●司琦

（作者單位：國電寧波風(fēng)電開發(fā)有限公司）

一、引言

近年來，風(fēng)電機組呈現(xiàn)快速發(fā)展態(tài)勢，截至2021年12月底，我國風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量達到3.3億千瓦，較2016年底實現(xiàn)翻番，是2020年底歐盟風(fēng)電總裝機的1.4倍、美國的2.6倍，已連續(xù)12年穩(wěn)居全球第一，風(fēng)電占全國電源總裝機比例約13%、發(fā)電量占全社會用電量比例約7.5%。為了更好地利用風(fēng)能，風(fēng)電機組塔筒高度不斷增高、風(fēng)輪直徑不斷增大，同時，風(fēng)電機組更廣泛的應(yīng)用于高山、沿海等氣候條件更為惡劣的地區(qū)，加大了風(fēng)電機組遭受雷電天氣影響的風(fēng)險。受雷電影響的風(fēng)電機組會造成葉片等大部件損壞，還會導(dǎo)致包括風(fēng)電機組主控在內(nèi)的弱電元器件的大量損壞，直接影響風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行，給風(fēng)電場帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，防雷保護對風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行極為重要。

本文以原有風(fēng)電機組的防雷措施為切入點，結(jié)合某風(fēng)電場風(fēng)電機組受雷電天氣影響的運行數(shù)據(jù)進行分析，找出該風(fēng)電場風(fēng)電機組防雷的薄弱點，提出具有推廣意義的風(fēng)電機組防雷保護優(yōu)化措施。和各類傳感器等，風(fēng)電機組的防雷保護措施亟待優(yōu)化，特別要關(guān)注弱電設(shè)備的防雷保護優(yōu)化。

二、某風(fēng)電場風(fēng)機受雷電天氣影響的統(tǒng)計與分析

統(tǒng)計某風(fēng)電場所在區(qū)域2017年至2020年雷電天氣出現(xiàn)次數(shù)、風(fēng)電機組故障次數(shù)、損壞部件數(shù)量及故障中損壞部件概率詳見表1。通過分析得出，某風(fēng)電場總體上每年風(fēng)電機組故障次數(shù)和損壞部件數(shù)量與雷電天氣次數(shù)均存在一定的正相比的關(guān)系，風(fēng)電機組受雷雨天氣影響較大。2017年至2020年受雷電天氣影響故障總計62次，損壞部件21個，損壞部件總體占比33.87%，說明雷雨天氣影響下風(fēng)機故障中損壞部件概率較大，會帶來較大的經(jīng)濟運營成本的支出，且損壞部件全部為弱電電氣元件，包括過震動監(jiān)測設(shè)備、主控IO模塊、塔底控制屏

表1 某風(fēng)電場風(fēng)機受雷電天氣影響統(tǒng)計表

三、風(fēng)電機組防雷設(shè)計基本情況概述

某風(fēng)電場風(fēng)電機組防雷系統(tǒng)示意圖如圖1所示，包括葉片防雷、避雷針、輪轂與機架連接、齒輪箱與發(fā)電機絕緣、齒輪箱與機架絕緣、發(fā)電機與機架絕緣、各電氣設(shè)備的接地、控制柜的屏蔽、電氣線路加裝SPD（電涌保護器）和接地系統(tǒng)等。

圖1 風(fēng)電機組防雷系統(tǒng)示意圖

（一）葉片防雷

用作風(fēng)機葉片的雷電保護系統(tǒng)的材料應(yīng)該可以承受雷擊電流引起的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)，遵循IEC62305-3標(biāo)準(zhǔn)中作為雷電接閃器和下引導(dǎo)體的銅導(dǎo)體截面積不小于50平方毫米（直徑8毫米）進行布置。

某風(fēng)電場風(fēng)電機組采用的葉片防雷設(shè)計包括鋁制的葉尖接閃器，在葉片尖部和中部各有一個接閃器。接閃器連接到葉片內(nèi)部的銅導(dǎo)體，從葉尖引至葉根法蘭。銅導(dǎo)體面積是70平方毫米，符合IEC62305-3的要求。

（二）葉片到輪轂的等電位連接

參照IEC61400-24第7章“變槳軸承和偏航軸承工作在低速狀態(tài)或者靜止?fàn)顟B(tài)，不容易受雷電流損壞，可以允許雷電流流過軸承”，風(fēng)電機組將葉片引下線連接到葉片根部法蘭，通過變槳軸承與輪轂建立等電位連接，符合IEC61400-24標(biāo)準(zhǔn)。

