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防雷方案
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风电站防雷方案设计

时间:2014-04-22    作者:admin    点击:

风能是当前技术最成熟、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,为了吸收更多能量,轮毂高度和叶轮直径随着增高,相对的也增加了被雷击的风险,雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。我国沿海地区地形复杂,雷暴日较多,应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。例如,红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件,据统计,叶片被击中率达4%,其他通讯电器元件被击中率更高达20%。为了降低自然灾害带来的损失,必须充分了解它,并做出有针对性的防范措施。
    风机的防雷是一个综合性的防雷工程,防雷设计的到位与否,直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作,并且确保风机内的各种设备不受损害等。

一、 直击雷防护
    该风机主体高度约80米,叶片长度约40米,即风机最高点高度约为120米,且大多数风力发电机位于空旷地带,较孤立。风机的高度加上所处特殊的环境,造成风力发电机在雷雨天气时极易遭受直击雷。
    国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为:LPZ0 区(LPZ0A、LPZ0B),LPZ1 区,LPZ2 区。   
    在金属塔架接地良好的情况下,叶片、机舱的外部(包括机舱)、塔架外部(包括塔架)、箱式变压器应属于LPZ0 区,这些部位是遭受直击雷(绕雷)或不遭受直击雷但电磁场没有衰减的部位。机舱内、塔架内的设备应属于 LPZ1 区,这其中包括电缆、发电机、齿轮箱等。塔架内电气柜中的设备,特别是屏蔽较好的弱电部分应属于 LPZ2。
    对与现有风力发电机的 LPZ0 区防雷过电压保护装置进行分析后,在 LPZ0 区内,直击雷的防护在没有技术突破的前提下仍然沿用传统的富兰克林避雷方法:利用自身的高度使雷云下的电场发生畸变,从而将雷电吸引,以自身代替被保护物受雷击,以达到保护避雷的目。这就要求风机的叶片的制作及其材料提出很高的要求,即叶片必须能够承受足够大的电流,并且在叶片上添加导电性能良好、自身重量轻的类似于碳纤维的材料,用单独的线缆将叶片与塔身连接在一起,为雷电流泄放提供一个良好的通道。
    机舱主机架除了与叶片相连,还连接机舱顶上避雷棒(笔者在给天津海事局灯塔做防雷工程时,在烟台北长山岛上近距观察风力发电机看到的),与叶片位于相反的方向,估计该避雷棒用作为保护风速计和风标免受雷击。
    根据风力发电机的使用性质及其重要性,参照《建筑物防雷设计规范》50057-94(2000版)关于建筑物的防雷分类,可以将风力发电机划分为二类防雷建筑。二类防雷建筑对应的滚球半径为45米,根据电气—几何模型
    hr=10·I0.65 
    hr——雷闪的最后闪络距离(击距),即滚球半径
    I——与hr对应的得到保护的最小雷电流幅值(KA),即比该电流小的雷电流可能击到被保护的空间。
    当hr=45米时,I=10.1KA,即在选用滚球半径为45米时,当雷电流大于10.1KA时,雷电闪击就会击在接闪器上;当雷电流小于10.1KA时,会发生绕机,即雷电可能击在被保护物上,而不是接闪器上;如果被保护物自身的高度超过45米时,还会发生侧击,即发生雷电时,闪击可能击在塔身上(塔身高约80米)。根据莫斯科灯塔观测到的雷击,有多次时击在灯塔下方的,即发生了侧击。同时,较大的高度使得上行雷的概率增大。由于风力发电机塔身较高,使得积雨云下端与叶片的距离接近,大气电场强度突增,导致发生局部的空气击穿而产生向上发展的流光,终至出现上行先导。
    关于风力发电机的雷击概率,可以参照《高层建筑电气设计手册》提供的一个估算的经验公式。它是根据美国、波兰、日本、瑞典对特高层建筑的观察记录,得出的经验公式:N=3×10-5H2 
    H的单位为m,适用于1KL=10.由此可以估算出,在1KL=30 的地区(上海接近此数),100m高的建筑,每年大约遭受1次雷击。从这个公式中可以揭示出一个规律,即高层建筑雷击概率与其高度的平方成正比。
    以上直击雷的防护是建立在一个有良好接地体的基础上的,参照《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 及《微波站防雷与接地设计规范》YD2011-93 相关条款,风力发电机防雷接地电阻不能小于5Ω。

