风电机组防雷研究

前言 亚洲城 /6/view-11555545.htm 风力是一种新型清洁的可再生能源,风力发电也是一种新兴的行业。随着我国科学技术的进步,风电技术飞速发展,单机容量不断扩大,开发利用风能资源已经成为调整能源结构,促发对风电机组防雷研究,实施直击雷防护与能源可持续发展
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  前言
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  风力是一种新型清洁的可再生能源,风力发电也是一种新兴的行业。随着我国科学技术的进步,风电技术飞速发展,单机容量不断扩大,开发利用风能资源已经成为调整能源结构,促发对风电机组防雷研究,实施直击雷防护与能源可持续发展的必要手段,并使商业性开发风力发电成为可能。风电机组、风电场升压站以及场内输电线路是组成风力发电系统的三个重要的组成方面。而且,我国目前各地对防雷接地认识及要求不同,许多工程采用的进口机组因各国采用标准不一也无法达到全国各地统一标准化。除此之外,我国风电场所处地形条件与风电机组自身结构的特点也是促发对风电机组防雷研究的因素。下文通过对某风电工程实例进行科学详细的分析,指导设计我国风力发电和风电场的设计,多方面阐述风力发电机的使用性质及其重要性,具有重要的指导意义。
  1 风电机组过电压保护及防雷接地
  就目前国内的现状与各种自然因素,我国风电机组多安装在雷击多发地区,如海岛等风力资源较好的空旷地带,风电场的规模和风电机组的单机容量都不断增长。并且,因风电机组结构,内部的电子器件越来越复杂,发电机组和相关控制驱动设备均处于高空等特殊位置,其各外露部位均可遭到直击雷雷击,极易受损坏。风轮与采用钢板制成的机舱间,以及其它旋转或活动部分间的连接在制造和安装过程中需根据参照《建筑物防雷设计规范》设计与安装。
  1.1直击雷的防护
  风电机塔筒处于高空位置,极易受到雷击的损坏,因此对风电机组采取相应的防范雷击措施非常必要。直击雷的防护通常采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网做接闪器,防止发电机、转子、齿轮箱 (直驱机组无此部件)、叶片及支撑塔筒等风力发电机组的重要组成部件受到损害。直接把雷电流通过良好的接地装置迅速而安全地输入大地。并且,为了防止风电机机舱遭受直击雷,应在包括上方和两侧等适当位置装设几支小避雷针,浆叶是直击雷袭击的首要目标,浆叶又是风力发电机组中最昂贵的部件,防止因受到雷击而穿透舱壁而损坏。针对大型机组,设计时可以将风力发电机组划分为二类防雷构筑物,减轻重量通常采用复合材料制造机舱外壳。仅就常见的解决方案为在外面以网格形式装接屏蔽之用的金属丝网,如有必要,再加大金属丝截面或缩小网孔。每个叶片顶端安装2个雷电接收器,来保证对风机的防护,而且保证雷击时雷电能通过导线传导到叶片轮毂,使风电机组直击雷防护更需全面可靠。长年运行中,因振动等作用力导致材料疲劳和断开,破坏力极大。强大的雷电流就会通过轴承处的油膜放电,烧损轴承和主轴的接触部位。为了使雷击造成的损失减到最低,尾舵也应沿外廓敷设导线,用来接闪和导通电流至水平轴。此外,每个叶片顶端应安装2个雷电接收器,且与机架相连接。各网格连接处应焊接以保证电气连通,还要避免形成环路,以保证雷击时雷电能通过导线传导到叶片轮毂。
  1.2感应雷的保护
  感应雷的保护是沿着金属构件布置并且加以屏蔽,并对风电机组内易受感应雷击过电压破坏的设备装设这种带状保护,并加装过电压保护装置。感应雷防护主要分为电源防雷和信号防雷,通过雷击风险评估后,按评估结果进行设计。在设备受到过电压侵袭时,保护装置,根据建筑物内信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级,采取防雷设施,快速动作泄放能量,从而保护设备免受损坏。电源系统避雷过压保护措施采用3级防护,实现很好的安全保护和电屏蔽。在安装电涌保护时,屏蔽层两端都应与设备外壳连接,遵循靠近被保护的设备,在机舱的上方安装避雷短针,接地线就近接地的原则。影响风电场安全的因素很多,风电机组电源入口部位就是影响风电场运行安全的一个重要因素。