风力发电综合方案

风力发电机组防雷设计方案一、概述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，并且雷击对风电 机组造成的危害主要有直击雷、感应雷、雷电波侵入、地电位反击等形式。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。在 风力发 电机组主要 部件按 雷击毁 坏率由 高到低排列 是：电 控系统 （40%-50%）、叶片（15%-25%）、发电机（5%），按雷击引起的维修成本由大到 小排列依次是：叶片、发电机、电控系统、通讯系统。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二、设计依据标准1、Germanischer Lioyd;Vorschriften und Richtlinien,Kapitel IV:Nichtmaritime Technik,Abschnitt 1:Richtlinie fur die Zertifizierung von WindeenergieanlagenGL 指导文件 IV-1 风力 发电系统2、IEC61400-24 Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protectionIEC61400-24 风力发电系统防雷保护3、IEC62305 Protection against lightningIEC62305 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。三、风电机组设备雷电过电压损害（1）、雷电过电压的各种形式雷电过电压对风电机组设备的损害有四种形式：A、雷电直接击中设备造成的直击雷损害；B、直击雷在雷击空间形成的瞬态空间电磁场耦合到设备及线路上的过电压损害；C、雷电流流入接地体时在接地电阻上产生的瞬态地电位抬高会机组设备造 成的地电位反击损害；D、雷电过电压沿着与设备相连接的电源线、信号线侵入设备造成的雷电电源 侵入波损害。（2）、雷电过电压的损坏机理雷电流流过物体时，会造成物体温度的升高，即雷电流的热效应。风电机叶 的损害很大程度上与此有关。雷电流流过叶片时，释放巨大的能量，使得叶片的 温度急剧升高，分解的气体高温膨胀，压力上升从而造成叶片的爆裂破坏。雷电流流过物体时，可能会产生很大的电磁力，造成物体的扭曲变形乃至断裂，即雷电流的电磁力效应，这会对叶片等部件造成很多的威胁。雷电流的上升陡度决定控制系统内部的电子器件或者是电源设备及其相应 传输线路上感应过电压的大小。物体遭受雷击的时候，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出 现灼蚀斑点，如果雷电流做足够大还可能导致金属熔化，这对风电机组的轴承造 成的威胁尤其大，因为在轴承接触面上很容易电弧，将轴承熔焊在一起，或者是 加速起磨损，从而降低寿命。四、风电机组综合防雷保护系统根据IEC61400 - 24风力发电系统防雷保护，风电机组防雷区分为 BSZ0A,BSZ0B,BSZl,BSZ2等4区，其中BSZOA区易遭受直击雷击，BSZOB区不会 遭受直击雷，但是该区的电磁场不会衰减，这部分包括了风轮叶片，轮毂，机舱 罩，测风设备的风况传感器，无屏蔽措施的操作间和变电站，土壤内的电缆连接 等部分。BSZ1和BSZ2区不会遭受直接雷击，而且在这两区域内的电磁场依次衰 减，包括采取了有效雷电导引和屏蔽措施的风轮叶片内部。全金属网格覆盖的机 舱罩内部，金属塔架的内部，操作间和变电所的内部等。防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。它是一种对结构 空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境。构筑物内不 同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。作为一种保护措施，防雷保护区概念当然就包括了应在防雷保护区的边界 处，将电磁干扰（传导性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内，因此，被 保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。防雷保护区的具体划分结 果与风电机组的结构有关，并且也要考虑这一结构建筑形式和材料。通过设置屏 蔽装置和安装电涌保护器，雷电在防雷保护区 0A 区的影响在进入 1 区时被大大 缩减，风电机组内的电气和电子设备就可以正常工作，不受干扰。按照防雷保护 分区的概念，一个综合防雷系统包括：（1） 外部防雷保护系统：接闪器、引下 线、接地系统。 （2） 内部防雷保护系统：防雷击等电位连接、电涌保护、屏 蔽措施。（一）外部防雷保护系统外部防雷保护系统由接闪器、引下线和接地系统组成，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。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30X3.5mm 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。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p810mm，或者镀锌扁钢30X3.5mm）。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。并且要保证接地系统的接地电阻 达到防雷规范要求。（二）内部感应雷防雷保护系统内部防雷保护系统是由所有的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组 成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护。1、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，这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流排相连。