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雷电是一种大气中放电现象,产生于积雨中,积雨云在形成过程中,带电云团可能对地面放出下行先导,遇到上行先导时,有时会产生由地面向云团的逆导主放电。在其主放电阶段里,会出现很大的雷电流(几十千安甚至更高),并随之发生强烈的闪电和巨响,这就形成雷电。风机具有诸多引雷特性,雷电击中风机原理图【如图1所示】。
图1 雷电击中风机原理图
风力发电机组的雷击危害主要包括:直接雷击造成的机械效应、热效应、冲击波等损坏,例如叶片击穿、折断、起火等损坏;雷电感应造成的感应过电压损坏,电磁感应损坏,例如电气设备模块烧毁、故障失灵、永久失效等损坏。由于雷击造成风机停机,造成发电量损失,带来经济损失。
目前,风力发电机的防雷部分主要参考的是《IEC 61400-24风力涡轮发电机系统第24部分:雷电防护》。按照标准,风机须配置外部雷电保护及内部雷电保护系统,外部雷电保护系统包括:接闪系统、引下线系统、接地系统;内部雷电保护系统(防止雷电电磁脉冲(LEMP)损坏)包括:等电位联结、电磁屏蔽、综合布线及电涌保护器(SPD)。
现今,几乎所有的风力发电机都配备引下线装置,且在风机机舱顶部都装有接闪器,可是这些装置不能完整地保护风机免受雷电破坏。当风机落雷时,雷电所产生或者带来的电势以及磁场包围整个风机,包括叶片,机塔,电线,以及机舱,防雷产品并不能保护整个风机。风力发电机落雷后,轻者叶片受损出现裂痕,严重则风机起火造成事故,不管哪样,直接后果即非计划停机,如果是海上风力发电机,则需配备专业检修船以及人员,如发生大故障,还需调用大型浮吊,且检修还得受天气的制约。因此,雷击所引起的风机故障对发电量以及修复成本的影响是巨大的。
国外研究表明,在雷击闪电事件中,绝大部分伴随有上行闪电。而对高耸建筑物造成破坏的,主要是因为上行闪电包含长时间雷击电流,也叫初始连续电流(简称“Icc”)。Icc电流中不会有任何脉冲电流分量,并且随后也不会出现回击(无后续冲击电流)。在2000年至2013年针对盖斯伯格塔进行的雷击电流监测的统计结果显示,总计实测闪电765次,上行闪电就有713次,其中又包含“Icc事件”338次,占上行闪电情况约47%,也就是将近一半,而这338个“Icc事件”都没有被现有闪电定位系统监测到。
初始连续电流Icc的累计电荷量通常大于300C(LPL I的要求),通常大于10/350冲击放电电流的能力,更易导致材料的熔化和腐蚀,而Icc无法被现有的闪电定位系统监测到。而风电场运维的统计数据告诉我们,实时监测雷电的发生,第一时间了解雷击情况,并及时采取有效的后续措施,可以显著降低雷电灾害天气对风力发电机关键设备造成的破坏风险。
而最新发布的关于风力发电机组雷电保护的国际标准修订版IEC 61400-24(2019)也提出建议为风力发电机配备雷电监测系统,监测风机承受的所有雷电流,也包括监测初始连续电流Icc,从而为后续维护提供指导方向。
图2 DEHN雷电在线监测系统结构和配置示意图
因此,风力发电机组配置一套可靠的系统,能够监测风机承受的所有雷电流(特别是Icc)是非常必要的。德和盛电气(DEHN)专业研究雷电防护相关技术超过百年(至今112年),其开发的雷电在线监测系统,由叶片监测装置、数据采集器、测量线圈及集线器组合而成,结构和配置如图2所示,能够实现上述这些功能。应用DEHN雷电在线监测系统的价值,主要包括如下三个方面:
一、避免二次损坏并减少停机时间。风机一旦被雷电击中(包括一般闪电定位系统无法监测到的Icc),传感器会立刻显示发生雷击并发出警报。这样能让风场运维人员迅速做出反应,并能在风电场中具体定位被雷电击中风力发电机,避免由于不确定哪台风机遭受雷击,而进行盲目排查所带来的高额检修成本以及非计划停机时长。当雷击事故只造成轻微损坏时,及时维修将缩短停机时间,运维人员也可以从后台判断是否需要对风力发电机进行全面维护,以避免任何二次损坏,例如叶片损坏;
二、雷击电流参数监测。可提供快速判断叶片、机舱、塔筒是否遭受雷击。若遭受雷击,提供雷电的峰值电流、初始连续电流Icc、电荷量、比能量和陡度等参数信息,提醒运维人员及时进行详细地检查,避免造成断裂、起火等重大事故;
三、作为保险公司的可靠证据。测量所有雷电流,包括初始连续电流Icc,以及雷暴期间每个风力发电机遭受直击雷的次数,这些数据可以作为保险公司理赔时直接可靠的证据。
关于DEHN:
DEHN是一家具有百年历史的德国企业,专注于雷电防护领域,为客户提供系统解决方案,是行业技术的领跑者。
作为DEHN集团在中国设立的全资子公司,德和盛电气(上海)有限公司成立于2005年,销售业务和服务覆盖全国,公司为客户提供可靠的防雷解决方案、技术支持和培训、物流服务、设计咨询、测试等业务,同时还致力于智能防雷保护系统和电涌保护器的研发和设计,积极参与国际、国家、行业、团体等各类防雷标准规范制定。具备国内先进水平的实验室,可以支持本地研发活动和更好地服务本地客户,实验室能力完整覆盖8/20μs和10/350μs冲击测试、针对交流和直流SPD 的热稳定测试、失效模式模拟测试、组合波测试和环境可靠性测试等。
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德和盛电气作为一家为用户提供专业防雷和电涌保护技术的市场领先厂商,集中展出了公司在风电、光伏以及储能行业全面的防雷解决方案。并且重磅推出了用于陆上和海上风机的DEHNdetect和LMS雷电监测系统。
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