1、风力发电防雷设计方案风 力 发 电防雷设计方案风力发电防雷设计方案目录1.概述 .32.风力发电机防雷理论 .33.雷电对风电机组的危害 .54.设计依据 .65.分项防雷设计 .75.1 接闪器 .75.2 引下线 .75.3 接地系统 .85.4 防雷击等电位连接 .85.5 屏蔽措施 .85.6 电涌保护 .85.7 需电涌保护设备 .9风力发电防雷设计方案1.概述是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸
2、收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，风机的高度和安装位置决定了它是雷击的首选通道，而且风机内部集中了大量敏感的电气、电子设备，一次雷击带来的损坏将是非常大的。因此，必须为风机内的电气、电子设备安装完整的防雷保护系统。通过安装防雷保护装置，设备得到了保护，维护和维修费用降低，并且可以提高设备正常工作的时间。从效率方面考虑，应该从风电机组的设计阶段就考虑其防雷保护的问题，这样就可以避免日后的昂贵的维修费用和改造工程。只有可靠工作的设备才能让投资尽快收回。也只有如此，才能让更多的潜在投资者接受这一系统。2.风力发电机防雷理论发电机的最佳安装位置与雷暴的活动有着密切的关系。美国太空总署所公布的地图
3、显示，在大多数风力密度高的地方，每年的雷暴天数在 30 多天。 2根据一项 2002 年完成的研究，美国国家可再生能源协会的统计显示，每年有 8%的风力涡轮发电机会遭受一次直击雷击。 3在 1992 到 1995 年之间，仅德国就报告了 393 次风力涡轮发电机雷击损坏的事件（124 直接击中风力涡轮发电机，其余的通过配电网入侵）. 4角度来分析，地球的表面为负极充电，其上面的大气层为正极充电。大部份时间里, 大气是良好的绝缘体，保持了两者的距离。但是当雷暴逐渐生成并向大地表面靠近时，在云块里的电荷（正极的或是负极的)可以被传导到大地，风力发电防雷设计方案这就是闪电。最常见的闪电, 也是我们所
4、感兴趣的-与风力涡轮发电机雷电防护有关的, 是云-到-地或者 CG 的闪电，云地闪电所记录到的电流有高达 300000安培。 (超过 100 米高的风力涡轮发电机也可能遭受到向上的雷击，但是这相对非常稀少。)相对于大气而言，大地通常是负极充电的。但是当雷暴经过大地时，云块下方原本负电荷充电的几公里的雷暴范围内的大地可以变为正极充电。这些正电荷会集中在垂直的物体上，如树和高建筑物，这些物体向上发射出正极的放电，并试图与从云块发出的向下的负极放电相会合。当来自云块的负电荷放电与来自地球表面的一个物体的正电荷放电相结合时，闪电就发生了。每当一个闪电向地面传导时，它必定有一个“附着点” ，即为向上电荷
5、的起点。因为风力涡轮发电机通常在暴露的位置上，并且明显地高于邻近的物体，所以是优良的附着点。目前风力涡轮发电机的叶片是附着点。然而，风力涡轮发电机上几乎任何地方都是直击雷击的附着点：接闪器（避雷针） 、机舱（塔顶上发电机和控制器的舱房)、在设施顶部附近的突起, 和塔本身。当风力涡轮发电机的任何部份被雷击击中时，风力涡轮发电机变成雷电流泄放的通路。从附着点到大地，雷电流将流过任何阻抗最低的路径。 雷电防护是通过提供一个低阻抗的入地路径，将雷电电流从敏感元件外分流。一个防雷系统包括雷击接闪器，下引导体，接地系统和每个子系统的电涌保护器。 一个低阻抗的接地系统是任何防雷系统的首要条件。这包括了将所有
6、的金属部件、系统和雷击附着点的等电位连接。如果未能实施，则一个数以百万伏计的电压差会建立在独立的涡轮元件之间。同时也必须注意与雷击下引导体向邻近的各种导体的配线配置, 以避免巨大的感应电压(所导致的结果是产生电涌电流)入侵到塔和机舱里面的电力电路及控制电路中。但是：一个 10 欧姆的接地系统在严重的雷击时将会产生 2,000,000 伏的电涌，这意味着即使是最好的接地系统，也将有大幅的电压需要考虑，因此，设备的安全唯一答案是电涌防护器。 风力发电防雷设计方案发电机及控制系统的元件对风力涡轮发电机所遭受的直击雷击以及与风力涡轮发电机相连接的输电线路的外部所引入的电流极其敏感。因此，除了良好的接地
