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风电系统中涉及的过电压保护及防雷接地问题较多,但我国还没有风电系统过电压保护和防雷接地的国家标准或行业标准,为了促进风电行业的快速发展,本文简单介绍了雷电的形成过程及雷电的几种入侵形式,系统地阐述了目前国内兆瓦级风电机组的防雷方案设计及其实现,满足了工程的实际需要,对风力发电和风电场设计具有较好的指导意义。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护

风力发电在近十几年发展的非常迅速。与此同时,风电机组的单机容量和风电场的总装机容量也不断增长,因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注。风电机组很多安装在山谷的风口处,或海岛的山顶上,容易受到雷击影响,安装在多雷雨区的风电机组,受雷击的可能性更大,尤其是控制系统最容易因雷电感应造成过电压的损害。因此,在风电机组设计中,进行科学的防雷保护设计有重要意义。

1 雷电的破坏形式

1.1 直击雷

雷电直接击中线路并经过电器设备入地的雷击过电流称为直击雷;直击雷蕴含极大的能量,电压峰值可达5000KV,具有极大的破坏力。因此,雷电流具有幅值极高、频率极高、冲击力极强等特点。

如建筑物直接被雷电击中,巨大的雷电流沿引下线入地,主要会造成以下影响:几十甚至几百KV的雷电流沿引下线在数微秒时间内入地的过程中,有可能直接击穿空气,损毁低压设备。在接地网中,由于瞬态高电压的冲击,在接地点产生局部电位升高,在地网间出现电位差,由此,导致地点位反击而损坏电器设备。

地网中的电位差还会产生跨步电压,直接危及人们的生命;雷击产生的冲击电流沿引下线对地泄放过程中,还会在引下线上产生强烈的电磁场,耦合到供电线路或音频线、数据线上,产生远远超过弱电设备耐受能力的浪涌电压,击毁弱电设备;雷电流流经电气设备产生极高的热量,会造成火灾或爆炸事故。

1.2 传导雷

由远处的雷电击中线路或因电磁感应产生的极高电压,由室外电源线路和通信线路传至建筑物内,损坏电气设备,称为传导雷。

1.3 感应雷

云层之间频繁放电产生强大的电磁波宅男天堂,香港经典三级,国产亚洲视频中文字幕,宅男网,宅男网站,宅男影院,宅男必备,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压,峰值可达50KV,称为感应雷。

2 雷电流对风电机组造成的危害

由于风电机组是安置在风能资源比较好的复杂地形地带,如旷野、山顶等,环境比较恶劣,特别是兆瓦级风机的叶片高点甚至达100多米,不可避免的会受到自然灾害的影响,特别容易被雷电击中。统计表明,雷电灾害是威胁风电机组安全运行和风场效益的重要因素之一。

据统计,德国、丹麦和瑞典等国风电机组共发生雷击故障事件如表2-1所示。其中包含了超过4000台风力发电机的数据。由雷击导致的风力发电机损坏数量,每100台平均每年3.9次到8次。由统计数据显示,在北欧的风力发电机组中,每100台每年有4-8台遭受雷击而损坏。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护表2-1 雷击损坏频率表

注:德国、丹麦和瑞典都是雷电活动少的地区,我国的雷电活动与他们比更加频繁。目前,风电机组的单机容量越来越大,轮毂高度也就越来越高,整个风机是暴露在直接雷击的威胁之下,被雷电直接击中的概率也与该物体的高度的平方值成正比。所以更增加了遭雷击的风险,下图是国外早期统计的风电机组各部件遭受雷击概率图:(图中纵坐标为故障率百分比%,横坐标为机组各部件)。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护图2-1风电机遭受雷击各部件的故障率

从上图中看出,风机中不同部件遭雷击损坏的概率中,控制系统雷击损坏占35-40%,其次是电气系统、叶片和传感器等;随着防雷装置的大量应用,新生产的风电机组和早期风电机组遭雷击损害的程度有了很大的不同。

早期的风电机组最常见的损害是控制系统,而新生产的风电机组最常见的损害的是叶片。这表明近年来由于安装防雷装置,控制系统的防雷保护已取得明显的改善。根据长期统计,雷击造成的损坏中除了机械损坏之外,风机中电气控制部分包括:变频器、过程控制计算机、转速传感器、测风仪等,也经常遭到损害; 这对于风电场业主来说,必须采取相应措施保证设备的长期稳定运行。

