風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀防雷設(shè)計(jì)

王青華 徐 軍

（1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海200090；2.上海電力新能源發(fā)展有限公司，上海200010）

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電的迅猛發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行日益受到重視，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用也越來越廣泛。國(guó)家已出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，2 MW 及以上機(jī)組要求安裝風(fēng)電振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，風(fēng)電振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中遭受雷擊損害的案例也越來越多，防雷成了風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的防雷設(shè)計(jì)必須與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本體的防雷系統(tǒng)相結(jié)合，才能更有效地防止雷擊的損害。

1 風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 防雷保護(hù)區(qū)域劃分

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)場(chǎng)各部分空間受雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度不同，將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)，圖1 為防雷區(qū)示意圖，通常防雷區(qū)序號(hào)越高，其電磁環(huán)境參數(shù)越低。

圖1 風(fēng)電防雷區(qū)示意圖

LPZ0：本區(qū)內(nèi)物體易受直接雷擊，必須傳導(dǎo)全部的雷電流，電磁場(chǎng)沒有衰減。

LPZ1：本區(qū)內(nèi)物體不易遭受直接雷擊，所有導(dǎo)電部件上的雷電流都比LPZ0小，電磁場(chǎng)被衰減。

LPZ2：本區(qū)內(nèi)物體所有導(dǎo)電部件的電流和電磁場(chǎng)進(jìn)一步減少。

1.2 風(fēng)電防雷方案

風(fēng)電機(jī)組防雷系統(tǒng)包括葉片防雷、避雷針、輪轂與機(jī)架連接、齒輪箱與發(fā)電機(jī)絕緣、發(fā)電機(jī)與機(jī)架絕緣、各電氣設(shè)備接地，控制柜屏蔽、電氣線路加裝電涌保護(hù)器和接地系統(tǒng)等。

當(dāng)葉片受雷擊后，將雷擊電流從雷擊點(diǎn)安全地傳導(dǎo)到輪轂，經(jīng)由碳刷、偏航軸承、塔架至接地網(wǎng)（圖2）。在雷電流通過主軸承的地方增加抵抗層或設(shè)置絕緣層，齒輪箱和發(fā)電機(jī)組與支架絕緣，齒輪箱和發(fā)電機(jī)組就不會(huì)有雷電流直接通過，但會(huì)有較大雷擊感應(yīng)電磁場(chǎng)。

圖2 機(jī)艙內(nèi)防雷設(shè)計(jì)

電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)處于LPZ2區(qū)，主要的防護(hù)措施有等電位連接、電涌防護(hù)、屏蔽等。

2 風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)由主機(jī)、傳感器、通訊模塊等組成。主機(jī)位于控制箱內(nèi)，屬于LPZ2區(qū)。傳感器安裝于齒輪箱和發(fā)電機(jī)組上，屬于LPZ1區(qū)域。通訊模塊由網(wǎng)線、光纖收發(fā)器、光纖組成。網(wǎng)線和光纖收發(fā)器均在控制箱內(nèi)，屬于LPZ2區(qū)；光纖從控制箱內(nèi)引出，經(jīng)由塔筒至塔底控制柜，處于LPZ1區(qū)。

2.1 風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀受雷擊分析

風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀受雷擊損害主要通過以下幾個(gè)途徑：（1）通過電源的地電位反擊；（2）通過雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)主機(jī)進(jìn)行損害；（3）通過雷電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)影響傳感器線路信號(hào)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，損害風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)。

2.2 風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源防護(hù)策略

風(fēng)電振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)儀電源端需防止地電位反擊對(duì)主機(jī)造成的傷害。目前大多數(shù)風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)主機(jī)采用220V 供電，在設(shè)備內(nèi)部再進(jìn)行交直流轉(zhuǎn)換。這種做法直接把交流干擾引入設(shè)備內(nèi)部，另外交直轉(zhuǎn)換會(huì)釋放大量熱能，提升電路內(nèi)部工作溫度，降低了安全性。

建議風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀采用外部直流源供電。在電源進(jìn)線處進(jìn)行多級(jí)SPD 防護(hù)。開關(guān)電源前端220V 接入SPD，開關(guān)電源選用內(nèi)部配置有SPD 的產(chǎn)品，設(shè)備內(nèi)部電源接口做電源限壓分流電路。同時(shí)需做好開關(guān)電源、風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀與風(fēng)電機(jī)組電控系統(tǒng)的等電位連接，這樣就可以最大限度地降低地電位反擊對(duì)風(fēng)電振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)主機(jī)的損害。

2.3 風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雷電電磁干擾防護(hù)策略

目前的風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀外殼一般是和電源地連接在一起的，這種設(shè)計(jì)雷擊時(shí)外殼產(chǎn)生的電流會(huì)直接影響到內(nèi)部電路板，容易對(duì)主機(jī)內(nèi)部電路板造成損害。

本文介紹了一種特殊的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)雷電電磁干擾的防護(hù)。圖3為風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀主機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，電路板裝在一個(gè)全鋁機(jī)殼上，電路板電源地與內(nèi)層機(jī)殼相連，內(nèi)層機(jī)殼通過絕緣裝置安裝在一個(gè)全鋁封閉機(jī)殼上。

圖3 風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)主機(jī)防雷電電磁干擾簡(jiǎn)圖

首先采用雙全鋁機(jī)殼設(shè)計(jì)，外層機(jī)殼厚度3mm，內(nèi)層機(jī)殼厚度4mm。雷電電磁脈沖為高頻脈沖，在通過金屬時(shí)會(huì)嚴(yán)重衰減，經(jīng)過7mm 的衰減，可極大地減少雷電電磁干擾。

另外，這種設(shè)計(jì)外層機(jī)殼連地，內(nèi)層機(jī)殼連接電路板電源地，形成了機(jī)殼接地、其他懸浮的理想抗干擾狀態(tài)。

2.4 風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的信號(hào)端防雷策略

風(fēng)機(jī)用加速度傳感器的有效電壓一般是10V 以內(nèi)。目前大多數(shù)風(fēng)電振動(dòng)主機(jī)的采集系統(tǒng)量程一般設(shè)計(jì)為±10V，超過10V，就很容易燒壞內(nèi)部采集電路。

本文介紹的風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用±30V 的大量程設(shè)計(jì)，并在主機(jī)信號(hào)接口板上對(duì)信號(hào)做防浪涌電路，如圖4所示。第一級(jí)電路采用氣體放電管作為高能量泄放元件，能夠泄放較大的浪涌電流。大部分的雷擊浪涌首先在第一級(jí)電路上泄放，但是第一級(jí)電路存在殘壓高、響應(yīng)慢等缺陷。為了避免由此帶來的影響，圖4中采用了逐級(jí)降低殘壓、逐級(jí)提高響應(yīng)速度的復(fù)合浪涌抑制辦法。

圖4 信號(hào)端防雷電路圖

另外，雷擊對(duì)傳感器線路的影響與線路長(zhǎng)度有關(guān)。通過合理走線，傳感器至主機(jī)的距離控制在10 m 以內(nèi)。選擇有屏蔽線的傳感器，屏蔽線接到主機(jī)機(jī)殼上。

3 結(jié)語

本文主要結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的整體防雷系統(tǒng)，分析了雷擊影響風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三個(gè)主要途徑——地電壓反擊、雷擊電磁干擾、傳感器信號(hào)接口，并從這三個(gè)方面分析了現(xiàn)有防雷策略，提出了不足之處和改進(jìn)方案。風(fēng)電振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀的工作環(huán)境惡劣，防雷措施必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來合理實(shí)施。

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