风力发电防雷方案

作者：未知  发布时间:2017-04-06 17:22:52

一、概述
　　风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。
　　由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，风机的高度和安装位置决定了它是雷击的首选通道，而且风机内部集中了大量敏感的电气、电子设备，一次雷击带来的损坏将是非常大的。因此，必须为风机内的电气、电子设备安装完整的防雷保护系统。通过安装防雷保护装置，设备得到了保护，维护和维修费用降低，并且可以提高设备正常工作的时间。从效率方面考虑，应该从风电机组的设计阶段就考虑其防雷保护的问题，这样就可以避免日后的昂贵的维修费用和改造工程。只有可靠工作的设备才能让投资尽快收回。也只有如此，才能让更多的潜在投资者接受这一系统。
　
二、设计依据标准
1、Germanischer Lioyd;Vorschriften und Richtlinien,Kapitel IV:Nichtmaritime Technik,Abschnitt 1:Richtlinie fur die Zertifizierung von Windeenergieanlagen
《GL指导文件 IV-1风力发电系统》
2、IEC61400-24 Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protection
《IEC61400-24 风力发电系统防雷保护》
3、IEC62305 Protection against lightning
《IEC62305 雷电防护》
《GL指导文件》是风机安装、测试和认证的标准，该标准也包含了对风机雷电防护的具体要求，是风机防雷保护的基础性文件。
《IEC61400-24》定义和描述了风机防雷保护装置及其应用。
《IEC62305》具体规定了防雷保护装置的性能指标。
德国保险业协会（GDV）的指导文件《VdS 2010雷击浪涌防护》规定风电机组的防雷保护级别至少应为第二级，也就是说，风电机组应能够防护150KA以上的雷电而不损坏。
关于雷击风险评估的方法参见《IEC62305-2》。
三、风电机组综合防雷保护系统
1、雷电对风电机组的危害
　　雷电对风电机组的危害风力发电机通常位于开阔的区域，而且很高，所以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是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备，可以说，我们平常用到的几乎每一种电子元件和电气设备，都可以在一台风电机组中找到其应用，例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构，以及相应的总线系统等。这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问，电涌可以给风电机组带来相当严重的损坏。
　　以下的风力发电机数据由欧洲几个国家提供,其中包含了超过4000 台风力发电机的数据。表1是德国、丹麦和瑞典三国这些事故的汇总表。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。从统计数据上显示，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。
表1  雷击损坏频率表

国家	日期	风力发电机数量	容量（MW）	涡轮/年度	雷击事故	每100台/年损坏量
德国	1991-1998	1498	352	9204	738	8
丹麦	1990-1998	2839	698	22000	851	3.9
瑞典	1992-1998	428	178	1487	86	5.8

　　具体分析风力发电机的各种不同部件遭雷击损坏的情况，可为防雷保护提供基础数据。探讨风机中几种不同部件遭雷击损坏的关系 值得注意的是：虽然损害部件是不相同的， 但是控制系统部件雷击损坏占40-50%。 
 　　随着防雷装置在风力发电机中的大量应用，新生产的风力发电机和旧的风力发电机遭雷击损害的模式有了很大的不同。旧的风力发电机最常见的损害是控制系统，而较新生产的风力发电机最常见的损害的是风叶。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。
 