二、 风轮、机舱、水平轴、尾舵和塔身的等电位连接
    机舱外壳应采用钢板制成,作为承受直击雷的载体,按照GB50057-94的要求,钢板厚度必须大于4mm,在机舱的上方安装几支避雷短针,防止雷电发生绕击和侧击时,穿透机舱,对机舱内设备造成损坏。如果机舱外壳为复合材料时,应在机舱外面敷设金属网格,兼作接闪器和屏蔽之用。网孔宜为30cm×30cm,钢丝直径不宜小于2.5mm。必要情况下,需通过屏蔽计算,加大金属网格的密度和铁丝的直径。初步估算,对于0.25/100μs的雷电流,应不小于40db,各网格连接处应焊接以保证电气连接。
    风轮与机舱间、机舱与塔柱间、尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接,也可以通过单独的多股塑铜线(截面不小于16mm2),各连接过度电阻尽量小,一般不大于0.03Ω。
以上各部件连接为一个电气的整体,使之遭受雷击时,能有一个快速的通道沿塔身引入接地装置。

三、 电磁屏蔽
    由于风力发电机为高耸塔式结构,非常紧凑,发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁,无论风轮、机舱、水平轴、还是尾舵受到雷击,机舱内的发电机及控制系统等设备可能受到机舱的高电位反击,在电源和控制回路沿塔筒引下过程中,也可能受到反击。
    对发电机及其励磁系统,继电保护和控制系统、通信和信号以及计算机系统都应安装相应的过电压保护装置。
    电力和信息回路由机舱到地面并网柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆外,还应穿入接地铁管,使反击率降低。各回路应在柜内安装相应防雷装置,这样DBSGP(分流、均压、屏蔽、接地)系统在各节点层层设防。
    各电气柜采用金属薄板制作,可以有效地防止电磁脉冲干扰,在电源控制系统的输入端,处于暂态过电压防护的目的,采用压敏电阻或暂态抑制二极管等保护设备与屏蔽系统连接,每个电控柜用不小于16mm2的多股塑铜线与接地端子连接。

四、机舱内各种柜的防护:
    各种柜内的进线、出线处必须按照雷电防护区域的划分,通过雷击风险评估后,根据评估结果进行设计,根据建筑物信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级,该风力发电机可以定为B级防护。在被保护的设备处加装三级浪涌保护器。第一级采用开关型的电涌保护器,第二级和第三级采用限压型的电涌保护器。且各参数必须符合规范要求的最小值,即一级标称放电电流In≥15KA(10/350μs)或In≥60KA(8/20μs),二级标称放电电流I n≥40KA,三级标称放电电流I n≥20KA。
    对于690V/380V的风力发电机供电线路,为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备,供电回路建议采用TN-S供电方式。
    1、变桨控制柜:变桨控制柜位于风机顶端,雷雨天气时容易遭受直击雷,所以柜里电源线3x400vac/20A,300vdc/6A,24vdc(b)/10A,230vac(b)/2A等用电设备进线前端应安装相应的三相交流避雷器(imax:100KA)、单项交流避雷器(imax:100KA)和24V直流电源避雷器(In:5KA)。
    2、机舱到变桨柜通讯线采用双绞线通讯,双绞线两端在进入设备前应安装信号避雷器。双绞线必须穿金属管敷设或采用屏蔽双绞线,且金属管或屏蔽层两头接地。
    3、机舱控制室:机舱控制室位于风机顶端,雷雨天气时极易遭受直击雷,里面的开关电源送到变浆控制柜内的出线端 230vac(b)à300vdc/6A(变桨控制柜),开关电源 230vac(b)à24vdc(b)/10A(变桨控制柜)直流电源必须安装电源浪涌保护器(In:5KA),开关电源 UPS230vacà24vdc(c)/10的24伏电源处安装24V直流电源避雷器(In:5KA)。从塔底控制室到机舱控制室的Ups进线端(机舱控制室)安装电源避雷器(Imax:100KA)。   
    以上设备处必须安装能承受通过一级分类实验的电源浪涌避雷器。
    塔底设备柜的防护
    1、UPS230vac 塔底控制室到机舱控制室的ups输出端(塔底控制室)加装电源避雷器(In:40KA)
    2、变流器到机舱发电机转子的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源避雷器(In:40KA)和通过一级分类试验的电源避雷器(Imax:100KA)
    3、并网柜到发电机定子之间的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源避雷器(In:40KA)和通过一级分类试验的电源避雷器(Imax:100KA)
    4、各机柜的二次仪表线路应加装相应的电源避雷器(In:20KA)。

    以上线缆建议采用穿金属管走线或者采用铠装电缆,金属管或铠装电缆必须在进入设备柜之前接地。电源避雷器的接地宜和风机的钢结构体连接在一起。
    以上防护采用三级防护的原则,在易遭受直击雷的部位加装通过一级分类试验的电源避雷器,在舱底的设备柜内加装通过二级分类试验的电源避雷器,在弱点设备的电源处还应加装通过三级分类试验的电源避雷器,使设备得到充分的保护。

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