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兆瓦级风力发电机组的防雷电保护

北极星风力发电网  来源:电气技术  作者:王东、赵双喜  2019/11/1 10:04:30  我要投稿  

北极星风力发电网讯: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。

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,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。

表2-1 雷击损坏频率表

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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)。

图2-1风电机遭受雷击各部件的故障率

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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

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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。

图3-1风力发电机组防雷区域划分

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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

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