高原地區(qū)風機防雷技術研究

趙 煜, 姚敬海, 張恩壽, 李永進, 趙榮浩

(昆明電器科學研究所, 云南 昆明 650221)

0 引 言

近年來,全國各地紛紛新建風電場,2016年度風力發(fā)電量達2 000億kWh,為國家經濟、生產生活的發(fā)展做出重大貢獻,但仍然面臨著很多問題,其中雷擊問題對風機已經造成很大的損失,也逐步引起風電企業(yè)的重視,風電行業(yè)也將防雷問題視為檢驗風機安全、可靠性能的重要指標。風機的防雷設計影響風機遭到雷擊的概率,以及風機遭到雷擊后各部件的毀壞程度。風機單機容量越來越大,高度越來越高,在高海拔地區(qū)運用越來越廣泛,遭雷擊的風險也越來越大[1-2]。要降低風機被雷電擊中的損失,首先在風電場選址時應選取雷電流幅值小、雷電頻率低的地區(qū);其次再根據風電場所在地區(qū)的雷電特點,采取具體的防雷措施。

1 風電場選址時考慮的防雷因素

1.1 雷電流幅值受海拔高度和地理緯度的影響

大量研究表明[3],雷電流幅值與海拔高度、地理緯度的關系如表1所示。

為了確定雷電流有沒有受海拔高度、緯度的影響,采用多項式擬合雷電流的對數、海拔高度、緯度之間的函數:

M[lg(I)]=1.87-9.1×10-5h-10.67×10-3t

式中:h——海拔高度;

I——雷電流;

t——地理緯度。

再采用復相關分析法分析因變量雷電流的對數與自變量海拔高度的相關度,以及因變量雷電流的對數與自變量緯度的相關度。經過相關度的求證得到,雷電流幅值與海拔高度相關,雷電流幅值與緯度相關,且隨著海拔高度的增大,雷電流幅值減小;隨著緯度的增大,雷電流幅值減小。

我國過電壓保護也有規(guī)程規(guī)定,雷電流幅值累積概率計算式:

lg(P)=-I/108

式中:P——幅值累積概率。

表1 雷電流幅值與海拔高度、地理緯度的關系

規(guī)程建議,西北地區(qū)的雷電流幅值在相同概率下減50%,因考慮到這些地區(qū)雷電活動弱,雷云能量小,因而雷電流幅值較小[3]。

1.2 雷電密度受氣象因素、地理因素的影響

(1) 在河網稠密,距離湖泊、大型水庫等水體近的地方,易發(fā)生強對流和雷暴天氣,據有關資料統(tǒng)計,相比沒有湖泊、水庫的地區(qū),可增多20%以上[4]。

(2) 氣溫高、濕度大、天氣不穩(wěn)定、氣旋活動頻繁的地區(qū),易發(fā)生強對流和雷暴天氣。

(3) 一面、兩面、三面山體環(huán)繞的地區(qū),對氣流有抬升和阻擋作用,會形成雨帶,易產生強對流和雷暴天氣,其中越陡峭的地區(qū),雷擊密度越大。

(4) 雷電通道經過彎曲度大的地域時,電離粒子密度很大,極易發(fā)生雷擊。發(fā)生雷擊前,空氣會在高電壓差條件下被擊穿,形成雷電通道,雷電通道攜帶大量電離粒子不斷蔓延,在通過地勢蜿蜒曲折的地方時電離粒子大集聚,擊穿通道與大地之間的空氣,釋放能量[5]。

(5) 雷電密度在內陸地區(qū)大于沿海地區(qū)。

(6) 地表的粗糙程度對雷電電磁場的傳播產生影響。地閃回擊分為首次回擊和繼后回擊。經多次試驗,采集地表雷擊過程中的數據,并開展數據分析,得到:地表的粗糙程度對首次回擊垂直電場的影響非常小,對繼后垂直回擊電場影響較大,故具體分析繼后回擊;對于繼后回擊,地表粗糙程度增加,垂直電場峰值的衰減程度增加,時域脈沖波形上升沿時間增長,效果明顯[6]。

