風力發電機防雷方案及防範措施

時間:2016-06-19 18:08 來源:ob体育竞彩

由於現代科學技術的迅猛發展，風力發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電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控製元器件燒毀等。我國沿海地區地形複雜，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生了多次雷擊事件，據統計，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，並做出有針對性的防範措施。
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，直接關係到風機在雷雨天氣時能否正常工作，並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，且大多數風力發電機位於空曠地帶，較孤立。風機的高度加上所處特殊的環境，造成風力發電機在雷雨天氣時極易遭受直擊雷。
國際欧宝体育在线链接 委員會對防雷過電壓保護的防護區域劃分為：LPZ0 區（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 區，LPZ2 區。
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）、箱式變壓器應屬於LPZ0 區，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、塔架內的設備應屬於 LPZ1 區，這其中包括電纜、發電機、齒輪箱等。塔架內電氣櫃中的設備，特別是屏蔽較好的弱電部分應屬於 LPZ2。
對與現有風力發電機的 LPZ0 區防雷過電壓保護裝置進行分析後，在 LPZ0 區內，直擊雷的防護在沒有技術突破的前提下仍然沿用傳統的富蘭克林避雷方法：利用自身的高度使雷雲下的電場發生畸變，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製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，並且在葉片上添加導電性能良好、自身重量輕的類似於碳纖維的材料，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，在煙台北長山島上近距觀察風力發電機看到的），與葉片位於相反的方向，估計該避雷針用作為保護風速計和風標免受雷擊。
根據風力發電機的使用性質及其重要性，參照《建築物防雷設計規範》50057-94（2000版）關於建築物的防雷分類，可以將風力發電機劃分為二類防雷建築。二類防雷建築對應的滾球半徑為45米，根據電氣—幾何模型
hr=10·I0.65
hr——雷閃的最後閃絡距離（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，當雷電流大於10.1KA時，雷電閃擊就會擊在接閃器上；當雷電流小於10.1KA時，會發生繞機，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，還會發生側擊，即發生雷電時，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，即發生了側擊。同時，較大的高度使得上行雷的概率增大。由於風力發電機塔身較高，使得積雨雲下端與葉片的距離接近，大氣電場強度突增，導致發生局部的空氣擊穿而產生向上發展的流光，終至出現上行先導。
關於風力發電機的雷擊概率，可以參照《高層建築電氣設計手冊》提供的一個估算的經驗公式。它是根據美國、波蘭、日本、瑞典對特高層建築的觀察記錄，得出的經驗公式：N=3×10-5H2
H的單位為m，適用於1KL=10.由此可以估算出，在1KL=30 的地區（上海接近此數），100m高的建築，每年大約遭受1次雷擊。從這個公式中可以揭示出一個規律，即高層建築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《建築物防雷設計規範》GB50057-94 及《微波站防雷與接地設計規範》YD2011-93 相關條款，風力發電機防雷接地電阻不能小於4Ω。

機艙外殼應采用鋼板製成，作為承受直擊雷的載體，按照GB50057-94的要求，鋼板厚度必須大於4mm，在機艙的上方安裝幾支避雷短針，防止雷電發生繞擊和側擊時，穿透機艙，對機艙內設備造成損壞。如果機艙外殼為複合材料時，應在機艙外麵敷設金屬網格，兼作接閃器和屏蔽之用。網孔宜為30cm×30cm，鋼絲直徑不宜小於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，對於0.25/100μs的雷電流，應不小於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（截麵不小於16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大於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。

由於風力發電機為高聳塔式結構，非常緊湊，發電機、信息係統、控製係統都靠近塔壁，無論風輪、機艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機艙內的發電機及控製係統等設備可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控製回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。對發電機及其勵磁係統，繼電保護和控製係統、通信和信號以及計算機係統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麵並網櫃、變流器、塔底控製櫃處應采取屏蔽電纜外，還應穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應在櫃內安裝相應防雷裝置，這樣才能使（分流、均壓、屏蔽、接地）係統在各節點層層設防。各電氣櫃采用金屬薄板製作，可以有效地防止電磁脈衝幹擾，在電源控製係統的輸入端，處於暫態過電壓防護的目的，采用壓敏電阻或暫態抑製二極管等保護設備與屏蔽係統連接，每個電控櫃用不小於16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。