（三）主軸承、齒輪箱和發(fā)電機的防護

為了防止雷電流流經(jīng)主軸承、進入齒輪箱和發(fā)電機，對主軸承、齒輪箱和發(fā)電機造成損害，IEC61400-24第7章中建議在主軸與機架之間建立一條低阻抗電流通路，避免雷電電流進入主軸承、齒輪箱和發(fā)電機，并且在齒輪箱與機架間采取絕緣措施，在齒輪箱與發(fā)電機間采取絕緣措施，發(fā)電機外殼接地。

風(fēng)電機組在主軸和機架之間安裝了4個截面積為20毫米×32毫米的碳刷，分別位于風(fēng)輪接地導(dǎo)軌兩側(cè)，碳刷的銅編織線截面積為120平方毫米，將主軸和機架作等電位連接。

齒輪箱固定在機架的彈性支撐采用絕緣材料，將齒輪箱與機架絕緣。齒輪箱與發(fā)電機的聯(lián)軸器采用絕緣措施，發(fā)電機的彈性支撐也采用絕緣措施，這樣保證流經(jīng)機架的雷電流不會對齒輪箱和發(fā)電機造成影響。發(fā)電機在定、轉(zhuǎn)子還分別安裝了SPD以加強對發(fā)電機的防雷保護。

（四）氣象儀器和機艙的防護

氣象儀器（風(fēng)速儀和風(fēng)向儀）一般位于機艙后側(cè)，此區(qū)域為LPZ0A區(qū)域，可能遭受雷電直擊，必須安裝避雷針進行保護。

中國船級社在《2008風(fēng)力發(fā)電機組規(guī)范》中建議：輪轂高度60米以上的風(fēng)力發(fā)電機組的測風(fēng)傳感器應(yīng)裝設(shè)屏蔽型避雷針和相應(yīng)的外部導(dǎo)線。

風(fēng)電機組避雷針采用的材料為直徑40毫米、壁厚3毫米的鋼管，引下接地線截面積為70平方毫米，并連接到機艙座上，再通過塔筒和接地線連接大地。

（五）機架和塔筒的接地設(shè)計

雷電流到達機艙機架后，采用引下線、塔筒和接地線等將雷電流泄放到大地。各接地線均按照要求以最短距離接地；機艙底板與上段塔架之間、塔架各段之間、塔架除本身螺栓連接之外還增加了導(dǎo)體連接；最后通過接地扁鋼連接地網(wǎng)。

IEC61400-24第7章認為，偏航軸承工作在低速狀態(tài)或者靜止?fàn)顟B(tài)，不容易受雷電流損壞，可以允許雷電流流過軸承。但風(fēng)電機組在設(shè)計中在此處仍然增加了兩個接地碳刷，碳刷規(guī)格為截面積20毫米×32毫米，銅編織線截面積為120平方毫米，以更好地保護偏航軸承，在機架與塔筒間建立良好的電流通路。

（六）等電位連接

風(fēng)電機組不同防雷區(qū)等電位連接導(dǎo)體的銅導(dǎo)體截面積不小于16平方毫米，同一防雷區(qū)等電位連接導(dǎo)體的銅導(dǎo)體截面積不小于6平方毫米，符合IEC62305-3標(biāo)準(zhǔn)。

機艙內(nèi)為LPZ0B區(qū)，其中的發(fā)電機外殼至機艙座的等電位線為70平方毫米，控制柜與機架等電位接地線為6平方毫米。塔筒內(nèi)為LPZ1區(qū)，發(fā)電機中性線連接至塔筒根部接地排的為120平方毫米（定子）和95平方毫米（轉(zhuǎn)子）銅電纜，變流器接地線通過4根120平方毫米電纜或2根240平方毫米電纜接至塔筒接地排。

（七）接地系統(tǒng)

風(fēng)電機組接地阻抗按照不大于4歐姆進行設(shè)計（IEC62305-3）。風(fēng)電機組的基礎(chǔ)接地系統(tǒng)采用50毫米×5毫米扁鋼做成環(huán)形接地體，混凝土基礎(chǔ)內(nèi)300毫米有個內(nèi)環(huán)，混凝土基礎(chǔ)外1000毫米有個外環(huán)，并且在外環(huán)上共有16根直徑25毫米、長2000毫米的鋼筋作為垂直接地極打入凍土層以下。

