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风力发电系统防雷解决方案

此内容被浏览【5974次】发表日期【2013/1/8 18:05:35
风力发电系统防雷解决方案
        人类对可再生能源的索取一直都是有增无减的。获取的途径主要有:风力发电、太阳能/光伏发电,以及利用沼气或地热发电。而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。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。
一、雷击率
        雷击的风险与设备高度的平方成正比,而兆瓦级以上的风力涡轮加上风叶高度可达150米,因而特别危险。
在年均10雷电日的地区,建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表1。
二、风力发电机所处的环境和雷击的危害性
        风力发电的特点是:风机分散安置在旷野,大型风机叶片高度(轮毂高度加风轮半径)达60~70m,易受雷击;风力发电机组的电气绝缘低。因此,就防雷来说,其环境远比常规发电机组的环境恶劣。
        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。若其遭受雷击(特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击),除了损失修复期间应该发电所得之外,还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。丹麦LM公司估计,世界每年有1%~2%的转轮叶片受到雷击袭击,叶片受雷击的损坏中,多数在叶尖,是容易被修补的,但少数情况则要更换整个叶片。雷击风机常常引起机电系统的过电压,造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。所以,雷击是威胁风机安全经济运行的严重问题。
        通过统计资料分析,可以认为:
        a)德国、丹麦统计数据说明风机遭雷击概率高,估计我国多雷区会更严重;
        b)安装在高山上的风机,比在低地和海边更容易受雷击;
        c)控制系统损坏率最高,是雷电薄弱环节,电气系统和发电机损坏概率也不低,说明雷电造成的过电压必须引起重视;
        d)叶片损坏造成的电量损失最多,修理费用最大;
        e)德国纪律雷击停机后有大约10.5%可再次顺利启动,很值得进一步研究。
三、标准化保护措施
        德国Lloyd准则是雷电保护概念设计的基础。德国保险协会GDV在其出版物Vds2010《风险导向的雷电和电涌保护》中建议,风力发电设备应实施二级以上的防雷保护,以满足保护这些设施的最低要求。在这一科技文献中,更主要关注的是如何实施防雷保护措施,尤其是对风电设备中的电气和电子仪器,如何采取保护措施,防止电涌干扰。
        对转子的浆叶和旋转部件实施保护是十分复杂的,需要分别针对不通的生产商及其特定的产品类型,进行详细的考察。
        通过在冲击电流实验室进行的这些试验,可验证所选保护措施的有效性,并有助于优化“整体保护方案” 德和盛(DEHN+SOHNE)的冲击电流实验室-最大的雷电冲击电流是200kA,波形为10/350us。  德和盛公司可以充分利用它的先进的雷电流冲击实验室,针对每个客户的特殊需求,寻求最佳的解决方案。它能够提供以下工程和测试服务:
        ■为保护电气装置,为客户测试特定的预接线单元;
        ■测试轴承的雷电流承载能力;
        ■对引下线和转子桨叶上的传感器进行相关的雷电流测试。
四、防雷分区概念
        防雷分区概念是在某一界定范围内,为了创造一个特定的抗电磁干扰的环境(抗EMC环境)所采取的结构性措施,特定的抗EMC环境,是通过所使用电气设备的抗电磁干扰的能力来衡量的。
 防雷分区概念做为一个保护措施,它限定了其所定义的边界上的传导及电磁干扰,并力求降至最低。处于这个目的,我们将被保护的物体划分在不通的保护分区内。在划分风电设备的防雷分区时,应充分考虑其结构上的特征。重要的是,要将从外部进入雷电保护区LPZ0A区的、起直接作用的雷电参数,通过屏蔽措施以及配置相应的浪涌保护装置,尽可能的减小,以确保风电设备中的电力和电子系统能够无干扰的正常运行。
1、屏蔽措施
        机舱应设计为一个自闭的金属屏蔽。相对于外部,机舱内的电磁场应得到极大的衰减。机舱中的,已经可能存在于操作间中的开关柜和控制柜,都应由金属制成。与其相连接的电缆也应配备相应的外部连接和屏蔽,并具有雷电流承载能力。从抗干扰保护的角度出发,只有当屏蔽线的两端都连接到等电位连接中,屏蔽电缆才能有效的隔离电磁干扰。屏蔽接触必须为圆形连接端子,以避免不利的电磁干扰(EMC),不允许长的接线端子“Pigtails”留存于设备侧。
2、接地系统
        在任何情况下,风电设备的接地系统都应利用铁塔的钢筋架构。在铁塔的塔基以及操作间的基础中设立基础接地体,首要应考虑接替体的腐蚀风险。
