風力發(fā)電機綜合防雷方案 |
| 時間：2018年12月24日 閱讀：8165次 |
由于現代科學技術的迅猛發(fā)展，風力發(fā)電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對的也增加了被雷擊的風險，雷擊成了自然界中對風力發(fā)電機組安全運行危害最大的一種災害。雷電釋放的巨大能量會造成風力發(fā)電機組葉片損壞、發(fā)電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。我國沿海地區(qū)地形復雜，雷暴日較多，應充分重視雷擊給風力風電機組和運行人員帶來的巨大威脅。例如，紅海灣風電場建成投產至今發(fā)生了多次雷擊事件，據統(tǒng)計，葉片被擊中率達4%，其他通訊電器元件被擊中率更高達20%。為了降低自然災害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對性的防范措施。
風機的防雷是一個綜合性的防雷工程，防雷設計的到位與否，直接關系到風機在雷雨天氣時能否正常工作，并且確保風機內的各種設備不受損害等。
如果風機主體高度約80米，葉片長度約40米，即風機最高點高度約為120米，且大多數風力發(fā)電機位于空曠地帶，較孤立。風機的高度加上所處特殊的環(huán)境，造成風力發(fā)電機在雷雨天氣時極易遭受直擊雷。
國際電工委員會對防雷過電壓保護的防護區(qū)域劃分為：LPZ0 區(qū)（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 區(qū)，LPZ2 區(qū)。
在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機艙的外部（包括機艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應屬于LPZ0 區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞雷）或不遭受直擊雷但電磁場沒有衰減的部位。機艙內、塔架內的設備應屬于 LPZ1 區(qū)，這其中包括電纜、發(fā)電機、齒輪箱等。塔架內電氣柜中的設備，特別是屏蔽較好的弱電部分應屬于 LPZ2。
對與現有風力發(fā)電機的 LPZ0 區(qū)防雷過電壓保護裝置進行分析后，在 LPZ0 區(qū)內，直擊雷的防護在沒有技術突破的前提下仍然沿用傳統(tǒng)的富蘭克林避雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護物受雷擊，以達到保護避雷的目。這就要求風機的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導電性能良好、自身重量輕的類似于碳纖維的材料，用單獨的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個良好的通道。
機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上避雷針（筆者在給天津海事局燈塔做防雷工程時，在煙臺北長山島上近距觀察風力發(fā)電機看到的），與葉片位于相反的方向，估計該避雷針用作為保護風速計和風標免受雷擊。
根據風力發(fā)電機的使用性質及其重要性，參照《建筑物防雷設計規(guī)范》50057-94（2000版）關于建筑物的防雷分類，可以將風力發(fā)電機劃分為二類防雷建筑。二類防雷建筑對應的滾球半徑為45米，根據電氣—幾何模型
hr=10·I0.65
hr——雷閃的最后閃絡距離（擊距），即滾球半徑
I——與hr對應的得到保護的最小雷電流幅值（KA），即比該電流小的雷電流可能擊到被保護的空間。
當hr=45米時，I=10.1KA，即在選用滾球半徑為45米時，當雷電流大于10.1KA時，雷電閃擊就會擊在接閃器上；當雷電流小于10.1KA時，會發(fā)生繞機，即雷電可能擊在被保護物上，而不是接閃器上；如果被保護物自身的高度超過45米時，還會發(fā)生側擊，即發(fā)生雷電時，閃擊可能擊在塔身上（塔身高約80米）。根據莫斯科燈塔觀測到的雷擊，有多次時擊在燈塔下方的，即發(fā)生了側擊。同時，較大的高度使得上行雷的概率增大。由于風力發(fā)電機塔身較高，使得積雨云下端與葉片的距離接近，大氣電場強度突增，導致發(fā)生局部的空氣擊穿而產生向上發(fā)展的流光，終至出現上行先導。
關于風力發(fā)電機的雷擊概率，可以參照《高層建筑電氣設計手冊》提供的一個估算的經驗公式。它是根據美國、波蘭、日本、瑞典對特高層建筑的觀察記錄，得出的經驗公式：N=3×10-5H2
H的單位為m，適用于1KL=10.由此可以估算出，在1KL=30 的地區(qū)（上海接近此數），100m高的建筑，每年大約遭受1次雷擊。從這個公式中可以揭示出一個規(guī)律，即高層建筑雷擊概率與其高度的平方成正比。
以上的防護是建立在一個有良好接地體的基礎上的，參照《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-94 及《微波站防雷與接地設計規(guī)范》YD2011-93 相關條款，風力發(fā)電機防雷接地電阻不能小于4Ω。
機艙外殼應采用鋼板制成，作為承受直擊雷的載體，按照GB50057-94的要求，鋼板厚度必須大于4mm，在機艙的上方安裝幾支避雷短針，防止雷電發(fā)生繞擊和側擊時，穿透機艙，對機艙內設備造成損壞。如果機艙外殼為復合材料時，應在機艙外面敷設金屬網格，兼作接閃器和屏蔽之用。網孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計算，加大金屬網格的密度和鐵絲的直徑。初步估算，對于0.25/100μs的雷電流，應不小于40db,各網格連接處應焊接以保證電氣連接。風輪與機艙間、機艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應通過鉚接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨的多股塑銅線（截面不小于16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03Ω。以上各部件連接為一個電氣的整體，使之遭受雷擊時，能有一個快速的通道沿塔身引入接地裝置。
由于風力發(fā)電機為高聳塔式結構，非常緊湊，發(fā)電機、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都靠近塔壁，無論風輪、機艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機艙內的發(fā)電機及控制系統(tǒng)等設備可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。對發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)，繼電保護和控制系統(tǒng)、通信和信號以及計算機系統(tǒng)都應安裝相應的過電壓保護裝置。電力和信息回路由機艙到地面并網柜、變流器、塔底控制柜處應采取屏蔽電纜外，還應穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應在柜內安裝相應防雷裝置，這樣才能使（分流、均壓、屏蔽、接地）系統(tǒng)在各節(jié)點層層設防。各電氣柜采用金屬薄板制作，可以有效地防止電磁脈沖干擾，在電源控制系統(tǒng)的輸入端，處于暫態(tài)過電壓防護的目的，采用壓敏電阻或暫態(tài)抑制二極管等保護設備與屏蔽系統(tǒng)連接，每個電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。
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