機艙內各種櫃的防護

各種櫃內的進線、出線處必須按照雷電防護區域的劃分，通過雷擊風險評估後，根據評估結果進行設計，根據建築物信息係統的重要性和使用性質確定雷電防護等級，該風力發電機可以定為B級防護。在被保護的設備處加裝三級浪湧保護器。第一級采用開關型的電湧保護器，第二級和第三級采用限壓型的電湧保護器。且各參數必須符合規範要求的最小值，即一級標稱放電電流In≥15KA（10/350μs）或In≥60KA（8/20μs），二級標稱放電電流I n≥40KA，三級標稱放電電流I n≥20KA。
對於690V/380V的風力發電機供電線路，為防止沿低壓電源侵入的浪湧過電壓損壞用電設備，供電回路建議采用TN-S供電方式。
電氣係統的防雷防護：

1.塔基控製櫃的防雷。分別在控製櫃內的380V、220V及24V電源總開關處及信號線入口處安裝電湧保護器，型號分別為ZSPD TT 20KC/4、PRAC-24C、ZSPD TT 20KC/2、RJ45-E100/4、PRDC-24C

2.分別在變流器的轉子和錠子進線端加裝通過二級分類試驗的電湧保護器，保護變流器。型號：ZSPD TT 40KB/3-750

3. 分別在發電機的轉子輸出側和定子輸出側加裝通過一級分類試驗的電湧保護器，雙向保護變流器和發電機。型號：ZSPD 60KB/3-750
4.變槳控製櫃：變槳控製櫃位於風機頂端，雷雨天氣時容易遭受直擊雷，所以櫃裏電源線400V AC，220V AC，24V DC，RS485和各種傳感器信號入口端均應分別加裝電湧保護器進行保護。相對應的防雷器分別是：ZSPD TT20KC/4；ZSPD TT20KC/2；PRDC-24C；DB-RS485/422；PRD-24C

5.機艙頂部的風速風向儀器位於LPZ0區，極易遭受雷擊，並把雷電流引入到變槳控製櫃，因此在風速風向儀輸入端加裝信號電湧保護器PRDC-24C

6.機艙控製櫃：機艙控製室位於風機頂端，雷雨天氣時極易遭受直擊雷，裏麵櫃裏電源線400V AC，220V AC，24V DC，RS485和各種傳感器信號入口端加裝相應型號的電湧保護器保護。相對應的防雷器分別是：ZSPD TT20KC/4；ZSPD TT20KC/2；PRDC-24C；DB-RS485/422；PRD-24C；RJ45-E100/4。

以上防護采用三級防護的原則，在易遭受直擊雷的部位加裝通過一級分類試驗的電源避雷器，在艙底的設備櫃內加裝通過二級分類試驗的電源避雷器，在弱點設備的電源處還應加裝通過三級分類試驗的電源避雷器，使設備得到充分的保護。

工程施工細則

施工準則

根據中國氣象局製定的《防雷工程專業施工資質管理辦法》中的若幹規定及我公司多年的實際施工經驗，結合工程施工具體實際，特製定本實施細則。

電源部分：

第一步驟：SPD的定位，根據SPD安裝規範，SPD距配電設施越近越好，距離不宜超過5～10米，最好裝在電源配電箱內或加裝在電源箱旁。

第二步驟：SPD的連接，SPD的連接螺絲要擰緊，導線接口施工規範，施工時要斷電操作，以保證安全。

信號部分：證線路安全暢通、不間斷，安裝時要特別注意線不能接反、接錯。

地網：不影響正常工作的情況下進行，先在建築物外施工，而後進行與建築物內均壓環連接。

等電位：不影響正常工作的情況下進行等電位連接。

施工時間：體時間由客戶提出。

上一篇： pdu和普通插座的區別是什麼
下一篇： 住宅樓電源防雷配置方案詳解