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兆瓦级风力发电机的防雷保护论述
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风电体系的过电压维护和防雷接地问题很多,但我国风电体系的过电压维护和接地没有国或职业标准。为了促进风电产业的快速开展,扼要介绍了雷电的构成进程和几种雷电侵略形式,体系阐述了目前我国兆瓦级风力发电机组的防雷方案规划和实施,满意了项目的实践需求,对风力发电和风电场规划具有杰出的指导意义。


近十年来,风力发电开展敏捷。与此一起,风力发电机的单机容量和风电场的总装机容量也在添加,因此风电场的安全运转越来越遭到人们的注重。许多风力涡轮机设备在山谷的风口或岛屿的山顶,简略遭到雷击的影响。设备在雷雨地区的风力发电机更简略被雷击,尤其是操控体系较简略遭到雷电感应构成的过电压损坏。因此,在风力发电机组的规划中,进行科学的防雷规划具有重要意义。


1雷电损坏的形式。


1.1直击雷。


雷电直接击中线路并经过电气设备进入地上时的雷电过电流称为直击雷;直击雷蕴含巨大能量,峰值电压可达5000KV,损坏力极大。因此,雷电流具有幅值高、频率高、冲击力强的特点。


假如建筑物直接被雷电击中,巨大的雷电流会沿着引下线进入地上,首要会构成以下影响:在几微秒内,数十乃至数百KV的雷电流沿着引下线进入地上的进程中,或许会直接击穿空气,损坏低压设备。在接地网中,由于瞬态高电压的冲击,在接地址局部电位升高,接地网之间呈现电位差,导致接地址反击,损坏电气设备。


地网中的电位差也会产生跨步电压,直接危及人的生命;雷击产生的冲击电流沿引下线向地上放电的进程中,会在引下线上产生强电磁场,与电源线、音频线、数据线耦合,产生远超弱电设备耐受规模的浪涌电压,损坏弱电设备;雷电流流经电气设备产生极高的热量,或许引发火灾或爆炸事端。


1.2传导闪电。


远距离雷击线路或电磁感应产生的极高电压,经过室外供电线路和通信线路传入建筑物,损坏电气设备,称为传导雷。


1.3感应闪电。


云之间频繁的放电产生强大的电磁波,在电力线和信号线上感应出极高的脉冲电压,峰值为50KV,称为感应闪电。


2.雷电流对风力发电机的危害。


由于风力发电机组坐落荒野、山顶等风能资源较好的杂乱地势,环境适当恶劣,尤其是兆瓦级风力发电机组的叶片高点乃至超越100米,必然会遭到自然灾祸的影响,特别简略遭受雷击。计算表明,雷电灾祸是要挟风力发电机组安全运转和风电场效益的重要因素之一。


据计算,德国、丹麦、瑞典的风力发电机组都产生过雷击毛病,如表2-1所示。它包含4000多个风力涡轮机的数据。雷击构成的风机损坏次数平均为每年每100台3.9至8次。计算闪现,北欧每年每100台风力发电机中有4-8台被雷电损坏。


表2-1雷击损坏频率表。


注:德国、丹麦、瑞典都是雷电活动较少的地区,我国的雷电活动比他们更频繁。


目前风电机组单机容量在添加,轮毂高度也在添加。整个风力发电机组都暴露在直接雷击的要挟下,被雷电直接击中的概率也与物体高度的平方值成正比。因此,被雷击的危险添加。下图是国外前期计算的风电机组各部件雷击概率图:(图中纵坐标为毛病率百分比,横坐标为风电机组各部件)。


图2-1风力发电机组部件雷击毛病率计算。


由上图能够看出,在风机内不同部件的雷击损坏概率中,操控体系的雷击损坏占35-40%,其次是电气体系、叶片和传感器;跟着防雷设备的广泛运用,新出产的风力发电机组和前期风力发电机组受雷击的损坏程度有很大不同。


前期风力发电机较常见的损坏是操控体系,而新出产的风力发电机较常见的损坏是叶片。这表明近年来由于设备了防雷设备,操控体系的防雷功能得到了显着的提高。据长期计算,风机的电气操控部分除了机械损坏外,还包含:变频器、进程操控计算机、速度传感器、风速计等。,经常损坏;关于风电场业主来说,有必要采取相应的办法来确保设备的长期安稳运转。


风力发电机组防雷综述。


从风力发电机组防雷的研讨成果来看,外部直接防雷的重点是完善叶片防雷体系;内部的防雷维护,即过压和过流维护,由风扇制作商规划。此外,国内外风力发电机制作商的实践规划标准和参数(包含接地网电阻)也有很大不同。因此,以这种方式构成的风扇在制作上留下了一些薄弱环节。


为了提高风力发电机的防雷功能,需求确认合理一致的防雷规划标准,明确防止外部雷电和内部雷电(过电压)维护的制作工艺规范,这是提高风力发电机防雷功能的根底。在我国,为了大力开展风力发电,尽快拟定风力发电职业(包含风力发电机组防雷)的技术规范是迫切和必要的。


