風(fēng)電機(jī)組用SPD承受的應(yīng)力因素分析

葉平

摘要：為防御雷電電涌過電壓，風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)均需要安裝SPD。本文通過全面剖析風(fēng)電機(jī)組用SPD承受的應(yīng)力因素，為風(fēng)電機(jī)組電氣系統(tǒng)和電子系統(tǒng)所使用的SPD的級數(shù)、安裝位置和性能參數(shù)的選擇提供技術(shù)依據(jù)，以指導(dǎo)具體的工程實(shí)踐和理論研究。

Abstract： To defense the lightning surge of overvoltage， electrical and electronic systems of wind turbines are required to install SPD.Through a comprehensive analysis of stress factors of SPD for the wind turbine， this paper provides the technical basis for the selection of SPD series， the installation position and performance parameters， so as to guide the specific engineering practice and theory research.

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；SPD；應(yīng)力；因素；分析

Key words： wind turbine；SPD；stress；factor；analysis

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）13-0153-02

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是我國清潔能源開發(fā)和建設(shè)應(yīng)用的重要組成部分，其對我國國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。近幾年來，風(fēng)電場在我國的建設(shè)規(guī)模越來越大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電容量均在450kW以上，而且這些風(fēng)電場多設(shè)置在諸如海岸、丘陵、山脊的地方，而這些地區(qū)正是雷電多發(fā)區(qū)。為了保證風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，工程技術(shù)人員都會根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，對風(fēng)電機(jī)組的漿葉、機(jī)艙、電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等重要組成部分采取綜合防雷措施進(jìn)行保護(hù)。其中，對于風(fēng)電機(jī)組的電子系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)通常采用安裝SPD來防御雷電電涌過電壓。當(dāng)采用SPD來保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的電氣、電子系統(tǒng)時，必須根據(jù)電子、電氣系統(tǒng)的具體情況以及SPD可能承受的應(yīng)力因素來確定SPD的級數(shù)、安裝位置和性能參數(shù)的選擇。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組電氣和電子系統(tǒng)性能參數(shù)確定的情況下，SPD的級數(shù)、安裝位置和性能參數(shù)的選擇就取決于SPD可能承受的應(yīng)力因素了。

那么，風(fēng)電機(jī)組電氣和電子系統(tǒng)用SPD可能承受的應(yīng)力F與哪些應(yīng)力因素相關(guān)呢？根據(jù)SPD的工作狀態(tài)，我們可以認(rèn)為，在浪涌條件下，風(fēng)電機(jī)組用SPD所承受的應(yīng)力F是很多復(fù)雜且相關(guān)的應(yīng)力因子，X1，X2，……，Xn-1，Xn的函數(shù)，數(shù)字表達(dá)式如下：F=f（X1，X2，……，Xn-1，Xn）（1）

根據(jù)式（1），我們來具體分析在浪涌條件下風(fēng)電機(jī)組用SPD所承受的應(yīng)力因子（即X1，X2，……，Xn-1，Xn）。

1 風(fēng)電機(jī)組用SPD的設(shè)置位置

按照防雷區(qū)分區(qū)的原則，風(fēng)電機(jī)組不同防雷區(qū)界面處所設(shè)置的SPD承受雷電電應(yīng)力類型是不相同的。一般來說，在LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)交界處的SPD，其承受的雷電電應(yīng)力因子是波形為10/350μs直接效應(yīng)的雷電流，故此處應(yīng)選用Ⅰ類測試的SPD，主要解決泄流問題；而在LPZ1和LPZ2以及后續(xù)防雷區(qū)界面處出現(xiàn)的雷電過電應(yīng)力因子主要是8/20μs波形（感應(yīng)效應(yīng)）的雷電流，因此，在這些防雷區(qū)界面處應(yīng)選用Ⅱ類或Ⅲ類測試的SPD，主要解決截波和平滑波形的問題。所以，在風(fēng)電機(jī)組的不同防雷區(qū)界面處，SPD所面臨的雷電過電應(yīng)力因素是不相同的，因此，SPD所承受的過電應(yīng)力F亦是不同的，這決定了風(fēng)電機(jī)組在不同位置設(shè)置的SPD，其性能要求是各不相同的。

