第6期
机电技术
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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
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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 Ng 为 2 次/(km2·a)的海上 风场,可计算出 N 值为: N =2×2×[15×100+2×130×(15+ 100)+π×1302]×10-6 (3) =0.338(次/a) 式 (3) 针对的风机是常规的小型海上风机 , 其 所处风场的 Ng 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 50057—2010,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 μs,半值时间 T2 为 350 μs,滚球半径 hr 为 45 m[4]。
2010 年以来,在陆上风电飞速发展的同时,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组 本身或其内部设备造成损害的防护技术[2]。
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 机舱接闪带,风速仪､风向标上接闪杆直接 16 mm。 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]。
直径 W 为最宽,因而在计算 Ae 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:
2 6 Ae LW 2 H L W ) H 10
图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)
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海上风机防雷等级的确定
图1 常规风机外形图
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 [3] 机设计时应准确确定风机的防雷等级 。 风机年预计雷击次数按下式计算: N k Ng Ae (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; Ng —— 风场地区雷击大地的年平均密度 , 次/ (km ·a); Ae ——与风机截收相同雷击次数的等效面 2 积,km 。 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 为最长､叶轮的
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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｡
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机电技术
2012 年 12 月
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。
(a) 陆上叶片
2.1
叶片､ 轮毂防雷
(b) 海上叶片
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4
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。