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風力發電防雷接地

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  介:接地網良好的接地是保證雷擊過程中風電機組安全的必備條件。由于風電場通常會布置在山地且范圍非常大,而山地的土壤電阻率一般較高,因此按照一般電氣設備的接地方 式設計風電機組的接地系統顯然不能滿足其安全要求。風電機組基礎周圍事先都要布置一小型的接地網,它由1個金屬圓環和若干垂直接地棒組成,但這樣的接地網 ...
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第一章 風力發電防雷概述
隨著世界各國對可再生潔凈能源的研究開發,風能成為當前技術最成熟、最具備規模開發條件的能源。同時它由于具有無污染、投資周期短、占地少等優點, 受到世界各國的青睞。但由于風力發電機組是在自然環境下工作,不可避免的會受到自然災害的影響。
由 于現代科學技術的迅猛發展,風力發電機組的單機容量越來越大,為了吸收更多能量,輪轂高度和葉輪直徑隨著增高,相對的也增加了被雷擊的風險,雷擊成了自然 界中對風力發電機組安全運行危害最大的一種災害。雷電釋放的巨大能量會造成風力發電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。以德國風電場遭受雷 擊的情況為例。德國風電部門對近年來該國風電機組的故障情況進行了統計,其中1992~1999年間風電機組雷擊事故情況如表1所示。

德國風電機組雷擊事故統計(1992-1999)

由表可見,多年以來德國風電場每100風機年的雷擊數基本維持在10 %左右。另外,調查結果還表明,在所有引發風電機組故障的因素中,外部因素(如風暴、結冰、雷擊以及電網故障等)占16 %以上,其中雷擊事故約占4%。
我 國沿海地區地形復雜,雷暴日較多,應充分重視雷擊給風力風電機組和運行人員帶來的巨大威脅。例如,紅海灣風電場建成投產至今發生了多次雷擊事件,據統計, 葉片被擊中率達4%,其他通訊電器元件被擊中率更高達20%。為了降低自然災害帶來的損失,必須充分了解它,并做出有針對性的防范措施。
風機的防雷是一個綜合性的防雷工程,防雷設計的到位與否,直接關系到風機在雷雨天氣時能否正常工作,并且確保風機內的各種設備不受損害等。

第二章 雷擊損壞機理
雷電現象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現象。風電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風電機組間的放電。在所有雷擊放電形式中, 雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負極性放電具有較大的電流和較高的能量。雷擊保護最關注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數。雷電參數包括峰值 電流、轉移電荷及電流陡度等。風電機組遭受雷擊損壞的機理與這些參數密切相關。
(1)峰值電流 當 雷電流流過被擊物時,會導致被擊物溫度的升高,風電機組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應有關。熱效應從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關,其中峰值 電流起到很大的作用。當雷電流流過被擊物時(如葉片中的導體)還可能產生很大的電磁力,電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外,雷電流通道中可能出 現電弧。電弧產生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關,其燃弧過程中的強烈高溫將對被擊物產生極大的破壞。這也是導致許多風電機葉片損壞的主要原因。
(2)轉移電荷 物 體遭受雷擊時,大多數的電荷轉移都發生在持續時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續時間較長的電流將在被擊物表面產生局部金屬熔化和灼蝕斑點。 在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發生電弧的地方出現灼蝕斑點,如果雷電流足夠大還可能導致金屬熔化。這是威脅風電機組軸承安全的一個潛在因素,因為在軸 承的接觸面上非常容易產生電弧,它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現軸承熔焊現象,軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損,降低其使用壽命。