2 雷擊風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的耦合方式

雷擊風(fēng)電機(jī)組的各種耦合機(jī)制可將雷電流瞬態(tài)感應(yīng)至電路，當(dāng)其感應(yīng)電壓足夠高時，可以損壞風(fēng)電機(jī)組的電源、PC板、傳感器和其他電力電子裝置。雷擊風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的耦合方式主要有三種：①傳導(dǎo)耦合。雷電流會通過進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的各種導(dǎo)體尋找入地的通路并根據(jù)其阻抗而分配電流，傳導(dǎo)耦合可以為雷電流提供優(yōu)先的、低阻抗通道，會在風(fēng)電機(jī)組絕緣或小空氣間隙產(chǎn)生閃絡(luò)電弧，從而損壞風(fēng)電機(jī)組的電子和電氣設(shè)備。②電容耦合。進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的雷電流的頻譜較寬，其中上升陡度高的高頻過壓可通過電容進(jìn)行耦合，從而對設(shè)計(jì)安裝的SPD產(chǎn)生電應(yīng)力影響。雷電過壓升高與電場相關(guān)，電場中的導(dǎo)體產(chǎn)生的電勢與電場變化率成正比，與雷擊源的距離成反比。③磁耦合。進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的雷擊電流陡度的上升會引起較大的磁場變化率，將使處于磁場中的電氣和電子回路成為損壞的電壓源，是造成風(fēng)電機(jī)組中電氣和電子系統(tǒng)損壞的重要原因，也是SPD所要面臨的電應(yīng)力因素。

3 風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部雷電流的分配狀況

風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部電氣和電子系統(tǒng)用SPD承受雷電過電應(yīng)力的水平還受進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部雷電流的分配狀況的影響。對于每一個SPD可能承受的電應(yīng)力，從理論上來說可以通過測試方式來確定，但在現(xiàn)實(shí)操作中是相當(dāng)困難的，因此，當(dāng)沒有計(jì)算進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組雷電流分配的特殊方法時，一般假定雷電流的50%傳導(dǎo)進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)，其余50%通過SPD回流。

式中：I—雷電流幅值，kA；n—地下和架空引入的外來金屬導(dǎo)體和線路的總數(shù)；m—每一線路內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)；RS—屏蔽層每公里的電阻，Ω/km；RV—芯線每公里的電阻，Ω/km。

根據(jù)式（2）、式（3）所確定進(jìn)入每一SPD的雷電流值誤差是較大的，但從概率論和平均值的角度來講，這一計(jì)算方法具有一定的參考價值。當(dāng)然，對于復(fù)雜的風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)，還可采用計(jì)算機(jī)仿真工具來較準(zhǔn)確地確定SPD所承受的雷電應(yīng)力，為正確選擇SPD奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

4 進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的電氣和電子設(shè)施的阻抗和電感

連接風(fēng)電機(jī)組電氣和電子設(shè)備的線（纜）及其它金屬傳導(dǎo)體，因其自身存在的阻抗和電感，會直接影響雷電流的峰值I和電荷Q的分配比率。一方面，線纜中的阻抗會耗散雷電流中的低頻部分能量，以降低SPD所承受的雷電流能量；另一方面，線纜中的感抗會暫時存儲雷電流高頻部分能量，以改變SPD所承受雷電流能量的時空分布，從而減輕SPD某一時點(diǎn)所承受的雷電過電應(yīng)力。

5 雷電流波形的類型

進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的雷電騷擾的脈沖寬度通常存在較大的差異，例如進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組LPZ0/LPZ1界面處的雷電流波形一般為10/350μs，而存在于LPZ1/LPZ2界面處的雷電流波形可能是8/20μs。因此，設(shè)置在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部不同位置的SPD，其承受的雷電流的波形的類型存在較大差異，這也決定了風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部不同位置的SPD，其承受的雷電流應(yīng)力的各不相同的，故相應(yīng)位置SPD的性能參數(shù)的選擇和功能界定亦是不同的。通常情況下，在風(fēng)電機(jī)組的LPZ0/LPZ1界面處，SPD宜選用Ⅰ級分類試驗(yàn)產(chǎn)品，主要完成泄流任務(wù)；在LPZ1/LPZ2界面處，SPD宜選用Ⅱ級分類試驗(yàn)產(chǎn)品，主要完成限壓、截波任務(wù)；在LPZ2/LPZ3等后續(xù)防雷區(qū)界面處，SPD宜選用Ⅲ級分類試驗(yàn)產(chǎn)品，主要完成鉗位、平滑波形的功能任務(wù)。

