对海上风电机组的防雷设计外文翻译资料

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对海上风电机组的防雷设计

T. Sorensen , F. V. Jensen , N. Raben , J. Lykkegaard and J. Saxov

1 绪论

随着新风机规模和功率的不断增加，风力发电正成为电能的重要来源。 因此，将风力发电机如其他电力系统那样进行保护，并符合电力行业使用的可靠性和安全性标准，以达到可接受的运行可靠性水平是很重要的。 本文介绍了海上风电机组防雷保护项目的观测结果。 目的是提出适当的防雷方案，确保丹麦海上风机的防雷技术达到足够高的水平，并据此为主要风机制造商提供防雷技术支持。

2 研究背景

2.1 丹麦风电的发展情况

丹麦安装的风机数量在过去的十年中急剧增加，到2000年中期总共有6000台风机，装机容量超过2000兆瓦，约占全年电能消耗的12％。 同时，普通系列风力发电机组的规模已经从200千瓦、45米高发展到今天的2兆瓦、110米高。

此外，丹麦电力公司Elsam，Eltra和Elkraft正在建立6个大型海上风电场。其中最早同时也是最小的海上风电场 Middelgrunden已于2000年在哥本哈根港口建立，其装机容量为40MW（由20台2MW风机构成。而其他5个风力发电场装机容量分别为150-160兆瓦并于2002年至2008年期间建造完成。 因此，风力发电所产电能占消耗电能的大部分，甚至在不久的将来其占比会变得更大。

图1 丹麦海上风电场分布图

风力发电作为电能的主要产生方式，其重要性日益增加。同时，与在陆上使用风力发电机所见到的情况相比，海上风电机组需要更加系统和专业的雷电防护方法。

2.2雷击风险

由于风力发电机优先安置在高且风力大的位置来获得更多的风能，所以它们也承受相对较高的雷击风险。同样，在海上风电场这个特殊地点，预计雷击的风险也相对较高。

评估雷击风险的常用方法对于这些地点可能不是很准确，但通常认为雷击对象的风险与高度的平方成正比。 就风力发电机而言，这意味着与几年前典型的45米风力发电机相比，现代110米高的风力发电机组遭受雷击的概率要高出6倍以上。

在丹麦，闪电发生率相对较低（每年每平方公里发生0.2至0.5次闪电）。从主要运营商的报告中可以看出，使用较长和规模较小的风力发电机年平均被雷击损坏的概率为4%。 其中大约三分之一的损失是由直接击中造成的，而另外三分之二是由闪电击中公共电源或通信网络引起的瞬态效应造成的。

从实际角度来说，这表明老式风力发电机不太可能遭受直击雷，每75年才会被直击雷击中，但预计110米高的风力发电机在组在其使用年限中将会遭受数次雷击。因此，雷击风险所造成的损失是显而易见的。特别是考虑到与陆上风电机组相比，海上风机的生产和维修成本较高时，大型风力发电机必须进行有效的防雷保护。

2.3损失统计

风力发电机的雷击故障数量显然取决于雷暴的发生频率。 图2统计了自1985年以来每100台风机报告的损失数量和每年的雷暴天数，从中可以明显地看到，除了后面几年，风机受损次数与雷暴发生次数之间明显存在强烈的相关性。导致后几年这种差异的原因至少有三个。 首先，新型风力发电机的防雷保护功能得到了改善，特别是在1995年开发了防护罩以后。 其次，即使略高于平均值，但这几年（特别是1999年）的闪电次数相对较少。 第三，风力发电机的运营商在后几年开始不愿提交损害报告。^[3]

图2 每年雷暴天数与每年每100台风机的雷电故障数量

德国和瑞典也提供了类似的统计数据。^[2]在德国，1991 - 1998年的统计数据表明，南部山区年均14％的风力发电机被雷电破坏，北部平坦地区为7.4％，北部的沿海地区则为5.6％。德国的统计数据还表明，所有雷击故障的70％是由间接雷击引起的（即通常雷击公共通信或电力系统）。在瑞典，要求所有运营商报告损害赔偿金，1992 - 1998年的统计数据表明，平均每年5.8％的风力发电机遭雷击损坏。

德国统计还包括维修费用。它表明，随着风力发电机组尺寸的增加，每次损伤的修复成本一般也会增加，并且修复叶片是风力发电机修理成本中最贵的部分。这是因为叶片价格更高且较大组件的处理成本也较高。