(3)電流陡度 風電機組遭受雷擊的過程中經常發生控制系統或電子器件的損壞,其主要原因是感應過電壓的存在。感應過電壓與雷電流的陡度密切相關,雷電流陡度越大,感應電壓就越高。
第三章 風電機組雷擊頻率和雷擊位置
為了實施有效的雷擊保護,需要事先對雷擊頻率和雷擊位置進行預測,從而使雷擊保護更有針對性。通常用雷擊高層建筑的頻度估算方法來估計雷擊風電機組的頻度。對于高度低于60 m的建筑物,其雷擊頻度為:
風電機組雷擊頻度
式中 Ng為年平均落雷密度,表示在所考慮的建筑物所在區域內每年每平方公里的雷擊次數;Ae為建筑物的等效面積,m2。某建筑物的等效面積是指與該建筑物遭受直擊雷的頻率相同的地表面積,其等值半徑為建筑物高度的3倍。以一個50m高的建筑物為例,假定該建筑物位于一相對平整的地面上且遠離其它建筑物,則其等效面積為:
風電機組雷擊等效面積計算
對于葉尖帶防雷保護的風電機組,在計算Ae時其高度應為最大葉尖位置與地面之間的距離。對于葉尖沒有保護的情況,其有效高度介于該值與機艙到地面距離之 間的值。以上計算方法僅限于低于60m的風電機組。對于高于60m的風電機組,按式(2)計算得到的結果則偏低。
估計雷云對大地放電的可能雷擊點的位置,可以應用“滾球法”的簡化方法。盡管雷擊放電具有很大的分散性,“滾球法”得到的結果可能與實際情況存在一定的誤 差,但該方法還是普遍應用于接地建筑物的防雷設計。IEC標準給出了對應于特定防護水平的滾球半徑的大小。將此方法應用于風電機組,則可以推知葉片的大部 分、輪轂、機艙的尾部以及部分塔筒均可能成為雷擊放電點。圖1給出了幾種典型的雷擊風電機組時可能的放電位置示意圖。
風電機組雷擊放電位置示意圖
發生雷云對大地放電時,雷電很容易擊中葉尖,但也有可能擊中葉片的側面或葉片的絕緣部分甚至內部導體。大地對雷云的放電是從頂端開始形成的,非常強烈地表 現在葉尖和其它外部突出的點,如機艙上的避雷針、機艙前端和輪轂等部位。如果葉片具有葉尖防雷保護,則向上發展的雷擊放電也將集中在葉尖上。由此可見,風 電機組遭受雷擊時,其雷擊點可能分布在機組的許多部位。
第四章 設計依據標準
1、 Germanischer Lioyd;Vorschriften und Richtlinien,Kapitel IV:Nichtmaritime Technik,Abschnitt 1:Richtlinie fur die Zertifizierung von Windeenergieanlagen《GL指導文件 IV-1風力發電系統》
《GL指導文件IV-1風力發電系統》是風機安裝、測試和認證的標準,該標準也包含了對風機雷電防護的具體要求,是風機防雷保護的基礎性文件。
2、IEC61400-24 Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protection《IEC61400-24 風力發電系統防雷保 護》
《IEC61400-24風力發電系統防雷保護》定義和描述了風機防雷保護裝置及其應用。
3、IEC62305 Protection against lightning《IEC62305 雷電防護》
《IEC62305 雷電防護》具體規定了防雷保護裝置的性能指標。
4、《VdS 2010雷擊浪涌防護》是德國保險業協會(GDV)的指導文件,它規定風電機組的防雷保護級別至少應為第 二級,也就是說,風電機組應能夠防護150KA以上的雷電而不損壞。
5、關于雷擊風險評估的方法參見《IEC62305-2》。
第五章 風電機組的綜合防雷
防雷分區概念
防雷分區概念是在某一界定范圍內,為了創造一個特定的抗電磁干擾的環境 (抗EMC環境)所采取的結構性的措施。防雷保護區概念是規劃風力發電機綜合防雷保護的基礎。它是一種對結構空間的設計方法,以便在構筑物內創建一個穩定 的電磁兼容性環境。構筑物內不同電氣設備的抗電磁干擾能力的大小決定了對這一空間電磁環境的要求。
防雷接地防雷分區示意圖
防雷分區概念作為一個保護措施,它限定了其所定義的邊界上的傳導及電磁干擾,并力求降至最低。出于這個目的,我們將被保護的物體劃分在不同的保護分區內。 在劃分風電設備的防雷分區時,應充分考慮其結構上的特征。重要的是,要將從外部進入雷電保護區 LPZ0A 區的、起直接作用的雷電參數,通過屏蔽措施以及配置相應的浪涌保護裝置,盡可能地減小,以確保風電設備中的電力和電子系統能夠無干擾地正常運行。按照防雷 保護分區的概念,一個風電機組綜合防雷接地系統包括:
1) 外部防雷接地保護系統:葉片、機艙、塔架及引下線、接地網。
2) 內部防雷保護系統:防雷擊等電位連接、電涌保護、屏蔽措施。
