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风能,作为一种清洁而稳定的新能源,得到各国政府、机构和企业等的高度关注,风电也成为近年来世界上增长最快的能源之一。但是风电机组海拔高、位置空旷、尖端金属物、电气设备集中,这些因素导致风机遭受雷击并受其影响的风险较高,雷电已经成为了影响风机安全运行的重要威胁之一。
在IEC 62305-3(雷电防护-第3部分:建筑物的实体损害和生命危险)中关于外部防雷部分明确提出,外部雷电防护装置(以下称外部LPS)与金属装置、内部系统或者与需保护建筑物相连的外部导电部件、管线可能会出现危险火花。通俗的讲,就是当外部LPS泄放雷电流时,外部LPS表面可能会出现爬电现象,与临近电气设备距离过近时,会发生空气击穿,也就是我们通常所说的闪络现象,闪络会造成设备的损坏,甚至威胁到人身安全。针对这一情况,IEC 62305-3中提出的解决方法是外部LPS、建筑物等电位连接的导电部件之间应保持合适的隔离距离,并给出了具体的隔离距离计算方法[1]。
通过与一些整机厂商的交流以及走访一些风电场客户,并对部分风力发电机机型进行现场勘查,了解到在风机外部防雷设计中往往不会考虑外部LPS与电气设备之间的隔离距离要求。我们也常听到很多客户提出抱怨:虽然机舱外气象设备安装了接闪装置,但是设备还是会被雷击损坏;虽然安装了电涌保护器,但是有些临近引下线的设备还是损坏了。设备损坏意味着风机需要暂停运转进行检修,因此造成了潜在损失不可估计。对于风机外部防雷系统,一般不会采用隔离做法,因为风机机舱外平台空间小,而机舱内设备众多,布设引下线时无法保证必要的隔离距离。
1、耐高压绝缘引下线
DEHN HVI耐高压绝缘导线由内导体、耐高压的绝缘材料、半导体层和外护套组成。内导体为铜材,外层覆盖较厚的绝缘材料,半导体层采用特殊设计,使由雷电引起的高冲击电压按照规定的路径泄放,从而防止导线表面出现沿面闪络。DEHN HVI耐高压绝缘引下线能满足IEC 62305标准的电气技术要求。能够耐受一次直接雷击的比能量(也就是整个雷击过程中雷电流值平方的时间积分),其主要决定因素是导线的机械强度和耐热强度,HVI耐高压绝缘引下线在这方面完全没有问题。等级最高的DEHN HVI Power耐高压绝缘引下线整体系统的测试所使用的雷电流为200kA (10/350μs) ,符合IEC 61400-24中对风机雷电防护的要求,且适用于所有类别的雷电防护系统。
图1 DEHN HVI耐高压绝缘引下线的构成
2、引下线对比
我们将传统引下线、普通绝缘引下线以及DEHN HVI耐高压绝缘引下线进行对比:
1)普通引下线没有任何绝缘屏蔽措施,当雷电流经过引下线,因与临近金属设备隔离距离过近,会有雷电火花闪络至金属管线,金属管线连接至机舱内的其他设备,造成设备的损坏。
2)普通绝缘引下线,内部导体包裹着一层绝缘层,闪络现象可以得到缓解,但是因为绝缘层表面未做特殊处理,当雷电流流过引下线时,引下线表面会发生爬电现象,当距离电气设备过近,也会存在雷电火花闪络的风险。
3)DEHN HVI耐高压绝缘引下线,包括三层结构,内部导体、绝缘层以及外表面的半导体层,当雷电流流过引下线时,引下线能够把雷电流牢牢锁在半导体层内部,保证不会有雷电火花闪络的风险,给电气设备的安全运行提供了安全保障。
图2 引下线对比
3、实验验证
对于具有等效隔离功能的DEHN HVI耐高压绝缘引下线的实验验证,在IEC TS 62561-8(雷电防护系统组件——隔离LPS组件的要求)里有明确说明。最关键的两项测试内容就是雷电流耐受能力以及等效隔离功能验证[2]。
IEC 61400-24 风力发电机组雷电防护规定,除非风险分析有其他结论,否则所有子部件都应该按照LPL I(雷电防护等级)进行保护,LPL1是最高等级,意味着需要外部LPS必须耐受200kA、10/350μs的雷电流冲击[3]。
这个测试按照下图给出的测试布置来执行的。为了测试绝缘引下线的等效隔离距离而采用对比验证装置。这个对比验证装置使用了在一个2m×2m的接地网上方布置两根交叉的金属棒(导体直径8±0.5mm、长度不小于2m),它们之间保证一个电气距离Sc,接地网上的接地极的最小长度应该大于1.5m。对比验证装置与样品之间的距离应至少保持2m。
图3 DEHN HVI耐高压绝缘引下线耐高压及等效隔离距离功能测试
说明:
1.高压脉冲发生器
2.高压脉冲分压器
3.冲击测试装置
4.对比验证装置
5.测试样品(DEHN HVI耐高压绝缘引下线)
图4 样品测试描述
说明:
1.DEHN HVI耐高压绝缘引下线
2.金属管
3.根据生产厂家的安装说明进行连接(外表面等电位连接)
4.内导体
5.连接至高压脉冲发生器
图5 实验室布置图
图6 实验室测试过程
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