3 风电机组防雷概述

从风电机组防雷研究成果上看,对外部直击雷防护,重点是放在改进叶片的防雷系统上;而对内部的防雷,即过压、过流保护,则由风机厂家设计完成。此外,国内和国外风机厂家实际设计所依据标准和参数(包括地网电阻)都有很大差别。所以,这样形成的风机制造在产品上就留下某些薄弱环节。

为了改进风机的防雷性能,首先要确定合理统一的防雷设计标准,明确防止外部雷电和内部雷电(过电压)保护的制造工艺规范,这是提高风力发电机组防雷性能的基础。在我国,大力发展风力发电,必须非常急迫和必要的尽快建立风电行业(包括风机防雷)技术规范。

3.1 风电机组雷电保护区域划分

将需要保护的空间划分为不同的防雷区( 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连接点的位置。各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。

LPZOA:本区内物体易遭到直接雷击,因而可能必须传导全部的雷电流。本区内电磁场没有衰减。

LPZOB:虽然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,本区内所有导电部件上的雷电流比在LPZOB区内的雷电流进一步减小。本区内的电磁场也可能被衰减,取决于屏蔽措施。

后续防雷区( LPZ2等) :如果要求进一步减小传导电流或电磁场,就应引人若干后续防雷区。应根据被保护系统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,其电磁环境参数就越低。风电机组中需要防护的空间划分成不同防雷区的一般原则如图3-1。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护图3-1风力发电机组防雷区域划分

3.2 风电机组外部防雷保护

风机的外部防雷保护系统由接闪器、引下线和接地系统三部分组成[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,因此应预先布置在叶片的预计雷击点处以接闪雷击电流。通过导电元件将闪电电流导向轮毂,避免电弧留在叶片内部。

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,通过轮毂传至机舱。在轮毂的法兰处装有间隙放电装置,将雷电流迅速传至机架,释放掉雷击过电压。 通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表面应至少安装一个接闪器,而长度大于30m 的转子叶片则建议设置安装多个接闪器。这样比在顶端安装单个接闪器能更好地保护叶片。

实际应用中,有的厂家在轮毂的顶部增加一个接闪器,来保护叶片根部;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,如果避雷针水平安装,是否可以达到避雷针竖直安装的防雷效果,还有待进一步研究。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护图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,易受到雷击的点必须得到足够重视。不能依靠“滚球法”,因为这种方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。比较容易忽视的区域是机舱背部的结构支撑部位。

位于机舱背部顶端的风速仪和风向标、外部的信号灯(图中省略未画出)等电子器件很容易因雷击而损坏。 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可能击中机舱背部。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护图3-3风机机舱避雷器

国内各个风机厂家机舱防雷方法也各不相同。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,所以在机舱背部需要安装 避雷带,加强机舱背部的防直击雷保护。避雷带宜采用镀锌圆钢或扁钢,应优先选用圆钢,其直径不应小于8mm,扁钢宽度不应小于12mm,厚度不应小于4mm。为了确保安全,采用避雷器加金属防护栏对机舱顶部进行避雷带保护,安全性较高。

另外,由于风速仪和风向标还有可能受感应雷入侵而损坏。建议风速仪、风向标和信号灯加相应的浪涌电压保护器防止过压对控制器部件造成损害。

3.2.2 引下线

风机的塔架一般为钢柱结构,可以直接将塔架当作引下线来使用,因为塔架为多节连接而成,所以每节塔架之间需要用导线连接。如图3-5所示。

兆瓦级风力发电机组的防雷电保护图3-5每节塔架之间的电缆连接

3.2.3 接地网系统

风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供,环绕风力发电机外圈的环形接地部分需要与塔筒相连。塔筒的钢结构必须与风电机组接地系统融为一体。接地部分必须与所有的驱动电极、地下金属结构以及接地系统相互连接。

在一个风电场中,所有风力发电机的接地系统都必须相互连接,构成一个网状接地体。这样就形成了一个等电位连接区,当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。所有系统和金属部件都必须焊接一体,然后通过一条低阻抗路径并入接地系统。

接地系统一定要紧凑。接地系统中任何超出雷击点30m以外的部分将无助于降低雷击的峰值电压。接地系统的接地电阻小于等于4Ω。必须每年进行一次检查,以确定是否出现断裂、连接松动、锈蚀和/或接地电阻的改变等情况,确保任何时候都保持良好的状态。

