風電技術 | 風力發(fā)電機組內(nèi)部防雷要點

發(fā)布時間：2025-03-04 11:11:34人氣：

隨著風電機組單機容量和風電場規(guī)模的增大，風電場的安全運行問題日益受到重視。在影響風電場安全運行的諸多因素中，遭受雷擊是一個重要方面。本文結合風電機組防雷的研究成果，對風電機組的雷擊過程、雷擊損壞機理以及防雷措施進行了其內(nèi)部防雷設計的要點闡述。　
　
　　由于現(xiàn)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，風機的高度和安裝位置決定了它是雷擊的首選通道，而且風機內(nèi)部集中了大量敏感的電氣、電子設備，一次雷擊帶來的損壞將是非常大的。因此，必須為風機內(nèi)的電氣、電子設備安裝完整的防雷保護系統(tǒng)。　

1、雷電對風電機組的危害　　

　　雷電對風電機組的危害風力發(fā)電機通常位于開闊的區(qū)域，而且很高，所以整個風機是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級風力發(fā)電機的葉片高度達到150m以上，因此風機的葉片部分特別容易被雷電擊中。風機內(nèi)部集成了大量的電氣、電子設備，可以說，我們平常用到的幾乎每一種電子元件和電氣設備，都可以在一臺風電機組中找到其應用，例如開關柜、馬達、驅(qū)動裝置、變頻器、傳感器、執(zhí)行機構，以及相應的總線系統(tǒng)等。這些設備都集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)。毫無疑問，電涌可以給風電機組帶來相當嚴重的損壞。　　

　　以下的風力發(fā)電機數(shù)據(jù)由歐洲幾個國家提供，其中包含了超過4000臺風力發(fā)電機的數(shù)據(jù)。由雷擊導致的風力發(fā)電機損壞數(shù)量，每100臺平均每年3.9次到8次。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上顯示，在北歐的風力發(fā)電機組中，每100臺每年有4-8臺遭受雷擊而損壞。值得注意的是：雖然損害部件是不相同的，但是控制系統(tǒng)部件雷擊損壞占40-50%。　　

　　2、雷電的破壞形式　　

　　設備遭雷擊受損通常有以下4種情況：

　　（1）、設備直接遭受雷擊而損壞；
　　（2）、雷電脈沖沿著與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵入設備使其受損；
　　（3）、設備接地體在雷擊時產(chǎn)生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞；
　　（4）、設備因安裝的方法或安裝位置不當，受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。　　

　　3、內(nèi)部防雷保護措施　　

　　防雷保護區(qū)概念是規(guī)劃風力發(fā)電機綜合防雷保護的基礎。它是一種對結構空間的設計方法，以便在構筑物內(nèi)創(chuàng)建一個穩(wěn)定的電磁兼容性環(huán)境。構筑物內(nèi)不同電氣設備的抗電磁干擾能力的大小決定了對這一空間電磁環(huán)境的要求。　　

　　作為一種保護措施，防雷保護區(qū)概念當然就包括了應在防雷保護區(qū)的邊界處，將電磁干擾(傳導性干擾和輻射性干擾)降低到可接受的范圍內(nèi)，因此，被保護的構筑物的不同部分被細分為不同的防雷保護區(qū)。防雷保護區(qū)的具體劃分結果與風電機組的結構有關，并且也要考慮這一結構建筑形式和材料。通過設置屏蔽裝置和安裝電涌保護器，雷電在防雷保護區(qū)0A區(qū)的影響在進入1區(qū)時被大大縮減，風電機組內(nèi)的電氣和電子設備就可以正常工作，不受干擾。　　

　　內(nèi)部防雷保護系統(tǒng)是由所有的在該區(qū)域內(nèi)縮減雷電電磁效應的設施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護。　　

　　4、防雷擊等電位連接　　

　　防雷擊等電位連接是內(nèi)部防雷保護系統(tǒng)的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統(tǒng)內(nèi)，所有導電的部件都被相互連接，以減小電位差。在設計等電位連接時，應按照標準考慮其最小連接橫截面積。一個完整的等電位連接網(wǎng)絡也包括金屬管線和電源、信號線路的等電位連接，這些線路應通過雷電流保護器與主接地匯流排相連。　　

　　5、屏蔽措施　　

　　屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風力發(fā)電機結構的特殊性，如果能在設計階段就考慮到屏蔽措施，那么屏蔽裝置就可以以較低成本實現(xiàn)。機艙應該制成一個封閉的金屬殼體，相關的電氣和電子器件都裝在開關柜，開關柜和控制柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在塔基和機艙的不同設備之間的線纜應帶有外部金屬屏蔽層。對于干擾的抑制，只有當線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時，屏蔽層對電磁干擾的抑制才是有效的。　　

　　6、電涌保護　　

　　除了使用屏蔽措施來抑制輻射干擾源以外，對于防雷保護區(qū)邊界處的傳導性干擾也需要有相應的保護措施，這樣才能讓電氣和電子設備可靠的工作。在防雷保護區(qū)0A→1的邊界處必須使用防雷器，它可以導走大量的分雷電流而不會損壞設備。這種防雷器也稱之為雷電流保護器(I級防雷器)，它們可以限制接地的金屬設施和電源、信號線路之間由雷電引起的高電位差，將其限制在安全的范圍之內(nèi)。雷電流保護器的最重要的特性是：按照10/350μs脈沖波形測試，可以承受雷擊電流。對風電機組來說，電源線路0A→1邊界處的防雷保護是在400/690V電源側完成的。　　

　　在防雷保護區(qū)以及后續(xù)防雷區(qū)，僅有能量較小的脈沖電流存在，這類脈沖電流是由外部的感應過電壓產(chǎn)生，或者是從系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的電涌。對于這一類脈沖電流的保護設備叫作電涌保護器(II級防雷器)。用8/20μs脈沖電流波形進行測試。從能量協(xié)調(diào)的角度來說，電涌保護器需要安裝在雷電流保護器的下游。　　

　　從通流量上考慮，例如一條電話線，在導線上的分雷電流應按照5%來預估，對于Ⅲ/Ⅳ級防雷保護系統(tǒng)，就是5kA(10/350μs)。　　

　　7、結語　　

　　雷電能量非常巨大，雷擊方式是復雜的，采用合理適當?shù)姆览状胧┲荒軠p少損失，只有更多新技術的突破和應用才能對雷電進行完全防護并加以利用。風電系統(tǒng)防雷方案分析與探討，主要應考慮風電的接地系統(tǒng)設計，由于我國風電在各種地質(zhì)地貌下都有涉及，針對不同地質(zhì)的風電接地系統(tǒng)可以分類設計，采用不同的方法達到接地電阻要求。

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