7、系统以外，还必须使用电涌防护器来保护这些部件。3.雷电对风电机组的危害雷电对风电机组的危害风力发电机通常位于开阔的区域，而且很高，所以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是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到 150m 以上，因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备，可以说，我们平常用到的几乎每一种电子元件和电气设备，都可以在一台风电机组中找到其应用，例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构，以及相应的总线系统等。这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问，电涌可以给风电机组带来相当严重的损坏。以下的风力发
8、电机数据由欧洲几个国家提供,其中包含了超过 4000 台风力发电机的数据。表 1 是德国、丹麦和瑞典三国这些事故的汇总表。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。从统计数据上显示，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 1 雷击损坏频率表国家 日期 风力发电机数量容量（MW） 涡轮/年度 雷击事故 每 100 台/年损坏量德国 1991-1998 1498 352 9204 738 8丹麦 1990-1998 2839 698 22000 851 3.9瑞典 1992-1998 428 178 1487 86 5.8具体
9、分析风力发电机的各种不同部件遭雷击损坏的情况，可为防雷保护提供基础数据。探讨风机中几种不同部件遭雷击损坏的关系 值得注意的是：虽然风力发电防雷设计方案损害部件是不相同的， 但是控制系统部件雷击损坏占 40-50%。随着防雷装置在风力发电机中的大量应用，新生产的风力发电机和旧的风力发电机遭雷击损害的模式有了很大的不同。旧的风力发电机最常见的损害是控制系统，而较新生产的风力发电机最常见的损害的是风叶。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。风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损害的分析和后续的维修，会有一段时间的停工期。对于风电场经营者来说，设备长时间停机是负担不起的。风机高
10、昂的首次投资费用必须在有限的时间内收回，因此必须采取措施保证设备的长期稳定运行。从广泛使用的雷暴活动水平这一指标中，我们可以知道某一地区一年中云对地闪击的次数。在欧洲，海岸地区和较低海拔的山区每年每平方公里发生的云地闪击一般按照 1 次到 3 次来估算。平均每年的预计落雷数可以按照下列公式来计算：n=2.4105 NgH2.05Ng 每年每平方公里的云地闪击数，H 为物体的高度假设每平方公里年平均云地闪击数是 2，一个 75m 高的物体，其雷击概率大约是每三年一次。兆瓦级风机（H150m）的落雷数可以达到每 12 个月一次。在设计防雷装置时，还要考虑的是：当暴露在雷电直击范围内的物体高度超过
11、60m 时，除了云地闪击之外，地云的闪击也会出现。地云闪击也称作向上闪击，它从地面先导，伴随更大的雷击能量。地云闪击的影响对于风机叶片的防雷设计和第一级防雷器的设计非常重要。根据长期观察，雷击造成的损坏中除了机械损坏之外，风机的电子控制部分也常常损坏，主要有：变频器、过程控制计算机、转速表传感器、测风装置。风力发电防雷设计方案4.设计依据1、 GL 指导文件 IV-1 风力发电系统2、 IEC61400-24 风力发电系统防雷保护3、 IEC62305 雷电防护GL 指导文件是风机安装、测试和认证的标准，该标准也包含了对风机雷电防护的具体要求，是风机防雷保护的基础性文件。IEC61400-24