1.3 風電場選址建議

為了防止雷擊對風機造成損害,在風電場選址時應選在海拔較高,周圍沒有水庫、湖泊,氣旋活動少,地勢平坦的沿海地區(qū);在離風電場距離合適的地方修建間隙小、彎曲程度大、高度高的引雷障礙物,讓雷盡量擊中修建的障礙物;增加風電場地面的粗糙度,衰減回擊垂直電場峰值。這樣可以從客觀上減少風機被雷擊的頻率,同時也可削弱雷電幅值電流,即使不慎被擊中,也可以降低損壞程度。

2 風機結構防雷技術研究

2.1 高海拔地區(qū)的風機受雷電威脅的原因

高海拔地區(qū)風力資源豐富,雷暴天氣次數較多,運行于高海拔地區(qū)的風機遭到雷擊的次數較多,與平原地區(qū)相比,均成正比率增長。高海拔地區(qū)的風機受雷電威脅的原因如下:

(1) 風機高度達100～200 m,比周圍環(huán)境高很多,且風機大都安裝在空曠的地點,很容易受雷擊;高海拔地區(qū)相對于平原地區(qū),雷擊更頻繁。結合高原地區(qū)的雷電、風機的特點,安裝于高原地區(qū)的風機被雷電擊中的概率更大。

(2) 雷擊發(fā)生時雷電流非常大且變化很快,會在雷擊周圍數千米內產生高速變化的電磁場。風機主控系統(tǒng)機艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內都安裝大量的敏感電氣元件。電氣元件電路處于電磁場中,因電磁感應會出現高強度的電涌電流,并對電器元件造成損壞。雖然高海拔地區(qū)雷電的幅值比同緯度的平原地區(qū)小,但是因雷電流產生的旋轉磁場足以損壞風機上敏感的電氣元件。對于敏感的電氣元件,安裝于高海拔地區(qū)的風機和安裝于平原地區(qū)的風機受到的威脅是一樣的。但是對于部分能承受一定電流沖擊的元器件,損壞相對會小些。

(3) 高海拔地區(qū)土壤電阻率較高,防雷接地電阻很難滿足要求[7]。

由于雷電能量巨大,風電機組的部件承受強電流沖擊的傷害能力有限,高海拔地區(qū)防雷接地電阻很難滿足要求,加上雷擊頻繁,故高海拔地區(qū)的風機受雷電威脅非常大,容易造成損壞。

2.2 風機遭雷擊過程分析

風機遭到雷擊時,沿路徑接閃器—風葉—輪轂—接地網—大地釋放能量,在雷電釋放能量的過程中,風機要承受雷電流釋放的巨大能量和感應過電壓的雙重沖擊。

整個風機系統(tǒng)中風葉位于風機的最高點,也是最容易直接遭受雷擊部分。當直擊雷擊中葉片時,如果風葉上的防雷系統(tǒng)完好,雷電流將沿著引下線釋放到大地。如果風葉上的防雷系統(tǒng)失效,雷電流將沿風葉釋放能量,葉片溫度急劇升高,高強度的電流在高溫條件下分解風葉內的材料形成高溫氣體,風葉內部承受的壓力上升,葉片因承受不了內壓力而發(fā)生爆裂;雷電流含有高能量,通過輪轂時與周圍部件形成高壓差,在輪轂內產生高熱量電弧,使雷電路徑中的金屬部件熔化,甚至直接熔斷,威脅風電機組輪轂、軸承[8-9]。

