風力發電防雷方案

作者：未知??發布時間:2017-04-06 17:22:52

一、概述
　　風能是當前技術最成熟、最具備規模開發條件的可再生潔凈能源。風能發電為人與自然和諧發展提供了基礎。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，風機的高度和安裝位置決定了它是雷擊的首選通道，而且風機內部集中了大量敏感的電氣、電子設備，一次雷擊帶來的損壞將是非常大的。因此，必須為風機內的電氣、電子設備安裝完整的防雷保護系統。通過安裝防雷保護裝置，設備得到了保護，維護和維修費用降低，并且可以提高設備正常工作的時間。從效率方面考慮，應該從風電機組的設計階段就考慮其防雷保護的問題，這樣就可以避免日后的昂貴的維修費用和改造工程。只有可靠工作的設備才能讓投資盡快收回。也只有如此，才能讓更多的潛在投資者接受這一系統。
　
二、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》
2、IEC61400-24 Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protection
《IEC61400-24 風力發電系統防雷保護》
3、IEC62305 Protection against lightning
《IEC62305 雷電防護》
《GL指導文件》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。
《IEC61400-24》定義和描述了風機防雷保護裝置及其應用。
《IEC62305》具體規定了防雷保護裝置的性能指標。
德國保險業協會（GDV）的指導文件《VdS 2010雷擊浪涌防護》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。
關于雷擊風險評估的方法參見《IEC62305-2》。
三、風電機組綜合防雷保護系統
1、雷電對風電機組的危害
　　雷電對風電機組的危害風力發電機通常位于開闊的區域，而且很高，所以整個風機是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級風力發電機的葉片高度達到150m以上，因此風機的葉片部分特別容易被雷電擊中。風機內部集成了大量的電氣、電子設備，可以說，我們平常用到的幾乎每一種電子元件和電氣設備，都可以在一臺風電機組中找到其應用，例如開關柜、馬達、驅動裝置、變頻器、傳感器、執行機構，以及相應的總線系統等。這些設備都集中在一個很小的區域內。毫無疑問，電涌可以給風電機組帶來相當嚴重的損壞。
　　以下的風力發電機數據由歐洲幾個國家提供,其中包含了超過4000 臺風力發電機的數據。表1是德國、丹麥和瑞典三國這些事故的匯總表。由雷擊導致的風力發電機損壞數量，每100臺平均每年3.9次到8次。從統計數據上顯示，在北歐的風力發電機組中，每100臺每年有4-8臺遭受雷擊而損壞。
表1  雷擊損壞頻率表

國家	日期	風力發電機數量	容量（MW）	渦輪/年度	雷擊事故	每100臺/年損壞量
德國	1991-1998	1498	352	9204	738	8
丹麥	1990-1998	2839	698	22000	851	3.9
瑞典	1992-1998	428	178	1487	86	5.8

　　具體分析風力發電機的各種不同部件遭雷擊損壞的情況，可為防雷保護提供基礎數據。探討風機中幾種不同部件遭雷擊損壞的關系 值得注意的是：雖然損害部件是不相同的， 但是控制系統部件雷擊損壞占40-50%。 
 　　隨著防雷裝置在風力發電機中的大量應用，新生產的風力發電機和舊的風力發電機遭雷擊損害的模式有了很大的不同。舊的風力發電機最常見的損害是控制系統，而較新生產的風力發電機最常見的損害的是風葉。這表明近年來由于安裝防雷裝置，控制系統的防雷保護已取得明顯的改善。
 