风电机组电源入口部位应装设第一级电涌保护,将残压控制在四千伏以内;在发动机的定子、转子、整流器处安装第二级电涌保护,电力和信息回路由机舱到地面箱变柜、变流器。还宜穿入两端接地铁管安装位置在塔架配电柜及机舱内,将雷电流迅速传至机舱底座,释放雷击过电压;第三级浪涌保护器在上一级浪涌保护器泄放雷电流后有效屏蔽,在残压的基础上对线缆上的雷电流进一步泄放,防止对机舱内设备造成损坏,实现终端能域避雷和频域避雷的相结合。精细保护的防雷器残压更低,可有效的保护各设备。升压站及场内输电线路过电压保护及防雷接地在绝缘叶片的情况下是非常必要的,因为其具有耐过电压能力低,容易被雷电感应的特点。虽不能保护电子设备,但还是可以提供安全保护和一定程度的电屏蔽,如安装信号防雷器。
  1.3接地系统
  雷击作为影响风电机组运行的一个重要方面,应围绕塔筒基础敷设成环形接地体,最终将电流引入接地装置,进而流入大地。因此,科学做好接地系统对风电机组时不可或缺的,并应和电气设备接地装置及所有的金属管道相连。根据国际标准以及进口风力发电机机组厂家的要求,塔底控制柜处应采取屏蔽电缆,箱变和操作控制间的接地装置应通过接地网相互连接,单台风机冲击接地电阻需在最小额度。为此需要测出单台风电机组接地网的工频接地电阻,以尽可能地获得最大面积的接地系统。根据冲击接地电阻与工频接地电阻之间的关系,作为环形接地的补充,从而得出冲击接地电阻。同时,基于不同工程的不同地质条件,接地网应设在混凝土基础的周围,风电机布置位置在高山或者在海岛,海滩滩边。风电机冲击接地网的有效半径是与土壤电阻率有关,基本呈现正相关趋势,非常紧凑,。土壤电阻率越高,其有效范围越大。针对系统故障时的灵敏度及降低保护最后阶段定值,对馈线电阻接地系统的保护配置及接地变接于母线上和接于主变本体的保护配置,也是非常重要。因此需要对每台风电机进行单独分析计算,科学客观评估,减少雷电反击。如果按 照传统的接地方式设计接地系统不能满足其要求,使风电机所处位置的土壤电阻率较高,也可能受到反击。加上地形影响,无法降低整个风电场的接地电阻,风电机接地网无法向外扩张,需要采取等电位连接和电磁屏蔽等其他降阻措施。当然,在电源和控制回路沿塔筒引下过程中,利用风电机基础本身如钢筋网、基础管桩等自然接地体,也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。   1.4机组配套升压设备保护
  为了增加总装机容量.风电机组的单机容量与规模越来越大,风电场的安全运行问题日益受到重视。诸多因素中,升压变压器也是一个影响风电场安全运行重要方面。升压变压器是风力发电重要的配套设备,市场需求逐年增加,相对的也增加了被雷击的风险概率。风力发电机出口电压一般为690V,为了吸收更多的能量,需要通过箱式变压器将电压升高后送人升压站。但是,箱式变压器主要是用于配电系统,其保护元件较多配置繁杂。一般布置在风电机附近,自身有健全的保护装置,因此,可不考虑直击雷问题。根据《交流电气装置的接地》(DL/T621―1997)规定。安装地点的土壤电阻率有一定的限制,风电机升高电压设备工频接地电阻应小于或等于4QH。在保证设备安全运行前提下提高设备运行的可靠性,同时可以明显降低风电场投资.风电机升高电压设备接地应充分利用风电机基础接地网。在配套升压变高压侧,发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁。为了削弱雷电电磁脉冲对机舱内设备的影响,在变压器高压侧安装氧化锌避雷器保护,并保证雷击电流沿塔身快速泄入接地装置,同时可在低压侧安装第一级电涌保护器以有效地保护风电机组内部设备免受雷电侵入影响。
  2某工程设计实例
  保证机舱内各种设备不受损害,对风电场过电压保护及防雷接地的设计进行阐述。某风电机出口电压为690V;安装选址在空旷开阔的丘陵或山脊上,瞬时风力可达40―50米每秒的区域内;在每台风电机附近配套安装1台0.69/10kV箱式变电站。以上各部件连接为一个电气的整体,使之遭受雷击时,达到均等电位。风电场位于海拔约1600m的高山上,其电阻率都相应较高,风电机组防雷的接地装置电阻不应大于10Ω。
  2.1 风电机过电压保护及防雷接地