塔筒底部內(nèi)有4根熱鍍鋅接地扁鋼，其中塔筒門右側(cè)靠近變頻器的接地扁鋼用于變頻器和箱變主電纜接地，其他3根接地扁鋼用于連接塔筒基礎(chǔ)段。將風(fēng)機塔底3根用于連接基礎(chǔ)段的接地扁鋼用M12的螺栓固定在塔架基礎(chǔ)段法蘭的接地螺栓上。

（八）電氣系統(tǒng)防護

風(fēng)電機組的控制柜用薄鋼板制成，對控制柜內(nèi)的電氣系統(tǒng)進行屏蔽，并接到等電位連接帶，為LPZ2防雷區(qū)域。風(fēng)速風(fēng)向儀采用屏蔽線，塔上控制柜與塔基控制柜的通訊線采用光纖，不受雷電感應(yīng)影響。

1.變流器

變流器通過地下電纜穿過鍍鋅鋼管連接到附近的箱式變壓器，鍍鋅鋼管起到保護屏蔽作用，線路埋入地下1米左右。變流器位于塔筒內(nèi)部，屬于LPZ1區(qū)，因此變流器內(nèi)電纜進線端為LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)分界處，在此處采用I級（B）類SPD保護。

風(fēng)電機組變流器在并網(wǎng)柜的進線端安裝有SPD。該SPD參數(shù)為UN＝400伏，最大持續(xù)工作電壓440伏（N-PE），額定放電電流In（8/20微秒）＝50千安，最大沖擊電流Iimp（10/350微秒）＝50千安/20安秒（峰值/電荷量），保護電平Up≤2.5千伏，響應(yīng)時間≤100納秒，漏電流≤0.1毫安，符合IEC61643-1∶1998-02標(biāo)準(zhǔn)。

2.變槳系統(tǒng)

變槳系統(tǒng)位于輪轂內(nèi)，處于LPZ1區(qū)，供電電源通過滑環(huán)，穿過主軸連接到機艙的變壓器處，機艙內(nèi)屬于LPZ0B區(qū)，因此，在變槳系統(tǒng)的400伏進線端采用了Ⅱ級（C）SPD進行防護。

變槳系統(tǒng)在進線端安裝有SPD，VAL-MS230ST其電氣參數(shù)為UN＝230伏，最大持續(xù)工作電壓275伏（L-N），額定放電電流In（8/20微秒）＝20千安，最大放電電流Imax（8/20微秒）＝40千安，保護電平Up≤1.35千伏，響應(yīng)時間≤25納秒，漏電流≤0.3毫安；F-MS電氣參數(shù)為UN＝230伏，最大持續(xù)工作電壓260伏，額定放電電流In（8/20微秒）＝20千安，最大放電電流Imax（8/20微秒）＝40千安，保護電平Up≤1.5千伏，響應(yīng)時間≤100納秒，漏電流≤1微安。符合IEC61643-1∶1998-02標(biāo)準(zhǔn)。

3.機艙控制柜

機艙控制柜處于LPZ0B區(qū)，由于其外殼為金屬，內(nèi)部屏蔽良好，屬于LPZ1區(qū)，其內(nèi)部的230伏電涌保護器采用Ⅱ級（C）SPD。

在主電源進線端安裝SPD。690伏/400伏進線SPD電氣參數(shù)為最大持續(xù)工作電壓600伏，額定放電電流In（8/20微秒）＝15千安，最大放電電流Imax（8/20微秒）＝30千安，保護電平Up≤2.5千伏，響應(yīng)時間≤25納秒。400伏/230伏進線SPD電氣參數(shù)為最大持續(xù)工作電壓255伏，額定放電電流In（8/20微秒）＝20千安，最大放電電流Imax（8/20微秒）＝40千安，保護電平Up≤1.5千伏，響應(yīng)時間≤100納秒，短時過電壓1200伏/200毫秒。

變槳滑環(huán)處于LPZ0B區(qū)，控制柜內(nèi)部為LPZ1區(qū)，因此，在控制柜與變槳滑環(huán)連接處安裝了SPD，電氣參數(shù)為最大持續(xù)工作電壓275伏，額定放電電流In（8/20微秒）＝20千安，最大放電電流Imax（8/20微秒）＝40千安，保護電平Up≤1.25千伏，響應(yīng)時間≤25納秒，短時過電壓335伏/5秒。

