风电机组防雷问题

质飞 · 发表于 2012-10-18 22:51

在运行中的风力发电机组将会遭受雷击的事却是屡见不鲜，损坏设备，造成巨大损失，甚至危及人身安全。为此，根据国外部分防雷研究成果及雷害统计资料数据，说明雷电危害风力发电机组的严峻性。列举了国际著名风力发电机组厂家的防雷设计标准要求，从中看出当前防雷设计的差异。指出要改善风力发电机防雷性能状况，必须从设计标准、制造规范、建设质量等根本环节着手，并应尽快建立我国风电行业(包括风机防雷)技术规范。1 风机的防雷特点
　　电闪雷鸣释放的巨大能量，会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁……
1.1 一般雷击率
　　在年均10雷电日地区，建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表1。

1.2 环境
　　风力发电特点是：风机分散安置在旷野，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达60～70 m，易受雷击；风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件）。因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。
1.3 严重性
　　风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资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公司资料介绍：1994年，害损坏超过6%，修理费用估计至少1 500万克朗(当年丹麦装机540 MW，平均2.8万克朗/MW) 。按LM公司估计，世界每年有1%～2%的转轮叶片受到雷电袭击。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，雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。
2 叶片防雷研究
　　雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。
　　美国瞬变特性研究院用人工电晕发生器，在全复合材料的叶片做雷击试验，高电压、长电弧冲击（3．5 MV，20 kA）加在无防雷设置的叶片上，结论是叶片必须加装防雷装置。
　　TACKE公司设计了玻璃钢防雷叶片（图1），叶片顶端铆装一个不锈钢叶尖，用铜丝网贴在叶片两面，将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网一方面可将叶尖的雷电引导至大地，也防止雷击叶片主体。

丹麦LM公司于1994年获得叶片防雷的科研项目，由丹麦能源部资助，包括丹麦研究院雷电专家、风机生产厂、工业保险业、风电场和商业组织在内，目的在于调查研究雷电导致叶片损害，开发安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行一系列的仿真测试，电压达1．6 MV，电流到200 kA，进行雷电冲击，验证叶片结构能力和雷电安全性。研究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。研究还表明：多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。在研究的基础上，LM叶片防雷性能得到了发展，在叶尖装有接闪器（图2）捕捉雷电，再通过叶片内腔导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片，设计简单和耐用。如果接闪器或传导系统附件需要更换，只是机械性的改换。

3 雷害资料数据
3.1 我国个别案例
　　1995年8月，浙江苍南风电场1台FD16型55 k W风机受雷击，从叶尖到叶根开裂损坏报废。
　　
我国各风场的雷害，没有统计资料。
3.2 丹麦和德国统计的雷击数据
3.2.1 风机雷击率
　　丹麦1 200台、德国1 400台风机遭雷击数据见表2。

德国雷击率比丹麦高出1倍。除了地点不同，收集时间短(一般认为需要15 a),或许有德国的风机平均总高度44．3 m比丹麦的35．5 m高等因素。
3.2.2 雷击地区分布
　　德国1992～1995年雷击地区分布数据见表3。

3.2.3 受雷击损坏部位
　　德国和丹麦风机受雷击损坏部位数据见表4。

3.2.4 影响利用率
　　德国和丹麦因风机受雷击损坏造成损失的天数见表5。

3.2.5 影响发电量
　　因风机受雷击损坏不同部位所影响的发电量（丹麦）见表6。

3.2.6 修理费用
　　用在修复受雷击损坏的风机上的费用（德国）见表7。

3.2.7 德国资料记录
　　雷击停机后可再次顺利启动的大约占10．5%，说明防雷保护的作用。
3.2.8 统计资料分析
通过上述统计资料分析，可以认为：
　 a）德国、丹麦统计数据说明风机遭雷击概率高，估计我国多雷地区会更严重；
b）安装在高山的风机，比在低地和海边更容易受雷击；
　 c）控制系统损坏率最高，是雷害薄弱环节，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）叶片损坏造成损失电量最多、修理费用最大；
　　e）德国记录雷击停机后有大约10．5%可再次顺利启动，很值得进一步研究。