  风电机本身的防雷及过电压保护通常由风电机制造厂家在出厂前完成,由于风力发电机为高耸塔式结构,仍需要对其配套设备及基础进行防雷接地设计。防雷设计的到位与否需根据IEC 62305―3规定,结合本工程的进口风力发电机机组厂家的要求来判定。接地网至少应包括一个水平环形接地,以利于风电机组雷电流释放。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,结合各台风电机所处位置地形情况,水平环形接地多点对称与塔筒基础钢筋连接,如接地电阻不满足要求,则需对该接地网进一步采取措施。根据针对目前国内一些风机外采用高强度玻璃钢材料与风电机所处位置的地形情况,具体实施。例如,单台风电机接地装置设置在以基础中心八米为半径环形水平接地带,同时从风电机中心向外铺设数根水平接地扁钢与环形水平接地扁钢相交,可有效的减少雷电电磁脉冲在线路上产生的浪涌脉冲。为了减少机舱内电子设备受雷电电磁脉冲的冲击,在辐射水平接地扁钢与环形水平接地扁钢交点处设置垂直接地极,采用金属的机舱罩,减小雷电电磁脉冲的强度。环形水平接地扁钢及辐射水平接地扁钢主要起联接和均压作用,机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱等以合适尺寸的接地带,连接到机舱主框作为等电位,而扩散雷电流的任务主要由垂直接地极完成。本工程采用物理型长效降阻剂以降低风电机组及配金箱变内易受过电压破坏的设备的接地电阻,为建筑物免直击雷雷击。其余各台风电机的垂直接地极也使用长效降阻剂以有效的降低冲击接地电阻,进一步防止雷电反击和雷电感应损害。
  2.2 箱式变电站过电压保护及防雷接地
  风电机组过电压保护及防雷接地需考虑将箱变接地网与风电机接地网可靠连接成为一个整体,并且增高轮毂高度和叶轮的直径。但由于本地区土壤电阻率高,单台风电机的工频接地电阻大于10 Q,雷电流的传导性能相对较差。因此,形成几个局部的接地网,采用降阻剂、深井、斜井等方式以降低接地电阻,适当延伸单台风电机接地网或可靠连接附近风电机的接地网,最终满足箱式变电站工频接地电阻的要求,也使每个接地网均满足规程要求。风力发电的特点是风机分散安置在旷野,箱式变电站靠风机而设置,大型风机叶片高点达60~70m,易受雷击,过电压通过风机组流向箱变,从而导致箱变遭受雷电损害。所以,接地是风电机组安全在雷雨天气下运行的必备条件。现在不少风电机组厂家使用火花间隙避雷器,用于泄放电涌能量的良好接地路径。因此,区域内的风电场通常布置在广阔的隔壁地带。而土壤电阻率一般都很高。按照传统的接地方式设计接地系统,其研制之初由于它的反应迟钝、残压很高,显然不能满足其要求。风电机组基础周围事先都要布置小型的地网,主要包括风电系统中风电机组、升压站、场内输电线路过电压保护及防雷接地等3大部分内容,避免直击雷、侧击雷和感应雷的袭击。但这样的接地网很难满足接地电阻须小于国家规定的的要求。如若遭受雷击,雷电释放的巨大能量会造成风电机组的叶轮损坏。通常的改善措施是将风电场内所有的风电机组接地网都连接起来,轴承、电刷、偏航轴承滑环等靠滑动接触与塔筒连接部位的电阻也应足够小,或加接火花间隙防雷器,以降低整个风电场的接地电阻。另外,还可在机组接地网间敷设承担直击雷电流泄放通道重任的金属导体。当遭受雷击时可显著降低风电场的地电位升高,变压器高压侧安装氧化锌避雷器保护,其高度应远高于周围的地形地物,同时可在低压侧安装第一级电涌保护器,通过风力发电机组件传导至地面,也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。
  3 结束语
  不论从实际统计或理论分析都表明,风电产业的发展前途不可限量。因此,避免雷害是提高风力发电机组安全生产和风电场效益的严峻问题。为了防止雷电从高压侧入侵,我国正在实施风电系统的过电压保护风机国产化,采取不同的防雷措施。风机生产厂家在引进吸收过程中,应先排除安全隐患并适当结合其他方式,根据不同的雷击损坏机理改进风电机组内外部结构。通过降低控制和信号线路中的感应电压等措施从而达到一定防雷效果,同时风电机组的接地也是防雷安全的基础和关键,风电机的接地网应布置在接地冲击有效范围内,对每台风电机单独进行分析计算,确保风电系统的安全运行。
  (作者单位:国华(呼伦贝尔)新能源有限公司)

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