江苏省如东市海上风力发电机组防雷系统的分析与设计

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目 录

1 引言 1

2 如东海上风场勘察 2

3 风机受损原理及受损部件统计 3

3.1 雷击热效应 3

3.2 雷击机械效应 4

3.3 雷击电磁效应 5

3.4 易受损部件分析 5

4 防雷等级 6

4.1 IEC标准 6

4.2 GL海上风电指南 7

5 外部防雷系统设计 8

5.1 防雷分区划分 8

5.2 接闪装置 8

5.2.1 机舱顶部接闪器设计 9

5.2.2 叶片接闪器设计 9

5.3 引下线 10

5.3.1 叶片引下线 11

5.3.2 轮毂处的跨接 11

5.4 接地装置 13

6 内部防雷系统设计 13

6.1 内部雷电防护分区 13

6.2 等电位连接措施 14

6.3 屏蔽及综合布线 15

6.4 浪涌保护 15

6.4.1 电气系统的浪涌保护 16

6.4.2 信号系统的浪涌保护 17

7 结论和展望 18

参考文献 19

致谢 21

江苏省如东市海上风力发电机组防雷系统的分析与设计

赵家林

，China

Abstract:With the rapid development of the offshore wind power industry, the security of wind farms has also become more and more important. Compared with traditional onshore wind turbines, offshore wind turbines have higher tower heights and longer blade lengths, and the natural environment on the sea is worse and more complex. As a consequence, offshore wind turbines have a higher probability of being struck by lightning. According to the standards and specifications of IEC61400-24, IEC62305-1, GL Offshore Wind Power Guide, etc., this paper carries out lightning protection design for the Shanghai Electric-Siemens 4MW offshore wind turbine at Jiangsu Rudong Offshore Wind Farm. Taking the lightning damage forms and the statistics of damaged components of offshore wind turbines into account , this lightning protection design utilizes lightning receptor, cross connection, grounding, equipotential bonding, electromagnetic shielding, integrated wiring, and surge suppression to solute the problem of lightning receptors of blades, lightning protection of bearing, power and information system’s protection, and ensure the normal operation of offshore wind turbines in the lightning environment.

Key word:offshore wind turbines; lightning protection; lightning receptors of blades; surge suppression

1 引言

随着化石能源的不断消耗，新能源的开发和利用越来越得到世界各国的重视。风能因其储备丰富、容易获取、开发成本相对较低等特征，在可再生能源的利用中获得了巨大的发展。同时，与传统的火力发电相比，风力发电是一种洁净的、可再生的能源利用方式，它不会产生二氧化碳、硫化物等污染物，是21世纪最具远大前景的绿色能源。

我国的海上风电产业起步较晚，2009年才有第一个海上风电场正式投入使用，但近几年新增装机量增速很快，呈现快速上升的态势，如图1所示。

图1 2010年至2016年中国海上风电新增装机容量（注：数据来源于CWEA）

我国幅员辽阔，海岸线长达几万公里，海上风能资源储量十分可观，据数据显示，我国近海5至25米水深、高度在50m以下的海上风电开发潜力约为2亿千瓦。在“十三五”规划中，明确提出到2020年底，海上风电并网装机容量将达到500万千瓦以上，较2016年底累计装机量增长2倍。因此，海上风电是未来风电产业发展的一个重点，拥有着很好的前景。

海上风电场相较于陆地风电场，有着风速大、静风期相对较少和土地成本低的优势。海上风电场一般靠近经济发展快的地区，不存在电力输送和消纳的问题，不需要担心弃风。同时水陆在运输大功率、大规模的风机时也具有优势。^[1]

海上风电具有陆上不可逾越的优势，但同时也面临着许多困难和威胁。雷击是严重威胁风机安全的问题之一，根据美国德克萨斯州在内的几个风电场508台风机的观测数据显示，一台风机平均每8.4年遭受一次雷击，若根据风机的运行寿命20年来计算，其因雷击而造成损伤会出现2~3次。^[2]因为风电机组遭受雷击次数与高度的平方成正比，所以规模更大的海上风电机组更易遭受雷击，且高度为150m，有效高度为300m的风机遭受破坏性更强的上行雷的占比约为总雷击的80%。^[3]

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