感應過電壓對風機的損害主要體現在主控系統(tǒng)機艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內的敏感電氣元器件上,感應電壓越高,對電氣元器件的損害越嚴重。感應過電壓是因高速變化的電磁場產生的,電磁場強度越大,過電壓越大,電磁場是因雷電流產生的,雷電流陡度越高,電磁場強度越大,故感應過電壓與雷電流密切相關,雷電流陡度越高,感應過電壓越大,對風機的威脅越大。鑒于各種原因,可以用于確定雷電流陡度與海拔高度、地理緯度關系的數據太少,暫無法確定雷電流陡度與海拔高度、地理緯度的關系。因此,還需繼續(xù)積累數據,以便進一步開展研究。

2.3 保護機倉內部電氣元件的具體措施

(1) 在風葉上安裝接閃器。雷擊電流按規(guī)劃好的線路接地釋放。

(2) 等電位聯結。機艙尾部接閃桿與機艙底板之間、塔筒底部與機組接地裝置之間、頂部與機艙之間、塔筒和塔筒之間、機艙內的各不帶電設備金屬外殼(包括軸承、齒輪箱、發(fā)電機、偏航系統(tǒng)等)均與機艙底板之間宜采取等電位聯結。當使用等電位測試儀進行等電位測量時,過渡電阻均應大于0.03 Ω[10]。

(3) 在有源導體連接上加電涌保護器(SPD)保護電源系統(tǒng)。主控系統(tǒng)機艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內的電器元件大多不能承受高電壓,為了保護電器元件,主控系統(tǒng)機艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內外加SPD,且對有源線路進行等電位聯結。其中,風電機組電源入口部位應裝設第1級SPD,將殘壓控制在4 kV內;塔身和主控系統(tǒng)塔基柜之間連接C級SPD,將殘壓控制在2.5 kV內;機艙內外連接D級SPD,將殘壓控制在1.5 kV內;在塔底的控制柜內主進線處安裝B+C級SPD,達到泄放每相 50 kA雷電流的能力,將殘壓控制在2.5 kV內。

(4) 通信信號線路的保護。風機塔筒與機艙控制柜之間的通信建議采用光纖進行通信。由于光纖不導電,無需使用SPD,但光纖外部覆蓋光纖鎧裝金屬層,內部穿過加強金屬芯,應對鎧裝金屬層、加強金屬芯做接地處理;如果主控室內外采用RS-485通信或CAN信號線進行通信,需根據具體的連接方式加裝通信接口SPD進行保護[11]。

(5) 測控信號線路的保護。測控線路和測控設備是數據采集的基礎。風機上測控線路和測控設備眾多,其中測控線路包括風向標的線路、風速儀的線路、加熱器的線路和環(huán)境溫度傳感器的線路等,測控線路從機艙外部的各種測控設備連接到機艙內部控制系統(tǒng),如果電流通過測控線路進入控制系統(tǒng),對風機的打擊是致命的。因此,為保護控制系統(tǒng),需在控制柜內安裝PT 1X2-24DC防雷器和PT 2X1-24DC防雷器。

(6) 確定接地方式。測量土壤電阻率,并確定接地方式。通過文納四極法等距布置4個探針,使用土壤電阻率測試儀測量土壤電阻率,確定最低接地電阻。如果風電場的土壤電阻率≤500 Ω·m,最低接地電阻宜保證在2 Ω左右;如果風電場的土壤電阻率≥3 000 Ω·m,最低接地電阻值宜保證在10 Ω左右。為了保證最低接地電阻,需結合風電場的土壤結構,選擇合適的接地方式,當土壤電阻率隨深度變化小時宜采用水平接地體,增大接地面積,減小接地電阻,否則宜采用垂直接地體。

3 結 語

雷電能量巨大,雷擊方式復雜,且高原地區(qū)雷擊頻繁,風機高度較高,遭受雷擊的概率較大,要阻止設備毀壞,只能迅速將雷電引到地下。對風電場的選址提出建議,對風機遭雷擊的過程開展分析,從風機的結構設計和安裝方面給出具體防雷措施。

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