2、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，如果能在 设计阶段就考虑到屏蔽措施，那么屏蔽装置就可以以较低成本实现。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。对于干扰的抑制，只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时， 屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。3、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0A-1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10/350M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0A-1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8/20M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。从通流量上考虑，例如一条电话线，在导线上的分雷电流应按照 5%来 预估，对于III/W级防雷保护系统，就是5kA（10/350卩s）。（三）主要部分的防雷设施细则：1、直击雷部分：作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时 叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。研究 结果表明叶片的完全绝缘不能降低被雷击的风险而只能增加受损伤的程度，而在 很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。国内某风电企业为风力发电机组的叶片研 制开发了专门的防雷系统，由雷电接闪器和雷电传导部分组成。雷电接闪器是一 个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪 器可以经受多次雷电的袭击，损坏后也可以方便地更换。在叶片内部，雷电传导部分将雷电从接闪器导入叶片根部的金属法兰，通 过轮毂传至机舱。在轮毂的法兰处装有间隙放电组成的保护将雷电流迅速传至机 舱底座，释放雷击过电压。2、感应雷浪涌保护部分：直击雷发生时快速变化的电磁场易在包括才、机舱内部和穿过偏航轴承的地 方以及连接到控制室和配电室的电缆中产生雷电感应过电压，顾位于这些区域任 何一端的电气控制设备，都要加装以气体放电管，压敏电阻等为核心器件的浪涌 保护器(SPD)，具体包括了电源，信号等类型，以此抑制可能出现的雷电过电 压，对于 690V/380V 的风电机组供电线路，为防止沿低电源侵入的雷电过电压， 供电线路应采用TN-S供电方式。整个供电线路采用三级保护原理：一二级采用 浪涌保护器(SPD)，第三级采用终端设备保护器。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) 发电机的保护应在发电机定子端、转子端设置相应的电源防雷器。2) 机舱开关柜的保护a) 从塔基控制柜到机舱开关柜的线缆，应在线路进入开关柜的入口端安装相应的防雷 器。b) 从测风系统进入开关柜的信号线，应在进入开关柜的入口端安装信号线保护器。c) 从远端控制系统进入开关柜的信息线，应在进入开关柜的入口端安装信号线保护器。3) 轮毂变桨系统的保护变桨系统是控制风机桨叶转动的执行机构，其电源与信号线路与机舱开关 柜连接。应在这些线路进入变桨系统的入口端安装相应的保护器。4) 塔基变频柜的保护位于塔基的变频柜与机舱发电机相连，从发电机定子和转子来的电源线 路在进入变频柜时，应安装相应的保护器5) 塔基控制柜的保护控制系统系统的避雷器选型：信号避雷器的选择与电源避雷器的选择类似，信号线上的避雷器应实现避雷器每线通流量达到5KA,工作电压符合系统运行电 压；塔基控制柜需要保护的线路有两个部分：a) 从机舱开关柜到塔基控制柜的线缆,应在线路进入控制柜的入口端安装相应 的防雷器。b) 从变压器室进入控制柜的电源线,应在进入控制柜的入口端安装电源线保护 器。6) 远端监控系统的保护远端监控系统负责将风机的运行状态传送的监控中心,例如给出了使用电 话线的例子。应在电话线路的入口端、到开关柜的出口端以及到控制柜的出口端 安装相应的保护器。7) 变压器端的保护在变压器低压侧安装第一级电源保护器,在变压器高压侧安装相应的高压避 雷器五、接地系统风电机组的接地系统是其防雷保护系统中的一个关键环节,雷电流是通过风 机组本身的防雷装置引入地下,故要有良好的防雷接地系统来抑制可能出现的地 电位抬高以及高电位反击,从而保证雷击时风机组的安全。风电场一般设置在高山,海岛等空旷的地方,这些地方的土壤电阻率差异很 大,即使是在同一区域,其土壤电阻率差异也可能很大。这就需要采取合理的接 地地网设计,可以利用铜包钢、角钢、或者是低电阻接地极配合降助剂使用,也 可以用离子接地极做为地网的接地极制作接地地网。通过合理的设计(每个接地 极之间要间隔 3 米以上),合理的施工确保风电机组的接地系统的接地电阻达到 防雷接地的要求。风机防雷接地电阻要在 2欧姆以下,并且每个地网之间不能存 在电位差。附件：风力发电系统防雷解决方案示意图凤叶挨旳昭川凤叶梯刃昭机能控制柜可询用 f-;*at莎设计说明jL、本阳4穷饭方第示顶厠牛菲 代誉现代器祁方第抽风力曲厄聒嫌. 口址它坐出J也应商陆沪的谊计址润就：凤力烷吒鬲嫌摘禮应屮闵沪片 iJi*?E.耳金诃推出J凤力膻吒鬲址 恤亢住笛哈聒时陝搶应4-产幷.2,授11吐为脚测由应社e .闵 屮炸衣叱牧简单.整牛皿专於城 LPZ07?.风茶内LPZLT?.怎内加 机挣屈LPZ，.4凤力破吧爲嫌片击由摘陆沪 拦由轻琲叶P亢騙抽它拦凤力肚吧 聒嫌陆日击屮的咚一抽方第.凤叶接 刃弗揺旳后通过转辂电册帥 塔内 再和嗣戦侣4摊怛绘近更翦建 应.氓FM冋:t问的柜福丈于100m|tJ曉 -t-jtmmdiiJtw.4-. 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