12、定义和描述了风机防雷保护装置及其应用。IEC62305具体规定了防雷保护装置的性能指标。德国保险业协会（GDV）的指导文件VdS 2010 雷击浪涌防护规定风电机组的防雷保护级别至少应为第二级，也就是说，风电机组应能够防护 150KA 以上的雷电而不损坏。关于雷击风险评估的方法参见IEC62305-2 。5.分项防雷设计5.1 接闪器雷击风力发电机的落雷点一般是在风机的桨叶上，因此接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。为了以可控的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采用303.5mm 镀锌扁钢。对于机舱内的滚珠轴承，为了避免雷电在通过轴承时
13、引起的焊接效应，应将其两端通过碳刷或者放电间隙桥接起来。对于位于机舱顶部的设施（例如风速计）的防雷保护，采用避雷针的方式安装在机舱顶部，保护该设备不受直接雷击。风力发电防雷设计方案5.2 引下线如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线来使用；如果是混凝土塔身，那么采用内置引下线（镀锌圆钢 810mm，或者镀锌扁钢 303.5mm） 。5.3 接地系统风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连构成一个网状接地体。这样就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。可采用 404mm 扁钢沿塔基外围敷设环形水平接地体，同时打入 25 的圆
14、钢作为垂直接地体，垂直接地体敷设的间距为接地体长度的 2 倍，并将垂直接地体于水平接地体相连共同组成接地网。塔身周边每隔 120 与接地网连接，同时与塔基混凝土内钢筋连接。如接地电阻达不到要求，可采用如下方法改善：外引接地，使用降阻剂，深井接地。(见图号 1，2)风力发电防雷设计方案5.4 防雷击等电位连接防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减小电位差。在设计等电位连接时，应按照标准考虑其最小连接横截面积。一个完整的等电位连接网络也包括金属管线和电源、信号线路的等电位连接，这些线路应通
15、过雷电流保护器与主接地汇流排相连。5.5 屏蔽措施屏蔽装置可以减少电磁干扰。由于风力发电机结构的特殊性，机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关的电气和电子器件都装在开关柜，开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。金属屏蔽层应与等电位系统相连接。5.6 电涌保护除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外，对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能让电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区 LPZ0A区1 区的边界处必须使用防雷器，它可以导走大量的分雷电流而不会损坏设备。这种防雷器也称之为雷电流保护器（I 级防雷器） ，它们可以限
16、制接地的金属设施和电源、信号线路之间由雷电引起的高电位差，将其限制在安全的范围之内。雷电流保护器的最重要的特性是：按照 10/350s 脉冲波形测试，可以承受雷击电流。对风电机组来说，电源线路 LPZ0A区1 区边界处的防雷保护是在 400/690 V 电源侧完成的。在防雷保护区以及后续防雷区，仅有能量较小的脉冲电流存在，这类脉冲电流是由外部的感应过电压产生，或者是从系统内部产生的电涌。对于这一类脉冲电流的保护设备叫作电涌保护器（II 级防雷器） 。用 8/20s 脉冲电流波形进行测试。从能量协调的角度来说，电涌保护器需要安装在雷电流保护器的风力发电防雷设计方案下游。当在数据处理系统安装电涌保护器时，与电源系统上安装的电涌保护器不同的是：电涌保护器与测控系统的兼容性以及测控系统本身的工作特性需要特别注意。这些保护器与数据线串联连接，而且必须将干扰水平限制在被保护设备的耐受能力以内。5.7 需电涌保护设备根据风机内设备的不同以及电涌保护器安装位置的不同，将风机内设备的电涌保护分成 7 个部分，以下具体介绍电涌保护器在各个不同设备中的配置。分别是：1） 发电机的保护2） 机舱开关柜的保护3） 轮毂变桨系统的保护4） 塔基变频柜的保护5） 塔基控制柜的保护6） 远端监控系统的保护7） 变压器端的保护