4 防雷标准及地电阻要求
　　现代的雷电保护，可分为外部雷电保护和内部的雷电保护两部分。按照IEC1024－1标准，以雷电5个重要参数，确定保护水平分I～IV级（表8）。

如今，风机叶片（如LM叶片）的防雷，是按照IEC1024－1的Ⅰ级保护水平设计，并通过有关型式试验，所以，叶片避免直击雷的破坏大有改善。当外部直击雷打到叶片，将雷电引导入大地也不难。但是，风力发电机组在离地40～50 m机舱内的设备,和地面控制框设备都与雷电引下系统有某种相连，雷电流引起过电压，造成这些设备的损坏是面广而棘手的问题。

　　雷电流引起过电压，取决引下系统和接地网。目前，国际风机厂家对地电阻值的要求(表9)很不一样：丹麦(Vestas、Micon)允许较大；美国(Zond)西班牙(Made)次之；德国(Nordex、Jacobs)要求地电阻值最小。
　　我国尚没有风力发电机组防雷和过电压保护（包括地电阻值）的行业标准，这是风机国产化和风电场设计急需解决的问题。

5 防雷和过电压保护设计
5.1 外部直击雷的保护设计
5.1.1 叶片
　　如上所述，包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线，叶片的铝质根部连接到轮毂、引至机舱主机架、一直引入大地。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。
5.1.2 机舱

　　机舱主机架除了与叶片相连，还连接机舱顶上避雷棒，见图3。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。

5.1.3 塔架及引下线
　　专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，因此，雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。
5.1.4 接地网
接地网设在混凝土基础的周围，见图4。接地网包括1个50 mm2铜环导体，置在离基础1 m地下1 m处；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架2个相反位置，地面的控制器连接到连点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域,地网将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电入地，为人员和动物提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。

5.2 内部防雷（过电压）保护系统
5.2.1 等电位汇接
　　风速计和风标与避雷针一起接地等电位；机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位；地面开关盘框由一个封闭金属盒，连接到地等电位。

5.2.2 隔离
　　在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接；对处理器和传感器，分开供电的直流电源。
5.2.3 过电压保护设备
　　在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信号电缆终端等，采用避雷器或压敏块电阻的过电压保护。
6 分析及结论
　　a) 不论从实际统计或理论分析都表明，雷害是威胁风力发电机组安全生产和风场效益的严峻问题。风力发电是新兴的行业，至今从防雷研究成果看，风力发电机组的外部直击雷保护，重点是放在改进叶片的防雷系统上；而内部的防雷———过电压保护则由风机厂家设计完成。此外,各个国际风机厂家实际设计所依据标准和参数(包括地网电阻)就有很大差别。所以,这样形成的风机制造不能不在产品上就留下某些薄弱环节。为了改进风机的防雷性能,首先要确定合理统一的防雷设计标准，明确防止外部雷电和内部雷电(过电压)保护的制造工艺规范，这是提高风力发电机组防雷性能的基础。在我国要发展风电，就必须尽快建立我国风电行业(包括风机防雷)技术规范，是非常急迫和非常必要的。
　　b) 风机的一般外部雷击路线是：雷击(叶片上)接闪器→(叶片内腔)导引线→叶片根部→机舱主机架→专设(塔架)引下线→接地网引入大地。但是，从丹麦和德国统计受雷击损坏部位中，雷电直击的叶片损坏占15%～20%，而80%以上是与引下线相连的其他设备，受雷电引入大地过程中产生过电压而损坏，就是说，雷电形成的过电压必须引起充分重视。
c)地域不同的雷电活动有所差别，我国北方和南方的雷电活动强度也不一样。如上所列的丹麦和德国雷害统计资料对我国很有参考价值，但是，他们都是雷电活动少的北欧地区，在我国将来的规范标准中，应该考虑到地域的不同、我国北方和南方的差别等。
　　d) 风场微观选点中，地质好的风机基础和低电阻率地网点是有矛盾的；而风机设备耐雷性能的设计和要求现场地电阻值的高低也是有矛盾的。所以，必须充足考虑各方面因素，进行技术经济的优化。
　　e) 我国正在实施风机国产化，而国外风机防雷和过电压设计也不是很完善。所以，在引进吸收过程中，改进风机防雷和过电压设计是必要的。

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