潤滑泵、加熱、插座照明等用電設(shè)備端位于LPZ0B區(qū)，控制柜內(nèi)部為LPZ1區(qū)，因此在這些設(shè)備所連接的變壓器低壓出線端采用了適合LPZ0B區(qū)的SPD。

230伏控制系統(tǒng)用電源取自主電源，雖然都是在控制柜內(nèi)部，屬于LPZ1區(qū)，仍然在控制系統(tǒng)用變壓器低壓出線端安裝SPD，與主電源進線端SPD實現(xiàn)配合，進一步限制過電壓。

風(fēng)速風(fēng)向儀除了本身外殼和連接電纜具有很厚的金屬屏蔽層，置于避雷針的保護之下，它到控制柜的信號線先接于二極管過壓保護端子，再到輸入模塊。

對于風(fēng)電機組主控模塊、輸入輸出繼電器和傳感器等使用24伏直流電源的元件，通過專用的交直流隔離變流器件供電，一定程度上可以阻止殘余過電壓的侵入。

UPS位于控制柜內(nèi)部，為LPZ1區(qū)。在UPS的輸出給塔基柜和輪轂控制系統(tǒng)用電設(shè)備處分別采用了SPD。

4.塔下控制柜

塔下控制柜位于塔筒內(nèi)部，位于LPZ1區(qū)，屬于分配電系統(tǒng)，在其一般電源進線和UPS電源進線處分別安裝Ⅱ級SPD。

四、防雷措施的優(yōu)化

結(jié)合歷年來風(fēng)電機組損壞部件的情況，不難發(fā)現(xiàn)，部分防雷保護并沒有真正的起到良好的防雷保護作用。在上述風(fēng)電機組現(xiàn)有防雷保護措施的基礎(chǔ)上，進行如下防雷保護優(yōu)化的嘗試。

（一）風(fēng)電機組葉片接閃器加裝導(dǎo)流條

原有葉片接閃器保護范圍較小，僅能保護葉片尖端0.1米的部分，加裝的導(dǎo)流條可以保護葉片葉尖約4米長度的覆蓋范圍，導(dǎo)流條原理是增加葉片表面局部形成更多的上行先導(dǎo)，當(dāng)導(dǎo)流條上的金屬片所形成的上行先導(dǎo)與雷電流形成導(dǎo)通后，以表面閃絡(luò)的形式傳導(dǎo)雷電流并引流至葉片固有接閃器，達到雷電接閃和泄放的目的，可增強葉片的接閃能力，有效提高葉片的雷電防護能力。

（二）風(fēng)輪盤接地軌道打磨工裝設(shè)計與加裝

風(fēng)輪盤接地導(dǎo)軌因長期處于沿海鹽霧較大的環(huán)境下，出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，需要將存在銹蝕的風(fēng)輪盤接地軌道進行打磨，恢復(fù)其光滑表面，使風(fēng)輪接地碳刷可靠接觸，降低接觸電阻。

人工打磨不能保證風(fēng)輪接地軌道圓弧度，將風(fēng)輪盤下塔機械加工又會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟費用。設(shè)計并裝設(shè)一種能夠依靠風(fēng)輪自身轉(zhuǎn)動，自動打磨風(fēng)輪盤接地軌道的機械裝置將可以很好解決以上問題。將合適粒度的油石安裝在支架上，支架可靠固定在風(fēng)電機組機架處，油石磨頭與風(fēng)輪接地導(dǎo)軌接觸，依靠風(fēng)輪轉(zhuǎn)動進行打磨。為保證打磨精度，油石通過恒壓簧固定在支架上，確保油石可以一直以同樣的力度打磨風(fēng)輪接地導(dǎo)軌，恢復(fù)軌道表面光滑和平整，在消除原有軌道表面腐蝕層后，測量接觸電阻符合要求后，拆除打磨工裝。

（三）機艙防雷保護優(yōu)化

該風(fēng)電場風(fēng)電機組機艙頂部安裝有避雷針對機艙內(nèi)設(shè)備進行防雷保護，但從雷電天氣風(fēng)電機組運行情況來看，防雷效果并不佳，且現(xiàn)在行業(yè)通常采用機艙罩殼內(nèi)部預(yù)埋防雷屏蔽線的做法以加強對機艙的防雷保護。

機艙罩殼內(nèi)部預(yù)埋防雷屏蔽線在已運行的風(fēng)電場現(xiàn)場施工中難以實現(xiàn)，遂在機艙內(nèi)部布設(shè)橫向和縱向的防雷屏蔽線，并將屏蔽線與機架可靠連接，將感應(yīng)雷電流經(jīng)機架釋放到大地。