3.1风电机组雷电维护区域区分


将需求维护的空间区分为不同的防雷区(LPZ),以规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度,并指明各区交界处的等电位衔接点的方位。各区以在其交界处的电磁环境有显着改动作为区分不同防雷区的特征。


LPZOA:本区内物体易遭到直接雷击,因此或许有必要传导悉数的雷电流。本区内电磁场没有衰减。


LPZOB:尽管本区内物体不易遭到直接雷击,但区内产生未被衰减的电磁场。


LPZ1:本区内物体不易遭到直接雷击,本区内一切导电部件上的雷电流比在LPZOB区内的雷电流进一步减小。本区内的电磁场也或许被衰减,取决于屏蔽办法。


后续防雷区(LPZ2等):假如要求进一步减小传导电流或电磁场,应引人若干后续防雷区。应根据被维护体系所要求的环境区来选择所需后续防雷区的个数。通常,防雷区序号越高,其电磁环境参数越低。风电机组中需求防护的空间区分成不同防雷区的一般原则如图3-1。


图3-1风力发电机组防雷区域区分


3.2风电机组外部防雷维护


风机的外部防雷维护体系由接闪器、引下线和接地体系三部分组成[5],它的作用是防止雷击对风电机组结构的损坏以及火灾危险。


3.2.1外部防雷


一般雷击风力发电机的落雷点是在风机的叶片,因此应预先安置在叶片的预计雷击点处以接闪雷击电流。经过导电元件将闪电电流导向轮毂,防止电弧留在叶片内部。


在叶片内部,雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰,经过轮毂传至机舱。在轮毂的法兰处装有空隙放电设备,将雷电流敏捷传至机架,释放掉雷击过电压。经过试验和对遭受雷击的叶片进行分析证明,长度小于30m的风机叶片可在叶片外表应至少设备一个接闪器,而长度大于30m的转子叶片则主张设置设备多个接闪器。这样比在顶端设备单个接闪器能更好地维护叶片。


实践运用中,有的厂家在轮毂的顶部添加一个接闪器,来维护叶片根部;如图3-2。其目的是防止直击雷或侧击雷击中叶片的根部,损坏叶片。这样做的问题是,假如避雷针水平设备,是否能够到达避雷针竖直设备的防雷效果,还有待进一步研讨。


图3-2风机叶片接闪部分


(2)机舱防雷


在野外环境下的风电机组,易遭到雷击的点有必要得到足够注重。不能依托“滚球法”,由于这种办法并未在风电机组上得到评估或验证。闪电会打击到机组每一个部位。比较简略忽视的区域是机舱背部的结构支撑部位。


坐落机舱背部顶端的风速仪和风向标、外部的信号灯(图中省掉未画出)等电子器件很简略因雷击而损坏。如图3-3大地与云层之间的空气在图中指定点的避雷器被击穿时有或许击中机舱背部。


图3-3风机机舱避雷器


国内各个风机厂家机舱防雷办法也各不相同。很多风机的机舱背部电子器件也只是用避雷器。


由于机舱背部面积很大,所以在机舱背部需求设备避雷带,加强机舱背部的防直击雷维护。避雷带宜选用镀锌圆钢或扁钢,应优先选用圆钢,其直径不该小于8mm,扁钢宽度不该小于12mm,厚度不该小于4mm。为了确保安全,选用避雷器加金属防护栏对机舱顶部进行避雷带维护,安全性较高。


别的,由于风速仪和风向标还有或许受感应雷侵略而损坏。主张风速仪、风向标和信号灯加相应的浪涌电压维护器防止过压对操控器部件构成危害。


3.2.2引下线


风机的塔架一般为钢柱结构,能够直接将塔架当作引下线来运用,由于塔架为多节衔接而成,所以每节塔架之间需求用导线衔接。如图3-5所示。


图3-5每节塔架之间的电缆衔接


3.2.3接地网体系


风力发电机的接地由塔基的根底接地极供给,环绕风力发电机外圈的环形接地部分需求与塔筒相连。塔筒的钢结构有必要与风电机组接地体系融为一体。接地部分有必要与一切的驱动电极、地下金属结构以及接地体系相互衔接。


在一个风电场中,一切风力发电机的接地体系都有必要相互衔接,构成一个网状接地体。这样构成了一个等电位衔接区,当雷击产生时能够消除不同点的电位差。一切体系和金属部件都有必要焊接一体,然后经过一条低阻抗途径并入接地体系。


接地体系必定要紧凑。接地体系中任何超出雷击点30m以外的部分将无助于降低雷击的峰值电压。接地体系的接地电阻小于等于4Ω。有必要每年进行一次查看,以确认是否呈现断裂、衔接松动、锈蚀和/或接地电阻的改动等状况,确保任何时候都坚持杰出的状态。


4风机内部防雷维护体系


内部防雷维护体系是由一切的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。首要包含防雷击等电位衔接、屏蔽办法和电涌维护等。