6 與風(fēng)電機(jī)組設(shè)備相連接的附加導(dǎo)電服務(wù)設(shè)施

當(dāng)與風(fēng)電機(jī)組設(shè)備相連接的附加導(dǎo)電服務(wù)設(shè)施數(shù)量增加時，這些服務(wù)設(shè)施會攜帶部分直擊雷電流，并因此而減少通過具有雷電防護(hù)作用SPD和流經(jīng)電氣和電子系統(tǒng)的部分雷電流，從而降低流經(jīng)SPD的雷電流的大小，例如風(fēng)電機(jī)組各設(shè)備之間所建立的等電位連接措施，以及風(fēng)電機(jī)組的屏蔽措施均會降低流經(jīng)SPD的雷電流。

7 風(fēng)電場中各風(fēng)電機(jī)組之間的電氣連接設(shè)施的分布結(jié)構(gòu)

近年來，我國建設(shè)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)電組的功率均在450kW以上，且每一風(fēng)電場所擁有的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量較為龐大。為發(fā)揮風(fēng)電機(jī)組的整體效率，風(fēng)電場中的各風(fēng)電機(jī)組之間的關(guān)系連接更為密切，其中各風(fēng)電機(jī)組之間的電氣連接的分布結(jié)構(gòu)將直接影響風(fēng)電機(jī)組之間的雷電流的分布，進(jìn)而決定風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部流過SPD的雷電流的大小。因此，在風(fēng)電場建設(shè)過程中，應(yīng)認(rèn)真分析和考慮各風(fēng)電機(jī)組之間的關(guān)系布局，以降低雷電對風(fēng)電機(jī)組的影響和危害。

綜上所述，為了保證SPD在實(shí)際運(yùn)行中既起到保護(hù)風(fēng)電機(jī)組的作用，同時又不影響風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)作，我們在工程實(shí)踐中采取的主要措施包括：一是加強(qiáng)風(fēng)電場雷擊風(fēng)險的評估和分析，重點(diǎn)確定危害風(fēng)電機(jī)組的雷電通道及各雷電通道中雷電過電應(yīng)力的強(qiáng)度；二是正確劃分風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組防雷區(qū)；三是根據(jù)風(fēng)電機(jī)組中被保護(hù)設(shè)備的特點(diǎn)和系統(tǒng)的要求，確定SPD的級數(shù)和安裝位置；四是要正確選擇SPD的性能參數(shù)，并留有容量；五是密切關(guān)注SPD安裝工藝要求；六是完善風(fēng)電機(jī)組的屏蔽、接地和等電位連接措施；七是加強(qiáng)SPD日常巡檢和管理。

通過以上的分析，我們可以看到，風(fēng)電機(jī)組用SPD所承受的雷電過電應(yīng)力的因素構(gòu)成是相當(dāng)復(fù)雜的，雷電過電應(yīng)力因素可以使暫態(tài)過壓（如地電位）急劇升高，造成對電氣和電子設(shè)備的反擊；亦可沿進(jìn)入風(fēng)電機(jī)組的電力線路和信號線路分別侵入電氣和電子設(shè)備而造成損害，因此在風(fēng)電機(jī)組用SPD設(shè)計(jì)、施工和檢測等工程實(shí)踐中，我們必須在充分分析SPD所承受的雷電過電應(yīng)力因子的基礎(chǔ)上，采取切實(shí)可行的防護(hù)措施，減少和降低雷電應(yīng)力對SPD及其保護(hù)設(shè)備的損害風(fēng)險。

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