（四）風(fēng)電機組接地通道各連接部分接觸電阻檢測和等電位修復(fù)

經(jīng)過多年的高濕度環(huán)境的侵蝕，風(fēng)電機組接地通道各連接部分的銅導(dǎo)體出現(xiàn)銹蝕，通過測量發(fā)現(xiàn)接觸電阻變大，導(dǎo)致雷電流不能有效釋放至大地。為有效降低發(fā)電機及塔筒連接部分的接觸電阻，提升風(fēng)電機組防雷能力，能夠快速地釋放雷電流電流，對風(fēng)電機組接地通道各連接部分的接觸電阻進行測量和等電位修復(fù)。

測量塔基與第一節(jié)塔筒連接處，1、2、3節(jié)塔筒連接處，發(fā)電機定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)接地與發(fā)電機外殼連接處等位置的接觸電阻，若接觸電阻大于0.2歐姆，需對連接處銅導(dǎo)體進行更換，并對銅導(dǎo)體連接位置進行除銹和防腐處理，處理完成后再次進行測量，直至接觸電阻小于0.2歐姆。

（五）風(fēng)電機組機艙至塔基接地電纜加裝

在機艙至塔底接地基礎(chǔ)環(huán)加裝接地電纜。接地電纜選用風(fēng)電專用可扭曲軟電纜FDEF-251×185平方毫米。將發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子側(cè)接地用35平方毫米接地線連接至機艙690伏主供電電源避雷器接地匯流排上，再由185平方毫米主接地電纜沿機艙、偏航平臺、馬鞍橋經(jīng)線槽引至塔底接地基礎(chǔ)環(huán)，各連接點均需可靠連接并確保接觸電阻合格。

（六）電氣系統(tǒng)防護優(yōu)化

1.風(fēng)電機組SPD加裝和升級改造

風(fēng)電機組變流器柜、變槳主柜、塔基柜和機艙柜僅在230伏或400伏進線端安裝有SPD，未在24伏這個電壓等級安裝SPD進行防護，部分24伏模塊供電出口僅采用交直流隔離變流器件供電，以阻止殘余過電壓的侵入。從實際防雷效果來看，24伏電氣設(shè)備受雷電影響損壞較多，防雷效果并不佳，需對24伏回路防雷保護進行升級改造。

塔基柜24伏開關(guān)電源出口目前使用的一個壓敏電阻作為保護模塊，壓敏電阻有一定的限制EMC的作用，但是不能釋放雷電電流，存在著浪涌電流入侵的風(fēng)險。本次防雷保護優(yōu)化針對該24伏開關(guān)電源出線側(cè)加裝SPD，更換為24伏直流電流專用DRM2P30FM SPD，提高弱電電氣元件的防雷保護能力。

機艙柜24伏開關(guān)電源出口、變槳主柜24伏開關(guān)電源出口均未安裝有SPD，存在雷電流電流入侵的風(fēng)險。在各24伏開關(guān)電源出口處加裝DRM2P30FM SPD。

機艙柜690伏主電源空開進線側(cè)安裝的是二級SPD VAL-MS500ST600V，升級為DBM1440FM一級SPD，以加強機艙柜整體防雷能力。

2.風(fēng)電機組塔基柜柜體接地電纜加裝

從風(fēng)電機組受雷電天氣影響產(chǎn)生的故障來看，風(fēng)電機組塔基柜內(nèi)設(shè)備故障較多。原有塔基柜通過外殼與塔筒相連接，柜體固定連接表面有設(shè)備原有油漆，未構(gòu)成可靠的接地，為改善接地效果，在風(fēng)電機組塔基柜柜體加裝30平方毫米接地線直接與接地基礎(chǔ)環(huán)連接。

五、結(jié)語

防雷保護對風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行極為重要。本文從風(fēng)電機組受雷電天氣影響的實際情況出發(fā)，對風(fēng)電機組4年的運行情況進行了詳細的統(tǒng)計，結(jié)合歷史故障數(shù)據(jù)和風(fēng)電機組自設(shè)計之處就存在的防雷系統(tǒng)薄弱點，對風(fēng)電機組的防雷系統(tǒng)進行了優(yōu)化，并已完成防雷優(yōu)化的技術(shù)改造。后續(xù)通過后評價持續(xù)完善防雷保護措施，盡量減少雷電天氣對風(fēng)電機組帶來的危害。