 　　风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损害的分析和后续的维修，会有一段时间的停工期。对于风电场经营者来说，设备长时间停机是负担不起的。风机高昂的首次投资费用必须在有限的时间内收回，因此必须采取措施保证设备的长期稳定运行。
　　从广泛使用的雷暴活动水平这一指标中，我们可以知道某一地区一年中云对地闪击的次数。在欧洲，海岸地区和较低海拔的山区每年每平方公里发生的云‐地闪击一般按照1次到3次来估算。平均每年的预计落雷数可以按照下列公式来计算：
n=2.4×10^‐5×N_g×H^2.05
　　N_g每年每平方公里的云‐地闪击数，H为物体的高度假设每平方公里年平均云‐地闪击数是2，一个75m高的物体，其雷击概率大约是每三年一次。兆瓦级风机（H≥150m）的落雷数可以达到每12个月一次。
　　在设计防雷装置时，还要考虑的是：当暴露在雷电直击范围内的物体高度超过60m时，除了云‐地闪击之外，地‐云的闪击也会出现。地‐云闪击也称作向上闪击，它从地面先导，伴随更大的雷击能量。地‐云闪击的影响对于风机叶片的防雷设计和第一级防雷器的设计非常重要。
　　根据长期观察，雷击造成的损坏中除了机械损坏之外，风机的电子控制部分也常常损坏，主要有：变频器、过程控制计算机、转速表传感器、测风装置。
2、防雷保护措施
　　防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。它是一种对结构空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境。构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。 
 　　作为一种保护措施，防雷保护区概念当然就包括了应在防雷保护区的边界处，将电磁干扰（传导性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内，因此，被保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。防雷保护区的具体划分结果与风电机组的结构有关，并且也要考虑这一结构建筑形式和材料。通过设置屏蔽装置和安装电涌保护器，雷电在防雷保护区0A区的影响在进入1区时被大大缩减，风电机组内的电气和电子设备就可以正常工作，不受干扰。
按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括：
1) 外部防雷保护系统：接闪器、引下线、接地系统。
2) 内部防雷保护系统：防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽措施。
下面作详细介绍。
3、外部防雷保护系统
　　外部防雷保护系统由接闪器、引下线和接地系统组成，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。
1) 接闪器
　　雷击风力发电机的落雷点一般是在风机的桨叶上，因此接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。为了以可控的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采用30×3.5mm 镀锌扁钢。对于机舱内的滚珠轴承，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桥接起来。对于位于机舱顶部的设施（例如风速计）的防雷保护，采用避雷针的方式安装在机舱顶部，保护该设备不受直接雷击。
2) 引下线
　　如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线来使用；如果是混凝土塔身，那么采用内置引下线（镀锌圆钢φ8～10mm，或者镀锌扁钢30×3.5mm）。
3) 接地系统
　　风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连构成一个网状接地体（如图5）。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。
 
 
4、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。
1) 防雷击等电位连接
　　防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减小电位差。在设计等电位连接时，应按照标准考虑其最小连接横截面积。一个完整的等电位连接网络也包括金属管线和电源、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。
2) 屏蔽措施
　　屏蔽装置可以减少电磁干扰。由于风力发电机结构的特殊性，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。机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关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。在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。对于干扰的抑制，只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。
3) 电涌保护
　　除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外，对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能让电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区0A→1 的边界处必须使用防雷器，它可以导走大量的分雷电流而不会损坏设备。这种防雷器也称之为雷电流保护器（I 级防雷器），它们可以限制接地的金属设施和电源、信号线路之间由雷电引起的高电位差，将其限制在安全的范围之内。雷电流保护器的最重要的特性是：按照10/350µs 脉冲波形测试，可以承受雷击电流。对风电机组来说，电源线路0A→1 边界处的防雷保护是在400/690 V 电源侧完成的。
　　在防雷保护区以及后续防雷区，仅有能量较小的脉冲电流存在，这类脉冲电流是由外部的感应过电压产生，或者是从系统内部产生的电涌。对于这一类脉冲电流的保护设备叫作电涌保护器（II 级防雷器）。用8/20µs 脉冲电流波形进行测试。从能量协调的角度来说，电涌保护器需要安装在雷电流保护器的下游。
　　当在数据处理系统安装电涌保护器时，与电源系统上安装的电涌保护器不同的是：电涌保护器与测控系统的兼容性以及测控系统本身的工作特性需要特别注意。这些保护器与数据线串联连接，而且必须将干扰水平限制在被保护设备的耐受能力以内。
　　从通流量上考虑，例如一条电话线，在导线上的分雷电流应按照5%来预估，对于Ⅲ/Ⅳ级防雷保护系统，就是5kA(10/350µs)。
 
四、风电机组内部电气、电子设备的电涌保护
　　根据风机内设备的不同以及电涌保护器安装位置的不同，将风机内设备的电涌保护分成7个部分，以下具体介绍电涌保护器在各个不同设备中的配置。分别是：
1）  发电机的保护
2）  机舱开关柜的保护
3）  轮毂变桨系统的保护
4）  塔基变频柜的保护
5）  塔基控制柜的保护
6）  远端监控系统的保护
7）  变压器端的保护