据报告，在1990 - 1999年间，丹麦共有900台风机被雷电破坏。风机损坏的部件分布如图3所示。可以看出，雷击对控制系统的损害显然最常见，占51％，而对电力系统（某种程度上包括简单的中断）和叶片的损害各约占10 ％。

图3 风力发电机组件雷电损坏分布图（丹麦1990-99）

丹麦和德国的统计数据表明，较新和更大型风力发电机的控制系统损坏发生的频率较低，这可能是由于雷电保护得到改善的结果。

众所周知，一般来说对于海上风机的修理成本非常高，特别是对于主要部件：叶片，齿轮箱、发电机和电力变压器。 因此，为了确保必要的安全性和可靠性以及将维修成本保持在最低限度，海上风力发电机的雷电保护是一定要进行的且具有非常高的标准。

3 风力发电机组的防雷保护现状

当然，上面提供的损伤统计数据是历史信息，并不一定代表新风力发电机的防雷状态。

DEFU推荐的风力发电机的防雷保护方案于1999年发布[1]。 它描述了良好的系统防雷措施，旨在用于风力发电机制造商，而不仅仅是丹麦电力公司采购风力发电机的部门。 它基于通用的IEC防雷标准^[4][5]，并且在某种程度上（特别是关于叶片的防雷措施）参考了实际经验。

通过在DEFU第25号建议书公布之前和之后与主要风力发电机制造商的对话，工作组认为，主要的风力发电机制造商多年来在防雷方面做出了一些努力。 但在大多数情况下，这是在技术顾问的帮助下，为了缓解具体问题（例如控制系统和叶片受到的雷击损坏）而进行的。 很明确的是，风力发电机制造商本身既没有明确的雷电保护政策，也没有任何制造商能够提供对所使用的雷电保护系统的效果进行专业评估的文件。

工作组认为有必要开发更好的风力发电机叶片和机械传动系统的防雷方法，特别是主轴轴承和齿轮箱的防雷保护， 这些是关于风力发电机防雷的通用问题。 风力发电机的所有其他部分应按照详细的IEC规范的结构、电力和通信系统的防雷标准进行保护。IEC工作组最近向IEC TC88风力发电系统部分提交了关于风力发电机防雷保护技术报告的草案，其中得出了与上述相同的结论。

3.1 叶片的防雷保护

直到20世纪90年代初，大多数风力发电机的制造商也都没有对叶片使用防雷保护，可能是因为如上文分析的那样，雷击对当时的小型风力发电机来说不是一个大问题。 少部分叶片通过在表面安装金属网来进行防护（图4-D）。自1995年以来，丹麦生产的大部分叶片在叶尖和内部引下线上都有保护（图4-A和图4-B）。德国制造商使用的另一种方案则是将引下线沿着叶片的前缘和后缘布置（图4-C）。

图4 风力发电机叶片的防雷类型

叶尖设有接闪器的系统是针对17-20米长的叶片而开发的，且因此雷击造成的损害数量明显减少了。然而，这是否足以满足叶片长度为上述两倍的风力发电机的要求仍是未知的，因为这些风力发电机将会更频繁地被雷击。 考虑到维修或离岸更换刀片的成本很高，叶片的防雷保护效率非常令人担忧，因此需要进一步的开发，测试和验证。

3.2 机械传动系统的防雷保护

对于机械传动系统的防雷保护需求一直备受争议，特别是关于主轴承。很明显，如果闪电击中叶片，电流必须从叶片根部流向塔架，如图5所示。因为已经发现了一些对轴承造成雷电损坏的情况，所以对轴承进行防雷保护是很有必要的。

图5 在轴承、齿轮箱和发电机之间的雷电流分布

大多数制造商在主轴上使用某种火花塞、碳刷或滑动接触系统，以将雷电流转移到机器底板并远离轴承。但是，这种安排的效果还不得而知。

有学者建议可以通过在通过在这些部件的电流路径中插入电阻层，同时使用如上所述的分流系统^[6]来减少雷电流通过轴承和齿轮箱的数量。 然而，由于涉及的机械问题很难解决，这种方法的有效性收到了很大的怀疑。 Scheibe提出了另一种方法：直接将雷电流从叶根转移到风机的壳体。^[7]