一、 外部防雷接地保護系統
(1) 葉片 風電機組的葉片中,有的葉片并沒有設置內部導電體或進行表面金屬化處理,僅是純粹的玻璃增強塑料(GRP)結構或GRP–木結構。運行經驗表明,這種類型的葉片經常遭受雷擊,并且通常是災難性的。為此,應在物理結構上采取防雷措施,以減小葉片遭受雷擊時的損傷。
對于無葉尖阻尼器的葉片,一般是在葉尖部分的玻璃纖維外表面預置金屬化物作為接閃器,并與埋置于葉片內的銅導體相連(銅導體與葉根處的金屬法蘭連接)。外表面金屬化物可以采用網狀或箔狀結構。雷擊可能會對這樣的表面造成局部熔化或灼蝕損傷,但不會影響葉片的強度或結構。
(1)無葉尖阻尼器的葉片防雷結構(圖2)
無葉尖阻尼器的葉片防雷結構簡圖
(2)有葉尖阻尼器的葉片防雷結構(圖3)
有葉尖阻尼器的葉片防雷結構簡圖
對于有葉尖阻尼器的葉片,通常是在葉尖部分的玻璃纖維中預置金屬導體作為接閃器,通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動葉尖阻尼器的鋼絲(啟動鋼絲與輪轂共地)相連接。這樣的結構通過了200kA的沖擊電流實驗,葉片沒有任何損傷。可以預見,這樣的葉片遭受雷擊的概率要比絕緣材料制成的葉片高,但只要滿足下列條件就不會造成很大損傷:①雷擊點處的電弧灼燒不產生嚴重的破壞;②雷電流可以安全地通過導電構件導入地下。這就要求導電構件需要有足夠的強度和橫截面積。
(2) 機艙
如果葉片采取了防雷保護措施,也就相當于實現了對機艙的直擊雷防護。雖然如此,也需要在機艙尾部設立避雷針,并與機架緊密連接。即機艙主機架除了與葉片相連, 還連接機艙頂上避雷針, 見圖4。避雷針用作保護風速計和風標免受雷擊。主機架再連接到塔架和基礎的接地網。
機艙防雷設計圖
圖4  機艙防雷設計 如果葉片沒有防雷保護,則應在機艙的首尾端同時裝設避雷針。對由非導電材料制成的機艙中的控制信號等敏感的線路部分都應有效屏蔽,屏蔽層兩端都應與設備外 殼連接,而且還要避免形成環路。另外在機艙表面應布置金屬帶或金屬網,且與機架相連接,為工作人員提供安全保護和一定程度的電屏蔽。裝設這種帶狀保護和附 加防護,以及位于機艙前部的避雷針等,在絕緣葉片的情況下是非常必要的。
如果機艙是金屬制成的,則將機艙與低速軸承和發電機機座相連接,就可以實現很好的安全保護和電屏蔽。提供電氣連接的導體應盡量短。
(3)塔架及引下線 專設的引下線連接機艙和塔架,減輕電壓降,跨越偏航環,機艙和偏航剎車盤通過接地線連接,因此,雷擊時將不受到傷害,通過引下線將雷電順利地引入大地。
(4) 接地網 良好的接地是保證雷擊過程中風電機組安全的必備條件。由于風電場通常會布置在山地且范圍非常大,而山地的土壤電阻率一般較高,因此按照一般電氣設備的接地方 式設計風電機組的接地系統顯然不能滿足其安全要求。風電機組基礎周圍事先都要布置一小型的接地網,它由1個金屬圓環和若干垂直接地棒組成,但這樣的接地網 很難滿足接地電阻須小于1~2歐的要求。通常的改善措施是將風電場內所有的機組接地網都連接起來,以降低整個風電場的接地電阻。由于風電場機組間都布置有 電力電纜通信電纜,因此機組接地網的連接實際上可以通過這些電纜的屏蔽層來實現。另外,還可在機組接地網間敷設金屬導體,當遭受雷擊時可顯著降低風電場 的地電位升高,也可減輕雷擊對電纜絕緣及變壓器高低壓繞組間絕緣的危害程度。
接地網設在混凝土基礎的周圍,見圖5。接地網包括1個50 mm2銅環導體,置在離基礎1 m地下1 m處;每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒,作為銅導電環的補充;銅導電環連接到塔架2個相反位置,地面的控制器連接到連點之一。有的設計在銅環導體與塔基中 間加上兩個環導體,使跨步電壓更加改善。如果風機放置在高地電阻區域,地網將要延伸保證地電阻達到規范要求。一個有效的接地系統,應保證雷電入地,為人員 和動物提供最大限度的安全,以及保護風機部件不受損壞。
防雷接地網示意圖
圖5  接地網
二、 內部防雷保護系統
(1)風輪、機艙、水平軸、尾舵和塔身的等電位連接
機艙外殼應采用鋼板制成,作為承受直擊雷的載體,按照GB50057-94的要求,鋼板厚度必須大于4mm,在機艙的上方安裝幾支避雷短針,防止雷電發 生繞擊和側擊時,穿透機艙,對機艙內設備造成損壞。如果機艙外殼為復合材料時,應在機艙外面敷設金屬網格,兼作接閃器和屏蔽之用。網孔宜為 30cm×30cm,鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下,需通過屏蔽計算,加大金屬網格的密度和鐵絲的直徑。初步估算,對于0.25/100μs的 雷電流,應不小于40db,各網格連接處應焊接以保證電氣連接。