4.1等电位衔接


防雷维护规划中,防雷区LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区的界面处均应作等电位衔接。别的,线路的一切导体应直接或非直接衔接。相线应选用电涌维护器连到防雷设备或总接地衔接带上。在TN体系中,PE线或PEN线应直接连到防雷设备或总接地衔接带上


等电位衔接能有用按捺雷电引起的电位差。防雷击等电位衔接是内部防雷维护体系的重要组成部分。在风机体系内,一切导电的部件都被相互衔接,以减小电位差。但规划等电位衔接时,应按照标准考虑其较小衔接横截面积。一个比较完整的等电位衔接网络也包含电源和信号线路的等电位衔接,这些线路应经过雷电流维护器与主接地汇流排相连。


风轮与机舱间、机舱与塔筒间、机架与水平轴间应经过铆接、焊接或螺栓衔接等办法做可靠电气衔接,也能够经过单独的多股塑铜线(截面不小于16mm2),各衔接过度电阻尽量小,一般不大于0.03Ω。


4.1.2屏蔽办法


屏蔽设备能够削减电磁搅扰。风机的电气和电子器件都装在开关柜,开关柜和操控柜的柜体应具备杰出的屏蔽效果。在塔底和机舱的不同设备之间的操控线缆应带有外部金属屏蔽层。假如机舱外壳为复合材料时,应在机舱外面敷设金属网格,兼作接闪器和屏蔽之用;为了削减机舱内电子设备受雷电电磁脉冲的冲击,较好应选用金属的机舱罩,削弱雷电电磁脉冲对机舱内设备的影响,减小雷电电磁脉冲的强度,一起也可有用的削减雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。


关于屏蔽电缆,有必要将线缆屏蔽的两端都衔接到等电位衔接带,这样屏蔽层对电磁搅扰的按捺才是有用的。由于风力发电机组结构的特殊性,假如能在规划阶段考虑到屏蔽办法,那么屏蔽设备能够以较低成本实现。


4.1.3轴承


轴承也是较简略遭到直接雷击损坏的部件之一。计算数字闪现,在风机运转时,由于变浆轴承尺度大、转速慢,所以一般不会遭到雷击损坏,而主轴及其驱动部件的轴承尺度较小,而且转动速度快,故经常遭雷击而损坏。


当机组正在运转的时候假如遭遇雷电,轴承部件遭受损坏的或许性增大。为了防止损坏产生,在有闪电产生要挟时,主张短时中止运转风电机组以维护轴承。一起为了防止雷电在经过轴承时引起的焊接效应,应将其两端经过碳刷或者放电空隙等设备桥接起来,加以维护。


4.1.4变压器、变频器和发电机


风电机组的配电变压器与传统的变压器不同,雷电电涌问题产生在变压器的初级端(低压端)而非次线端(高压端)。击中高压电网的雷击会在变压器的低压端(400/690V)闪现(耦合进入)。衔接发电机到变压器的400/690V输电缆有必要配有浪涌电压维护器。风电机组的电气体系主电涌防护器的峰值电流处理能力较小应为180KA(8/20μs)。每相还应具有多个带独立熔断器的后备维护途径。


4.1.5操控体系


从图2-1的计算数据来看,操控体系是风电机组中较软弱的部分。明显,一个机组遭雷击后,经过金属数据缆线,将导致与其相连的其他机组的电子设备,包含整个机组的操控和丈量传感器也或许损坏。风电机组通常在机舱内和塔筒里各设备有一个微处理器。远距离数据监控则可经过SCADA(监督操控和数据获取)衔接实现。


SCADA网络、机舱操控器和塔底操控器之间的联络之间以及机舱操控器与中心操控器之间的衔接应运用光纤。由于光纤为非导体,所以过电压在光纤信号线上不能传播;留意:规划时不要为了添加机械强度而运用植有金属线的光纤缆线。


假如SCADA体系必定要运用双绞铜线,功能杰出的接地体系将有助于按捺瞬态过压。除此之外,应运用串联型重型数据线维护器(20Ka、8/20μs峰值电流)维护每一个I/O端口,并直接经过被维护的设备的机壳接地,接地导线不长于15cm(这包含SCADA体系的接合器和操控器界面)。


在风电机组之间运转的SCADA电缆敷设时,电缆沟内需设备已接地的裸铜缆线,将一切SCADA缆线的屏蔽层的两端衔接到接地体系上,较大程度的确保机组操控体系的安全。


5结束语


对目前国内兆瓦级风电机组的防雷进行简略概述,我国风电职业开展十分迅猛,但风电职业在防雷接地方面普遍存在必定安全隐患、防雷问题较多,导致雷击事端产生概率较高。尤其是“我国大部分机型都是从欧洲引进的。”而在德国等国计算的雷电数据,不管是频率还是强度都不能与我国的比较,他们在规划风机本身的防雷体系时没有考虑我国的状况,致使这些风机在防雷体系规划上有待提高。


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