        塔基和操作间的接地装置(图3)应通过接地网相互连接,以尽可能的获得最大面积的接地系统。
3、等电位连接
        塔基周围多大的范围内敷设额外的控制等电位的环形接地体,取决于在发生雷击时,最终可能形成的跨步电压和接触电压的高低,以及如何能大道保护生命的目的。
防雷分区LPZ   0A至LPZ   1或更高分区的边界处,对进入LPZ   0A区的线缆采取保护。
        为了电气和电子仪器的安全运行,在防雷分区(LPZ)的边界处,除了应屏蔽与场强相关的干扰源,还应防止与电缆相关的干扰源。
4、电涌保护器
        在防雷保护分区的LPZ   0A至LPZ   1边界处(通常也称为防雷保护-等电位连接)必须使用保护装置,并且他们应具备传导雷电流的能力。这些保护装置被成为电涌保护器(Ⅰ型SPD),其测试电流脉冲波形为10/350us。
        在防雷保护分区的LPZ   0A至LPZ   1边界处(通常也称为防雷保护-等电位连接)必须使用保护装置,并且他们应具备传导雷电流的能力。这些保护装置被成为电涌保护器(Ⅱ型SPD),其测试电流脉冲波形为8/20us。
        应根据电气和电子系统的工作参数选择相应的保护装置。用于供电系统的保护装置,在雷电流泄放后,必须能够安全的遮断工频续流。这是继冲击电流承载能力后,第二个重要的设计参数。
        雷电流保护器的安装可不考虑最小距离,即使在设备部件带电的情况下,它们也可以被安装到被保护的设备中。
当发生电感耦合和开关操作时,电涌保护器应能承受由此出现的负荷。在能量协调的前提下,它们可以和下游的电涌保护器多级联结。这样,在金属氧化物压敏电阻构成的热监控装置上出现的工频续流会很小。
        与供电系统中使用的防雷保护器相反,对于用于信息技术系统的保护装置,应特别注意系统的兼容性,以及测控线、数据线相关的特性参数。这些保护装置应串连在信息技术系统的线路中,它们的干扰电频必须低于被保护设备的灵敏度。
五、机舱内各种柜的防护:
        各种柜内的进线、出线处必须按照雷电防护区域的划分,通过雷击风险评估后,根据评估结果进行设计,根据建筑物信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级。在被保护的设备处加装三级浪涌保护器。第一级采用开关型的电涌保护器,第二级和第三级采用限压型的电涌保护器。
对于690V/380V的风力发电机供电线路,为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备,供电回路建议采用TN-S供电方式。
        1、变桨控制柜:变桨控制柜位于风机顶端,雷雨天气时容易遭受直击雷,所以柜里电源线3x400vac/20A,300vdc/6A,24vdc(b)/10A,230vac(b)/2A等用电设备进线前端应安装相应的三相交流避雷器(imax:100KA)、单项交流避雷器(imax:100KA)和24V直流电源避雷器(In:5KA)。
        2、机舱到变桨柜通讯线采用双绞线通讯,双绞线两端在进入设备前应安装信号避雷器。双绞线必须穿金属管敷设或采用屏蔽双绞线,且金属管或屏蔽层两头接地。
        3、机舱控制室:机舱控制室位于风机顶端,雷雨天气时极易遭受直击雷,里面的开关电源送到变浆控制柜内的出线端   230vac(b)à300vdc/6A(变桨控制柜),开关电源   230vac(b)、24vdc(b)/10A(变桨控制柜)直流电源必须安装电源浪涌保护器(In:5KA),开关电源   UPS230vac、24vdc(c)/10的24伏电源处安装24V直流电源避雷器(In:5KA)。从塔底控制室到机舱控制室的Ups进线端(机舱控制室)安装电源避雷器(Imax:100KA)。       
        以上设备处必须安装能承受通过一级分类实验的电源浪涌避雷器。
六、塔底设备柜的防护
        1、UPS230vac   塔底控制室到机舱控制室的ups输出端(塔底控制室)加装电源避雷器(In:40KA)
        2、变流器到机舱发电机转子的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源避雷器(In:40KA)和通过一级分类试验的电源避雷器(Imax:100KA)
        3、并网柜到发电机定子之间的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源避雷器(In:40KA)和通过一级分类试验的电源避雷器(Imax:100KA)
        4、各机柜的二次仪表线路应加装相应的电源避雷器(In:20KA)。
        以上防护采用三级防护的原则,在易遭受直击雷的部位加装通过一级分类试验的电源避雷器,在舱底的设备柜内加装通过二级分类试验的电源避雷器,在弱点设备的电源处还应加装通过三级分类试验的电源避雷器,使设备得到充分的保护。

德和盛电气(上海)有限公司-DEHN电涌保护器
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