4 风机内部防雷保护系统

内部防雷保护系统是由所有的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护等。

4.1 等电位连接

防雷保护设计中,防雷区LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区的界面处均应作等电位连接。另外,线路的所有导体应直接或非直接连接。相线应采用电涌保护器连到防雷装置或总接地连接带上。在TN系统中,PE线或PEN线应直接连到防雷装置或总接地连接带上

等电位连接能有效抑制雷电引起的电位差。防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。在风机系统内,所有导电的部件都被相互连接,以减小电位差。但设计等电位连接时,应按照标准考虑其最小连接横截面积。一个比较完整的等电位连接网络也包括电源和信号线路的等电位连接,这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流排相连。

风轮与机舱间、机舱与塔筒间、机架与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接,也可以通过单独的多股塑铜线(截面不小于16mm2),各连接过度电阻尽量小,一般不大于0.03Ω。

4.1.2 屏蔽措施

屏蔽装置可以减少电磁干扰。风机的电气和电子器件都装在开关柜,开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔底和机舱的不同设备之间的控制线缆应带有外部金属屏蔽层。如果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;为了减少机舱内电子设备受雷电电磁脉冲的冲击,最好应采用金属的机舱罩,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,同时也可有效的减少雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。

对于屏蔽电缆,必须将线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带,这样屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。由于风力发电机组结构的特殊性,如果能在设计阶段就考虑到屏蔽措施,那么屏蔽装置就可以以较低成本实现。

4.1.3 轴承

轴承也是最容易受到直接雷击破坏的部件之一。统计数字显示,在风机运行时,由于变浆轴承尺寸大、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寸较小,而且转动速度快,故经常遭雷击而破坏。

当机组正在运行的时候如果遭遇雷电,轴承部件遭受损坏的可能性就增大。为了避免损坏发生,在有闪电发生威胁时,建议短时停止运转风电机组以保护轴承。同时为了避免雷电在通过轴承时引起的焊接效应,应将其两端通过碳刷或者放电间隙等装置桥接起来,加以保护。

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,雷电电涌问题发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)显现(耦合进入)。连接发电机到变压器的400/690V输电缆必须配有浪涌电压保护器。风电机组的电气系统主电涌防护器的峰值电流处理能力最小应为180KA(8/20μs)。每相还应具有多个带独立熔断器的后备保护路径。

4.1.5 控制系统

从图2-1的统计数据来看,控制系统是风电机组中最脆弱的部分。显然,一个机组遭雷击后,通过金属数据缆线,将导致与其相连的其他机组的电子设备,包括整个机组的控制和测量传感器也可能损坏。风电机组通常在机舱内和塔筒里各安装有一个微处理器。远距离数据监控则可通过SCADA(监视控制和数据获取) 连接实现。

SCADA网络、机舱控制器和塔底控制器之间的联系之间以及机舱控制器与中央控制器之间的连接应使用光纤。因为光纤为非导体,所以过电压在光纤信号线上不能传播;注意:设计时不要为了增加机械强度而使用植有金属线的光纤缆线。

如果SCADA系统一定要使用双绞铜线,性能良好的接地系统将有助于抑制瞬态过压。除此之外,应使用串联型重型数据线保护器(20Ka、8/20μs峰值电流)保护每一个I/O端口,并直接通过被保护的设备的机壳接地,接地导线不长于15cm(这包括SCADA系统的接合器和控制器界面)。

在风电机组之间运行的SCADA电缆敷设时,电缆沟内需安装已接地的裸铜缆线,将所有SCADA缆线的屏蔽层的两端连接到接地系统上,最大程度的保障机组控制系统的安全。

5 结束语

本文是对目前国内兆瓦级风电机组的防雷进行简单概述,我国风电行业发展十分迅猛,但风电行业在防雷接地方面普遍存在一定安全隐患、防雷问题较多,导致雷击事故发生概率较高。尤其是“我国大部分机型都是从欧洲引进的。”而在德国等国家统计的雷电数据,不管是频率还是强度都不能与中国的相比,他们在设计风机自身的防雷系统时没有考虑中国的情况,致使这些风机在防雷系统设计上有待提高。

(编自《电气技术》,作者为王东、赵双喜 等。)

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