连接，机舱内所有的接地直接与此母排连接，保证机舱各部件良好的等电位。

海上风力发电机组塔筒内也有很多电气部件，因此在塔筒底部也设计了一个专门的EBB，EBB与塔筒可靠连接，塔基所有电气部件的接地直接与此母排连接，保证塔基各部件的等电位。最后机舱和塔筒间2个等电位母排也通过电缆相连，实现了整机的等电位。接地电缆线的规格最小选取16mm2的铜芯电缆线。实际工程中，建议选择50mm2或70mm2的铜芯电缆线。

海上风电机组防雷系统尚需研究的问题

目前海上防雷系统设计并不成熟，实际运行经验也较少，仍有以下问题需要解决：

（1）关于雷击演化物理机制的研究仍不完善，缺少关于机组雷电暂态过程的整体分析。

（2）海洋环境对机组性能的影响研究不够深入。

（3）风电机组防雷技术处于理论和实验室研究模拟测试阶段，测试采用的多是尺寸缩小的叶片。实际中的长叶片可能会出现强度问题。

（4）缺乏叶片接闪器效率、布置优化及叶片机械爆裂机理的系统理论化研究。

（5）现有风电机组年雷击次数计算公式存在问题，应探讨适合大型风力发电机组的年雷击次数计算方法。

（6）新叶片材料的防雷性能研究，及实际应用应快速开展。目前已知碳纤维材料能有效增强复合材料的防雷性能，但其价格太高，仍需进一步研究降低成本的方法。

（7）面对实际工程应用，国内海上风电刚起步不久，雷暴对机组的损坏记录匮乏，特别是机组内部设备如变桨、主控等受到的雷暴损害数据较少。厂家对于机组哪些部件更容易受到雷暴损害、损害程度、故障频率没有数据积累，因此在设计上只能依据理论和仿真以及陆上风电机组的经验，而不能提出针对海上的解决方案。

结语

海上风力发电机组防雷系统作为整机稳定运行的重要安全保障之一，必须结合海洋特殊的气候环境，结合风电机组实际的电气、机械情况，来设计风电机组的防雷系统。内部防雷系统和外部防雷系统必须相互配合，相互统一。

本文结合海上特殊的环境条件和风电机组部件的实际情况，阐述了外部防雷系统中避雷针、叶片接闪器、法拉第电缆笼、轴承处的跨接防雷、塔筒的防雷方案，以及风力发电机组内部布线、等电位连接等内部防雷措施应用。这些设计针对海洋环境，增强了风力发电机组防雷系统的电流传导能力及环境耐受能力，可最大限度地提高海上风力发电机组的整套防雷系统的可靠性，保证机组安全运行。

（作者单位：东方电气风电有限公司）