风力发电机防雷系统.docx

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风力发电机防雷系统

新疆大学电气工程学院课程作业

题目:

风力发电机防雷系统

讲课老师:

王海云

学生姓名：

学号：

所属院系：

电气工程学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

电气09-4班

日期：

2013年5月

风力发电机防雷系统

0、引言

风能是当前技术较好的、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害，并且雷击对风电机组造成的危害主要有直击雷、感应雷、雷电波侵入、地电位反击等形式。

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。

1、雷电的产生

雷电是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。

雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中，因此常伴有强烈的阵风和暴雨，有时还伴有冰雹和龙卷风。

积雨云顶部一般较高，可达20公里，云的上部常有冰晶。

冰晶的凇附，水滴的破碎以及空气对流等过程，使云中产生电荷。

云中电荷的分布较复杂，但总体而言，云的上部以正电荷为主，下部以负电荷为主。

因此，云的上、下部之间形成一个电位差。

当电位差达到一定程度后，就会产生放电，这就是我们常见的闪电现象。

闪电的平均电流是3万安培，最大电流可达30万安培。

闪电的电压很高，约为1亿至10亿伏特。

一个中等强度雷暴的功率可达一千万瓦，相当于一座小型核电站的输出功率。

放电过程中，由于闪电通道中温度骤增，使空气体积急剧膨胀，从而产生冲击波，导致强烈的雷鸣。

带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它们之间就发生激烈的放电。

在雷电放电地点会出现强烈的闪光和爆炸的轰鸣声。

这就是人们见到和听到的闪电雷鸣。

图１雷电的产生过程

2、雷电的主要特点

（1）、冲击电流大。

其电流高达几万-几十万安培

（2）、时间短。

一般雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电。

整个过程一般不会超过60微秒；

（3）、频率高。

雷电流变化梯度大，有的可达10千安/微秒；

（4）、冲击电压高。

强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。

3、雷电的危害

雷击造成的危害主要有5种：

（1）直击雷：

带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。

它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。

（2）雷电波侵入：

雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。

线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。

因此，往往在听到雷声之前，我们的电子设备、控制系统等可能已经损坏。

（3）感应过电压：

雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。

闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。

（4）系统内部操作过电压：

因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。

（5）地电位反击：

如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。

高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。

4、雷电保护区域的划分

图2防雷保护区域的划分

雷电保护区LPZOA

该区内的各物体都可能遭受直接雷击，同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播，没有衰减。

雷电保护区LPZOB

该区内的各种物体在接闪器保护范围内，不会遭受直接雷击，但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置，雷电产生的电磁场也能自由传播，没有衰减。

雷电保护区LPZi（i=1，2，...）

当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，并按照需要保护的系统所需求的环境选择后续防雷区的要求条件。

6、风电机组综合防雷保护系统。

防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。

它是一种对结构空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境。

构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。

　作为一种保护措施，防雷保护区概念当然就包括了应在防雷保护区的边界处，将电磁干扰（传导性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内，因此，被保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。

防雷保护区的具体划分结果与风电机组的结构有关，并且也要考虑这一结构建筑形式和材料。

通过设置屏蔽装置和安装电涌保护器，雷电在防雷保护区0A区的影响在进入1区时被大大缩减，风电机组内的电气和电子设备就可以正常工作，不受干扰。

按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括：

（1）外部防雷保护系统：

接闪器、引下线、接地系统。

（2）内部防雷保护系统：

防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽措施。

6.1、外部防雷保护系统

外部防雷保护系统由接闪器、引下线和接地系统组成，它的作用是防止雷击对风电机组结构的损坏以及火灾危险。

6.1．1、接闪器

雷击风力发电机的落雷点一般是在风机的桨叶上，因此接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。

为了以可控的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采用30×3.5mm镀锌扁钢。

对于机舱内的滚珠轴承，为了避免雷电在通过轴承时引起的焊接效应，应将其两端通过碳刷或者放电间隙桥接起来。

6.1.2、引下线

如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线来使用；如果是混凝土塔身，那么采用内置引下线（镀锌圆钢φ8～10mm，或者镀锌扁钢30×3.5mm）。

6.1.3、接地系统

风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连构成一个网状接地体，这样就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。

并且要保证接地系统的接地电阻达到防雷规范要求。

6.2、内部感应雷防雷保护系统

内部防雷保护系统是由所有的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。

主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护。

6.2.1、防雷击等电位连接

防雷击等电位连接是内部防雷保护系统的重要组成部分。

等电位连接可以有效抑制雷电引起的电位差。

在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减小电位差。

在设计等电位连接时，应按照标准考虑其最小连接横截面积。

一个完整的等电位连接网络也包括金属管线和电源、信号线路的等电位连接，这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流排相连。

