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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
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。
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
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