 　　風力發電機遭雷擊損壞后，由于故障損害的分析和后續的維修，會有一段時間的停工期。對于風電場經營者來說，設備長時間停機是負擔不起的。風機高昂的首次投資費用必須在有限的時間內收回，因此必須采取措施保證設備的長期穩定運行。
　　從廣泛使用的雷暴活動水平這一指標中，我們可以知道某一地區一年中云對地閃擊的次數。在歐洲，海岸地區和較低海拔的山區每年每平方公里發生的云‐地閃擊一般按照1次到3次來估算。平均每年的預計落雷數可以按照下列公式來計算：
n=2.4×10^‐5×N_g×H^2.05
　　N_g每年每平方公里的云‐地閃擊數，H為物體的高度假設每平方公里年平均云‐地閃擊數是2，一個75m高的物體，其雷擊概率大約是每三年一次。兆瓦級風機（H≥150m）的落雷數可以達到每12個月一次。
　　在設計防雷裝置時，還要考慮的是：當暴露在雷電直擊范圍內的物體高度超過60m時，除了云‐地閃擊之外，地‐云的閃擊也會出現。地‐云閃擊也稱作向上閃擊，它從地面先導，伴隨更大的雷擊能量。地‐云閃擊的影響對于風機葉片的防雷設計和第一級防雷器的設計非常重要。
　　根據長期觀察，雷擊造成的損壞中除了機械損壞之外，風機的電子控制部分也常常損壞，主要有：變頻器、過程控制計算機、轉速表傳感器、測風裝置。
2、防雷保護措施
　　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。 
 　　作為一種保護措施，防雷保護區概念當然就包括了應在防雷保護區的邊界處，將電磁干擾（傳導性干擾和輻射性干擾）降低到可接受的范圍內，因此，被保護的構筑物的不同部分被細分為不同的防雷保護區。防雷保護區的具體劃分結果與風電機組的結構有關，并且也要考慮這一結構建筑形式和材料。通過設置屏蔽裝置和安裝電涌保護器，雷電在防雷保護區0A區的影響在進入1區時被大大縮減，風電機組內的電氣和電子設備就可以正常工作，不受干擾。
按照防雷保護分區的概念，一個綜合防雷系統包括：
1) 外部防雷保護系統：接閃器、引下線、接地系統。
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。
下面作詳細介紹。
3、外部防雷保護系統
　　外部防雷保護系統由接閃器、引下線和接地系統組成，它的作用是防止雷擊對風電機組結構的損壞以及火災危險。
1) 接閃器
　　雷擊風力發電機的落雷點一般是在風機的槳葉上，因此接閃器應預先布置在槳葉的預計雷擊點處以接閃雷擊電流。為了以可控的方式傳導雷電流入地，槳葉上的接閃器通過金屬連接帶連接到中間部位，金屬連接帶可采用30×3.5mm 鍍鋅扁鋼。對于機艙內的滾珠軸承，為了避免雷電在通過軸承時引起的焊接效應，應將其兩端通過碳刷或者放電間隙橋接起來。對于位于機艙頂部的設施（例如風速計）的防雷保護，采用避雷針的方式安裝在機艙頂部，保護該設備不受直接雷擊。
2) 引下線
　　如果是金屬塔，可以直接將塔架作為引下線來使用；如果是混凝土塔身，那么采用內置引下線（鍍鋅圓鋼φ8～10mm，或者鍍鋅扁鋼30×3.5mm）。
3) 接地系統
　　風力發電機的接地由塔基的基礎接地極提供，塔基的基礎接地網應與周圍的操作室的基礎接地極相連構成一個網狀接地體（如圖5）。這樣就形成了一個等電位連接區，當雷擊發生時就可以消除不同點的電位差。
 
 
4、內部防雷保護系統
　　內部防雷保護系統是由所有的在該區域內縮減雷電電磁效應的設施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護。
1) 防雷擊等電位連接
　　防雷擊等電位連接是內部防雷保護系統的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統內，所有導電的部件都被相互連接，以減小電位差。在設計等電位連接時，應按照標準考慮其最小連接橫截面積。一個完整的等電位連接網絡也包括金屬管線和電源、信號線路的等電位連接，這些線路應通過雷電流保護器與主接地匯流排相連。
2) 屏蔽措施
　　屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風力發電機結構的特殊性，如果能在設計階段就考慮到屏蔽措施，那么屏蔽裝置就可以以較低成本實現。機艙應該制成一個封閉的金屬殼體，相關的電氣和電子器件都裝在開關柜，開關柜和控制柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在塔基和機艙的不同設備之間的線纜應帶有外部金屬屏蔽層。對于干擾的抑制，只有當線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時，屏蔽層對電磁干擾的抑制才是有效的。
3) 電涌保護
　　除了使用屏蔽措施來抑制輻射干擾源以外，對于防雷保護區邊界處的傳導性干擾也需要有相應的保護措施，這樣才能讓電氣和電子設備可靠的工作。在防雷保護區0A→1 的邊界處必須使用防雷器，它可以導走大量的分雷電流而不會損壞設備。這種防雷器也稱之為雷電流保護器（I 級防雷器），它們可以限制接地的金屬設施和電源、信號線路之間由雷電引起的高電位差，將其限制在安全的范圍之內。雷電流保護器的最重要的特性是：按照10/350µs 脈沖波形測試，可以承受雷擊電流。對風電機組來說，電源線路0A→1 邊界處的防雷保護是在400/690 V 電源側完成的。
　　在防雷保護區以及后續防雷區，僅有能量較小的脈沖電流存在，這類脈沖電流是由外部的感應過電壓產生，或者是從系統內部產生的電涌。對于這一類脈沖電流的保護設備叫作電涌保護器（II 級防雷器）。用8/20µs 脈沖電流波形進行測試。從能量協調的角度來說，電涌保護器需要安裝在雷電流保護器的下游。
　　當在數據處理系統安裝電涌保護器時，與電源系統上安裝的電涌保護器不同的是：電涌保護器與測控系統的兼容性以及測控系統本身的工作特性需要特別注意。這些保護器與數據線串聯連接，而且必須將干擾水平限制在被保護設備的耐受能力以內。
　　從通流量上考慮，例如一條電話線，在導線上的分雷電流應按照5%來預估，對于Ⅲ/Ⅳ級防雷保護系統，就是5kA(10/350µs)。
 
四、風電機組內部電氣、電子設備的電涌保護
　　根據風機內設備的不同以及電涌保護器安裝位置的不同，將風機內設備的電涌保護分成7個部分，以下具體介紹電涌保護器在各個不同設備中的配置。分別是：
1）  發電機的保護
2）  機艙開關柜的保護
3）  輪轂變槳系統的保護
4）  塔基變頻柜的保護
5）  塔基控制柜的保護
6）  遠端監控系統的保護
7）  變壓器端的保護