6.2.2、屏蔽措施

屏蔽装置可以减少电磁干扰。

由于风力发电机结构的特殊性，如果能在设计阶段就考虑到屏蔽措施，那么屏蔽装置就可以以较低成本实现。

机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关的电气和电子器件都装在开关柜，开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。

在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。

对于干扰的抑制，只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。

6.2.3、电涌保护

除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外，对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能让电气和电子设备可靠的工作。

当在数据处理系统安装电涌保护器时，与电源系统上安装的电涌保护器不同的是：

电涌保护器与测控系统的兼容性以及测控系统本身的工作特性需要特别注意。

这些保护器与数据线串联连接，而且必须将干扰水平限制在被保护设备的耐受能力以内。

7、主要部分的防雷设施细则

7.1、直击雷部分  

作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。

研究结果表明叶片的完全绝缘不能降低被雷击的风险而只能增加受损伤的程度，而在很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。

国内某风电企业为风力发电机组的叶片研制开发了专门的防雷系统，由雷电接闪器和雷电传导部分组成。

雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，损坏后也可以方便地更换。

7.2、感应雷浪涌保护部分　

直击雷发生时快速变化的电磁场易在包括才、机舱内部和穿过偏航轴承的地方以及连接到控制室和配电室的电缆中产生雷电感应过电压，顾位于这些区域任何一端的电气控制设备，都要加装以气体放电管，压敏电阻等为核心器件的浪涌保护器（SPD），具体包括了电源，信号等类型，以此抑制可能出现的雷电过电压，对于690V/380V的风电机组供电线路，为防止沿低电源侵入的雷电过电压，供电线路应采用TN-S供电方式。

整个供电线路采用三级保护原理：

一二级采用浪涌保护器（SPD），第三级采用终端设备保护器。

根据风机内设备的不同以及电涌保护器安装位置的不同，将风机内设备的电涌保护分成7个部分，以下具体介绍电涌保护器在各个不同设备中的配置。

分别是：

1）发电机的保护

应在发电机定子端、转子端设置相应的电源防雷器。

2）机舱开关柜的保护

a）从塔基控制柜到机舱开关柜的线缆，应在线路进入开关柜的入口端安装相应的防雷器。

b）从测风系统进入开关柜的信号线，应在进入开关柜的入口端安装信号线保护器。

c）从远端控制系统进入开关柜的信息线，应在进入开关柜的入口端安装信号线保护器。

3）轮毂变桨系统的保护

变桨系统是控制风机桨叶转动的执行机构，其电源与信号线路与机舱开关柜连接。

应在这些线路进入变桨系统的入口端安装相应的保护器。

4）塔基变频柜的保护

位于塔基的变频柜与机舱发电机相连，从发电机定子和转子来的电源线路在进入变频柜时，应安装相应的保护器

5）塔基控制柜的保护

控制系统系统的避雷器选型：

信号避雷器的选择与电源避雷器的选择类似，信号线上的避雷器应实现避雷器每线通流量达到5KA，工作电压符合系统运行电压；塔基控制柜需要保护的线路有两个部分：

a）从机舱开关柜到塔基控制柜的线缆，应在线路进入控制柜的入口端安装相应的防雷器。

b）从变压器室进入控制柜的电源线，应在进入控制柜的入口端安装电源线保护器。

6）远端监控系统的保护

远端监控系统负责将风机的运行状态传送的监控中心，例如给出了使用电话线的例子。

应在电话线路的入口端、到开关柜的出口端以及到控制柜的出口端安装相应的保护器。

7）变压器端的保护

在变压器低压侧安装第一级电源保护器，在变压器高压侧安装相应的高压避雷器

8、接地系统

风电机组的接地系统是其防雷保护系统中的一个关键环节，雷电流是通过风机组本身的防雷装置引入地下，故要有良好的防雷接地系统来抑制可能出现的地电位抬高以及高电位反击，从而保证雷击时风机组的安全。

风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连构成一个网状接地体（如图5）。

这样就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。

图3风电场的接地系统

9、总结

由于机组安装在野外，安装高度高，因此对雷电应采取防范措施，以便对风电机组加以保护。

我国一些风电场的区域经常遭受风雨及台风。

所以雷电每天都发生。

雷电放电电压高达几百千伏甚至到上亿伏，产生的电流从几十安到几百千安，雷电会造成风电机组中的电气，控制，通信系统及叶片的损坏，雷电直接会造成叶片开裂和孔洞，通信及控制芯片烧损。

我们现在通过机舱上高出测风仪的铜棒，起到避雷针的作用，保证测风仪不受雷击，通过机舱到塔架良好的导电性，雷电通过叶片、轮毂到机舱塔架导入大地，避免其他机械设备的损坏。

10、参考文献

1、王海云，等。

风力发电机基础。

重庆出版社。

2013。

2、XX百科：

3XX百科：

4、XX百科：

5、XX百科：