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    技術答疑

    分析風電機組的防雷保護

    近年來我國風電廠建設規模提升較快,風電廠的安全運行對于風電能源的使用具有直接影響。本文從風電機組雷擊破壞原理和具體形式分析入手,探討了風電機組防雷保護的原則與具體措施。
     
    1 引言
    現階段開發技術最先進,開發規模最大的可再生能源是風能,風電能源已經成為我國新能源產業中不可缺少的組成部分。我國風電機組的裝機容量逐年提升,大直徑葉輪建設規模不斷提升,同時能夠在復雜環境中應用的風電機組研制速度加快,使得我國風電機組在海上、高原、丘陵及平原地帶廣泛建設。雷電釋放過程會對風電機組造成巨大的損害,其中包括葉片損壞、控制元器件損毀、絕緣擊穿等。分析風電機組的防雷保護,對于保證風電機組在雷雨天氣時的正常運行,提升風電機組的安全運行效率具有重要意義。
     
    2 雷電對于風電機組的破壞原理
    雷電是帶電荷雷云與大地之間的強烈放電現象,而雷電對于風電機組的破壞,可理解為帶電雷云和風電機組之間的放電現象。分析風電機組的防雷保護,最重要的是科學判斷雷擊放電過程中的雷電參數和電流波形,與風電機組破壞關系最密切的包括峰值電流和電流陡度等。
     
    統計雷電破壞對于風電機組的影響,主要表現為以下4種形式,首先是設備直接遭雷擊而造成損壞,其次是雷電產生的能量沿著設備中的信號線或電源線侵入內部,導致元器件損壞,再次是接地設備在雷擊時遭遇瞬時高電壓而損壞,最后由于設備的安裝不當,容易受到雷擊電場或磁場的影響,導致元器件靈敏度失調。
     
    (1)峰值電流。當雷擊電流經過風電機組時,會導致風電機組溫度急劇上升,內部元器件容易在熱效應的作用下損壞。進一步分析熱效應強度,主要是與雷電釋放的能量大小有關,這其中最核心的參數就是峰值電流。與此同時,當雷電能量流經風電機組時,會產生較大的電磁力,部分情況下會導致葉片等彎曲斷裂。
     
    (2)電流陡度。風電機組在遭受雷擊的過程中經常會造成控制系統或電子器件損壞,其主要原因是存在感應過電壓。感應過電壓與雷電流的陡度密切相關,雷電流陡度越大,感應電壓就越高。
     
    3 風電機組的防雷保護原則
    在風電機組的防雷保護設計中,應遵循以下4個原則,首先,保證設計的方法與當今的主流設備相適應,其次,在防雷設計中應充分考慮投資的合理性,兼顧經濟性,再次,防雷設計應具備較長的使用壽命,最后,盡可能的遵循國際標準和規范,方便系統的后期維護。
     
    現階段進行風電機組防雷保護所依據的最根本原則是弗蘭克林避雷法,即充分發揮避雷設備的特性,引發雷電場的激烈,將雷電引到防雷設備中,達到保護風電機組的目的。在實際應用中,可在葉片的內部和機艙的頂部安裝導體裝置,并通過主軸、齒輪、機身等設備,將雷電傳到大地,釋放雷電能量。與此同時為盡可能的降低電磁感應干擾影響,需在保護空間內部增裝屏蔽設備和sdp保護設備,并在大尺寸金屬件交接部位進行等電位連接。
     
    不同風電機組所處的環境相差較大,應在防雷設計中深入研究所在地的地理環境和氣候特點,并分析防電機組的自身結構特性,做到防護措施安全、可靠,切實降低雷擊造成的經濟和人員損失。
     
    4 風電機組的防雷保護
     
    4.1 風電機組葉片防雷保護
     
    風電機組葉片是整個機組中最高的部分,當葉片運行到頂端時,可作為避雷針行程的通道。分析世界范圍內風電機組雷擊破壞的主要部位,葉片占比最高,針對于葉片的防雷保護,相關研究證明,不論葉片使用鋼鐵材料,玻璃纖維材料或是木頭材料,雷電對于風電機組葉片的損害,主要取決于葉片的形狀,與此同時,雷擊作用多在葉片的背面。為此可在葉片上加裝接閃器進行雷電的捕捉,并通過葉片內置的引線將雷電能量引入大地。
     
    葉片防雷的原理是將葉片上的雷電能量引到輪轂中,并通過輪轂與塔筒之間的等電位連接,將雷電能量釋放?,F階段應用效果較好的風電機組葉片防雷方法有以下兩種,首先是在葉片的內部或表面安裝金屬材料,將葉尖的能量引至根部,然后通過輪轂與塔筒的連接施放,另一種是在葉片的表面加裝導電材料,使雷電能量在葉片表面傳遞,避免內部損壞。
     
