风力发电机组防雷保护探析--中国期刊网

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风力发电机组防雷保护探析

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：侯高明梁洪霞

[导读] 摘要：随着社会的不断发展，国家的发电方式也在不断地改进。

        明阳智慧能源集团股份公司广东省中山市 528400
        摘要：随着社会的不断发展，国家的发电方式也在不断地改进。风力发电是利用自然界的力量进行发电的，是符合国家可持续发展的。对于风力发电机组的防雷是确保安全供电的措施。
        关键词：风力；发电机组；防雷保护
        1.雷电的产生及危害
        雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象，电位差可达数兆瓦甚至十兆瓦，放电电流几十千安甚至几百千安。经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷，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，比如树木和高耸的建筑物。这些物体向上释放出正极的放电，并试图与从云块发出的向下的负极放电相结合，当正负电荷相结合时，闪电就发生了。因风力发电机一般都是安装在空旷的地方，并且明显高于附近的建筑物和树木，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁下，尤其是叶片。因被雷击中的概率与该物体高度的平方成正比，况且风力发电机几乎任何地方都可能成为雷击的附着点，当任一点被雷击中时，它都将成为雷电流泄放的通路。风力发电机组的内部有很多的电子电气设备，比如控制柜、驱动装置、传感器、变频器、执行机构，以及相应的总线系统等。风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资的60%以上，倘若遭到雷击，除了会损失在维修期间本应发电所得之外，还要负担被损坏部件的拆装和更新的巨大费用。
        2.雷电放电的分类及其防护
        雷电放电通常可分为直击雷、感应雷、雷电侵入波和球形雷四种。以下主要介绍直击雷和感应雷的雷电放电的防护。（1）直击雷防护：是保护建筑物本身不受雷电损害，以及减弱雷击时巨大的雷电流沿着建筑物泄入大地时对建筑物内部空间产生的各种影响。直击雷防护主要采用独立避雷针（矮小建筑物）。建筑物防直击雷措施应采用避雷针、带、网，引下线，均压环，等电位和接地体等。（2）感应雷的防护：措施是对雷云发生自闪、云际闪和云地闪时，在进入建筑物的各类金属管、线上所产生雷电脉冲起限制作用，从而保护建筑物内人员及各种电气设备的安全。采取的措施应根据各种设备的具体情况，除要有良好的接地和布线系统、安全距离外，还要按供电线路，电源线、信号线、通信线以及馈线的情况安装相应避雷器以及采取屏蔽措施。
        3.风力发电机组防雷保护
        3.1外部防雷保护系统
        外部防雷保护系统可以有效的将袭击风电机组的雷电流导入大地，避免风电机组遭到雷电直接破坏。通常情况下，风电机组在遭遇雷电袭击时，会通过两条路径将闪电导向大地。一条路径是由叶片顶端的接闪器接收大部分雷电流，通过引下线将电流引到叶片根部进而引到轮毂上，通过轮毂与主轴相连，电流可直接导到主轴上，然后轮毂与传动链、弯头外壳之间连接地线。另一条路径是雷电流由安装于风速风向仪支架上的避雷针接收，然后通过外部连接线将其导入机舱罩内部预埋的避雷系统，进而导入主机架。通过这两条路径将雷电流导入主机架后，再通过三个偏航防雷碳刷将电流导向塔筒，最终使其流入大地，从而起到一定的防雷保护作用。
        （1）叶片防雷和避雷针。由于高度较高，风机的叶片、机舱盖和机舱顶部的风速计容易被直击雷损坏。为了有效地接收雷击电流并引导其进入地面保护设备，每个叶片都配有一套完整的内部防雷系统。系统通过位于叶片顶部的叶尖避雷器接收雷电，然后通过叶尖避雷器接收雷电，与叶尖避雷器连接并敷设在叶片内部的金属网或钢丝引下线将雷电电流排向叶根。机舱顶部设施的防雷，可采用安装在风速风向仪支架上的避雷针接收雷电。
        （2）叶根到主机架雷电传导。

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叶片引下线可直接敷设到叶根中心位置并与金属连接件相连，而每个叶片对应轮毂面的中心位置也固定有金属连接件，两连接件之间通过编织铜电缆相连，这样就可以有效的将叶片接收的雷电流传导到轮毂上。轮毂是金属结构，本身具有良好的导电屏蔽效果，它与主轴之间通过螺栓连接，雷电流可以从轮毂直接传导到主轴的法兰盘上，而主轴的转动部分和主机架的静止部分之间，通过三个防雷碳刷和与其平行安装的有间隙的三个放电导板相连接，使得雷电流可越过旋转轴承转移到主机架上。
        （3）机罩防雷系统。风速仪支架上的避雷针通过外部接线与发动机罩相连。发动机罩内部连接线与发动机罩嵌入式防雷系统连接。闪电从发动机罩连接到框架和塔架防雷系统。同时，前发动机罩的嵌入式防雷系统与轮毂和叶片防雷系统相连。叶片雷击接至主框架和塔架防雷系统，并转移至地下。
        （4）塔架雷电电流传导。风机塔架一般由多节组成。为了保证雷电流的良好传导，根据等电位原理，将相邻两节塔筒用平均分布于塔筒端的4根50mm2的铜编织电缆连接起来，塔底法兰连接到基础楼的三至四个接地极，以确保雷击电流安全地引入大地。
        3.2内部防雷保护措施
        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。
        （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）屏蔽及隔离措施。为了进一步消除电磁脉冲对电子信号的干扰，一方面将主控系统、变桨系统、变流器等电子系统的金属柜体可靠接地，另一方面对通讯、传感器信号等采用带金属屏蔽层的电缆进行传输，且屏蔽层可靠接地。其次，为了达到光电隔离，保证通信质量的目的，机舱柜和塔基柜之间的通信线采用光纤。最后，在合理布线时，须将动力线和信号线分开铺设，且电缆走线尽量避免出现环状。
        （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，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10/350µs脉冲波形测试，可以承受雷击电流。对风电机组来说，电源线路边界处的防雷保护是在400/690V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。用8/20µs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。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/Ⅳ级防雷保护系统，就是5kA（10/350µs）。
        参考文献：
        [1]姚林玲，崔婷茹，杨瑜.风力发电机组的防雷设计方法分析[J].科技创新导报，2016，13（33）：51+53.
        [2]王艳姣.风电机组防雷保护研究[D].西南交通大学，2018.
        [3]薛成亮.风力发电机组防雷的研究分析[J].现代国企研究，2015（20）：178+180.
        [4]王森.风力发电机组防雷保护研究[J].山西建筑，2015，41（29）：147-148.