風輪與機艙間、機艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應通過鉚接,焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接,也可以通過單獨的多股塑銅線(截面不小于16mm2),各連接過度電阻盡量小,一般不大于0.03Ω。
以上各部件連接為一個電氣的整體,使之遭受雷擊時,能有一個快速的通道沿塔身引入接地裝置。
(2)、 電磁屏蔽
由于風力發電機為高聳塔式結構,非常緊湊,發電機、信息系統、控制系統都靠近塔壁,無論風輪、機艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊,機艙內的發電機及控制系統等設備可能受到機艙的高電位反擊,在電源和控制回路沿塔筒引下過程中,也可能受到反擊。
對發電機及其勵磁系統,繼電保護和控制系統、通信和信號以及計算機系統都應安裝相應的過電壓保護裝置
電力和信息回路由機艙到地面并網柜、變流器、塔底控制柜處應采取屏蔽電纜外,還應穿入接地鐵管,使反擊率降低。各回路應在柜內安裝相應防雷裝置,這樣DBSGP(分流、均壓、屏蔽、接地)系統在各節點層層設防。
各電氣柜采用金屬薄板制作,可以有效地防止電磁脈沖干擾,在電源控制系統的輸入端,處于暫態過電壓防護的目的,采用壓敏電阻或暫態抑制二極管等保護設備與屏蔽系統連接,每個電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。
(3)、電源防護
各種柜內的進線、出線處必須按照雷電防護區域的劃分,通過雷擊風險評估后,根據評估結果進行設計。在被保護的設備處加裝三級浪涌保護器。第一級采用開關型 的電涌保護器,第二級和第三級采用限壓型的電涌保護器。且各參數必須符合規范要求的最小值,即一級標稱放電電流In≥15KA(10/350μs)或 In≥60KA(8/20μs),二級標稱放電電流I n≥40KA,三級標稱放電電流I n≥20KA。
對于690V/380V的風力發電機供電線路,為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設備,供電回路建議采用TN-S供電方式。
1、變槳控制柜:變槳控制柜位于風機頂端,雷雨天氣時容易遭受直擊雷,所以柜里電源線3x400vac/20A,300vdc/6A,24vdc(b) /10A,230vac(b)/2A等用電設備進線前端應安裝相應的三相交流電涌保護器(imax:100KA)、單相交流電涌保護器 (imax:100KA)和24V直流電源電涌保護器(In:5KA)。
2、機艙到變槳柜通訊線采用雙絞線通訊,雙絞線兩端在進入設備前應安裝信號電涌保護器。雙絞線必須穿金屬管敷設或采用屏蔽雙絞線,且金屬管或屏蔽層兩頭接地。
3、機艙控制室:機艙控制室位于風機頂端,雷雨天氣時極易遭受直擊雷,里面的開關電源送到變漿控制柜內的出線端 230vac(b)à300vdc/6A(變槳控制柜),開關電源 230vac(b)à24vdc(b)/10A(變槳控制柜)直流電源必須安裝電源浪涌保護器(In:5KA),開關電源 UPS230vacà24vdc(c)/10的24伏電源處安裝24V直流電源電涌保護器(In:5KA)。從塔底控制室到機艙控制室的Ups進線端(機 艙控制室)安裝電源電涌保護器(Imax:100KA)。
以上設備處必須安裝能承受通過一級分類實驗的電源電涌保護器。可選同為電源系列產品型號為:TPS B25-Pro P760(690V)。
塔底設備柜的防護
1、UPS230vac 塔底控制室到機艙控制室的ups輸出端(塔底控制室)加裝電源電涌保護器(In:40KA),可選同為電源系列產品型號為:TPS C40 2P。
2、變流器到機艙發電機轉子的出線端和進線端分別加裝通過二級分類試驗的電源電涌保護器(In:40KA)和通過一級分類試驗的電源電涌保護器(Imax:100KA)
3、并網柜到發電機定子之間的出線端和進線端分別加裝通過二級分類試驗的電源電涌保護器(In:40KA)和通過一級分類試驗的電源電涌保護器(Imax:100KA)
4、各機柜的二次儀表線路應加裝相應的電源電涌保護器(In:20KA)。
以上線纜建議采用穿金屬管走線或者采用鎧裝電纜,金屬管或鎧裝電纜必須在進入設備柜之前接地。電源電涌保護器的接地宜和風機的鋼結構體連接在一起。
以上防護采用三級防護的原則,在易遭受直擊雷的部位加裝通過一級分類試驗的電源電涌保護器,在艙底的設備柜內加裝通過二級分類試驗的電源電涌保護器,在弱點設備的電源處還應加裝通過三級分類試驗的電源電涌保護器,使設備得到充分的保護。

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