风力发电机的综合防雷设计
摘要:本文分析了雷电对风力发电机造成的损害,根据目前国内外风机防雷技术,提出了针对风机的雷电防护措施.
引言
雷电灾害是自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。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。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。风力发电机的防雷是一个综合性的防雷工程,防雷设计的到位与否,直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作,并且确保风机内的各种设备不受损害[1]。
1 风力发电机的组成
风力发电机大体上由风轮、机舱、塔杆、基座、变压器五部分组成[2](如图1所示)。
图1 风力发电机的示意图
风力发电机组成的这四部分中结构最为复杂的是机舱(如图2所示)也是防雷的重点,由齿轮箱、调整器、发电机、变流控制箱、系统控制箱、滤波器及变压器等组成[3]。
图2 风力发电机机舱结构示意图
2 雷电对风力发电机的危害
雷暴是危及风电场安全运营的重要因素。由于风力发电机组的叶片高度较高,叶片成了最易受直接雷击的部件,其他部件遭感应雷和球形雷破坏的风险也相应增加[4]。叶片是风力发电机组最昂贵的部件之一,大部分雷击事故只损坏叶片的叶尖部分,少量的毁损坏整个叶片。雷击造成叶片损坏主要有两个方面:一方面是雷电击中叶尖后,释放大量能量,强大的雷电流使叶尖结构内部的温度急骤升高,水分受热汽化膨胀,从而产生很大的机械力,造成叶尖结构爆裂破坏,严重时使整个叶片开裂。另一方面雷击造成的巨大声波,对叶片结构造成冲击破坏。还有一点值得关注的是雷击一般是击中叶片上翼面。另一个方面,当风机的某一个部位遭受雷击时,大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点,如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素,因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧,它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象,轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损,缩短其使用寿命。
3 风力发电机的防雷设计
3.1 雷电防护区的划分
国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为: LPZ0 区(LPZ0A、LPZ0B),LPZ1 区,LPZ2 区。在金属塔架接地良好的情况下,叶片、机舱的外部(包括机舱)、塔架外部(包括塔架)应属于LPZ0 区,这些部位是遭受直击雷(绕雷)或不遭受直击雷但电磁场没有衰减的部位[5]。机舱内、塔架内的设备应属于 LPZ1 区,这其中包括电缆、发电机、齿轮箱等。塔架内电气柜中的设备,特别是屏蔽较好的弱电部分应属于 LPZ2。
3.2 直击雷的防护
雷暴天气中,叶片,机舱,塔架是最容易直接受到雷击伤害的部位。如图3所示:
图3 风力发电机对直击雷的防护图
我国目前普遍采用的叶片保护装置是在叶尖置放接闪器捕捉雷电,利用自身的高度使雷雨云下的电场发生畸变,从而将雷电吸引。风电机组上的每个叶片都包含接闪器和敷设在叶片内腔并连接到叶片根部的导引线,将导引线引至机舱主机架,塔架,一直引入大地,从而避免雷电直击叶片本体,而导致叶片本身发热膨胀损坏。同时容易受直击雷击中的机舱的尾部上安装避雷针,将雷电流截收下来,用耐强电流的金属导线,引到埋在大地中起散流作用的接地网再泄流到大地中。这两条导引线可以在机舱内连接在一起引入大地。
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