    具體來看,包括無葉尖阻尼器的防雷結構和有葉尖阻尼器的防雷結構兩種,對于無葉尖阻尼器的防雷設計,通常是在葉片的尖部設置金屬化物,并將金屬化物與葉片內部的銅導線相連,金屬化物多采用箔狀結構和網狀結構。采用此種設計,在雷擊過程中可能會造成葉片表面部分的損壞,但不會影響強度和內部結構。對于有葉尖阻尼器的防雷設計,在纖維中預置金屬導體作為接閃器,通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動葉尖阻尼器的鋼絲(啟動鋼絲與輪毅共地)相連接。有葉尖阻尼器的防雷設計遭受雷擊的概率更高,這就要求在加工中,盡量增大導電結構的橫截面積和導電強度,使電流可以快速安全地導入地下。
     
    4.2 風電機組機艙防雷保護
     
    在采用風電機組葉片防雷保護避免了雷電對于機艙的直接雷擊,但也應考慮在機艙的首尾兩端加裝避雷裝置,避免雷電側擊造成機艙穿透,同時在機艙內部實行等電位連接。另一方面,現階段的風電機組機機艙多使用非金屬非導電材料,可在機艙內部使用金屬帶或金屬網制成一個法拉利籠,在一定程度上起到接閃器和屏蔽器作用,通常情況下使用鋼絲直徑應大于2.5mm,網孔應小于30×30cm。如果風電機組的機艙使用鋼板外殼,可以按照國家標準控制鋼板厚度,并做好低速軸承和發電機座之間的導電連接。
     
    4.3 風電機組機艙內部部件防雷保護
     
    機艙內部各零部件的基本保護是由鋼架機艙底盤提供,主要的零部件使用螺栓與底座金屬支架相連,可實現雷擊電流的傳導。對于不能與底盤相連的所有部件,都應與接地電纜相連。另一方面,發電機和齒輪箱之間應使用柔性絕緣連接,為防止雷擊電流經過齒輪箱,可使用接地導線將齒輪箱與機艙底盤的等電位器相連。最后,如果使用柔性阻尼元件連接偏航環和塔筒壁,建議使用扁銅帶跨接。
     
    4.4 風向儀傳感器防雷保護
     
    風向儀傳感器部署在風電機組外部,通常情況下高于機艙主體,工作環境相對惡劣,遭受雷擊的概率較大,建議設置一個專用的避雷針,避雷針高度應依據風向儀傳感器的高度而定,同時風向儀傳感器避雷裝置應使用空間面積大于16mm2的銅芯電纜與等電位母線相連。
     
    4.5 軸承防雷保護
     
    通常情況下,雷電作用在機艙和葉片的能量都要通過低速軸承導入塔筒,并進一步完成雷電能量的釋放。該種情況相對于雷電電流直接沿著主軸流經發電機組效果更好。由于風電機組的軸承尺寸較大,盡管電流在流經軸承時會造成灼蝕斑點,但不至于短時間內對風電機組的運行造成影響,但長期來看,可能會引發機械摩擦增大,震動和噪聲等,縮短風電機組軸承的使用壽命和使用效率。
     
    部分人員嘗試使用滑環將電擊能量導入塔筒,雖可在一定程度上降低軸承損害,但不能根本上消除軸承的潛在風險,主要原因是滑環與軸承平行,往往只能承載少部分雷擊電流,大部分的電流還需要由軸承來承擔。
     
    雷電無小事。無論電站,變電站,發電廠,信號發射塔,輸變電線路,都要時刻關注防雷要求,學習防雷知識,提高防雷技巧。避雷器發展迅速,以前是碳化硅避雷器,后來出現浙江樂清閥式避雷器,到現在廣泛使用的撫順氧化鋅避雷器。西安氧化鋅避雷器核心元器件氧化鋅電阻片具有良好的非線性特性。避雷器帶電測試,或者避雷器在線測試非常重要,也很關鍵。一定要使用氧化鋅避雷器特性測試儀,氧化鋅避雷器在線測試儀。登錄氧化鋅避雷器廠家官網獲得更多有關避雷器原理、電站型閥式避雷器、氧化鋅避雷器價格、浙江樂清避雷器、氧化鋅避雷器和跌落式避雷器、35kv避雷器、信號避雷器以及其他高壓避雷器技術要求和應用,www.exo19920506.com,同時了解河北線路避雷器型號和湖北避雷器試驗要求。避雷器廠家哪家好?重慶煤科院避雷器和浙江樂清避雷器?
     
    5 結語
    雷擊是導致風電機組損害的最主要因素之一,為保證風電機組的安全運行,進行必要的防雷保護措施十分重要。上文介紹了現階段風電機組防雷保護的原理及主要措施,但應注意到,無論怎樣完善上述措施,都不能完全消除雷擊對于風電機組的影響。在具體工作中,應加強科研人員和一線工作人員的交流,不斷完善防雷保護措施,提升對雷擊損害原理的認識,盡量減少雷擊對于風電機組的影響。
     
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