考虑到替换离岸主要部件所涉及的成本，要求风力发电机制造商必须提供有关防雷保护有效性的文件，以确保机械传动中的部件不受雷击电流的损坏。

3.3 电力系统的防雷保护

与叶片和机械传动系统的防雷方案相反，风力发电机中的电力系统的防雷保护可以直接按照IEC标准61024和61312中详细描述的既定原则进行。

在DEFU第25号建议中，要求所有电力系统的防雷保护按照IEC 61312系列中描述的防雷分区原则进行生产、测试和记录，且更要符合IEC 61000系列中EMC标准的基本规范。

在大多数情况下，将风力发电机内部视为雷电保护区域1，将金属柜体内部视为区域2，如图6所示。保护风机外壳免受直接雷可以通过用传统的接闪手段，如富兰克林杆式接闪杆，或者外壳上本身具有接闪功能的金属部件。在所有分区边界必须考虑防雷保护。必须在分区边界通过屏蔽和等电位连接来对电缆进行过电压保护，以将电流、电压和电磁水平降低到该区域内所有组件所能容忍的水平。在每个分区内必须进行正确的接地和等电位连接。

图6 海上风机防雷分区

将控制和通讯设备等敏感设备的机柜视为不同的分区可能比较合理。这也使得这些机柜在EMC测试实验室中进行测试并提供报告变得更容易。

3.4 接地和防腐

考虑到海上恶劣的环境，必须确保外部防雷系统的所有组件均由耐腐蚀材料制成。必须避免放置含铜成分的组件，以防止含铜离子的水滴落在腐蚀性更强的金属上。并且，夹具等部件之间的所有连接都必须密封。在连接不同电化学性质的金属时必须特别小心。经验表明，在塔内和机舱内足够干燥，因此本身可以防腐蚀，但必要时也可使用除湿机。

海上风力发电机的接地可以很容易地进行，因为其接地电阻比陆上风力发电机低得多。在Middelgrunden风电场中，地基由钢筋混凝土制成，并采用地基接地系统，其中用于钢筋防腐的铝块与海水直接接触。

对于其他海上工程，可能会使用不同类型的地基，例如“单桩”地基。单桩是一种直径约4米的钢管，深入海底达25米。

任何一种地基类型的接地电阻都很低，以至于对中压电缆和电力变压器的高压端子的过电压保护可能不是必需的，因为即使风机被电流值极高的雷电击中，接地系统的电位上升也会低于基本绝缘水平。^[3]

3.5 闪电监测和警告

与陆上风力发电机相比，海上风电场的监视和控制更为重要。作为监视的一部分，有必要在雷击时进行统计。但目前为此只有少数传感器可以使用。值得注意的是，一个由DEFU领导的项目为风力发电机开发了一个雷电传感器系统，并现在由丹麦公司Jomitek提供。^[8]该传感器系统已经测试成功两年，现在用于Middelgrunden海上风电场的风力发电机。

4 结论

工作组的观察表明，所有主要制造商都在努力减少闪电造成的损害和中断。然而，很明显的是，到目前为止，丹麦电力公司建设和规划大型海上风电场所要求的系统性和专业性的防雷措施尚未得到解决。

要求风力发电机制造商根据IEC雷电防护标准提供完整的、文件化的防雷措施是很有必要的，这会有效降低维修成本并保证海上风电场可靠运行。

防雷保护对电力系统通常是必须的，并且考虑到海上风机维修的高成本和高可靠性的要求，没有理由要求还是风力发电机降低防雷标准。

参考文献

[1] DEFU Recommendation 25, 1999, 'Lightning Protection for Wind Turbines', DEFU.

[2] IEC 61400-24, 2000, 'wind turbine generator systems - Part 24: Lightning protection for wind turbines', IEC draft technical report 88/128/CDV.

[3] DEFU Report 438, 2000, 'Lightning protection for offshore wind turbines' (in Danish), DEFU.

[4] IEC 61024, 'Protection of Structures against Lightning', IEC.

[5] IEC 61312, 'Protection against Lightning Electromagnetic Pulses', IEC.

[6] IEA, 1997: 'Recommended practices for wind turbine testing and evaluation - 9. Lightning protection for wind turbine installations', IEA.

[7]ScheibeK, 1999, 'Blitzschutzmassnahmen fuuml;r eine Windkraftanlage'. 3.VDE/ABB-Blitzschutztagung, Neu Ulm.

[8] DEFU Report 454, 2001, 'Sensor for registering lightning striking wind turbines' (in Danish), DEFU.

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