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風(fēng)力發(fā)電裝置的雷電防護與電磁兼容問題
閱讀：642 發(fā)布時間：2010-12-1交流咨詢:
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風(fēng)力發(fā)電，現(xiàn)在被稱為明日世界的能源。由于它屬于可再生能源，而且不像火電、核電、水電會造成環(huán)境問題，所以對社會的可持續(xù)發(fā)展對能源的要求，達到了舉足輕重的地位。
目前，我國正在籌建裝機容量5～10 萬千瓦的大型風(fēng)電場兩處，另外還在各地發(fā)展中小型風(fēng)力發(fā)電裝置，至于小型家用風(fēng)電，內(nèi)蒙自治區(qū)早在上世紀(jì)70 年代已相當(dāng)規(guī)模，90 年代已有很大的發(fā)展。可見，配合風(fēng)電開發(fā)，正確解決這種高聳易遭雷擊裝置的雷電防護和EMC 問題已經(jīng)提到日程。
1 風(fēng)輪、機艙、水平軸和尾舵的防護由圖1（略）可知，水平軸風(fēng)電機部件是zui易受擊部位，特別是風(fēng)輪端部。直擊雷電流，參考《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，按二類防雷設(shè)計，應(yīng)取150KA，波形10/350us。作為參考，該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，機殼等鋼的厚度達到4 mm，即可認(rèn)為能夠承受上述直擊雷電流。順便指出，有文獻在考慮風(fēng)輪受到直擊雷時按不同方向用滾球法計算，實際上因風(fēng)輪不斷旋轉(zhuǎn)，直觀法或保護角法也可使用。
2 風(fēng)輪、機艙、水平軸、尾舵和塔柱的等電位連接機艙外殼應(yīng)采用鋼板制成，為承受直擊雷壁厚不應(yīng)小于4mm。若小于4mm，則應(yīng)在適當(dāng)位置，包括上方和兩側(cè)裝設(shè)幾支小避雷針，防止上方和兩側(cè)受到雷擊，穿透艙壁，損壞內(nèi)部設(shè)備。如果大型機組為減輕重量而用復(fù)合材料制造機艙外殼，則應(yīng)在外面以網(wǎng)格形式裝設(shè)兼作接閃和屏蔽之用的鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)孔不宜大于3×3cm2～4×4cm2，鋼絲直徑不宜小Φ2.5mm，需通過屏蔽計算，必要時再加大鋼絲截面或縮小網(wǎng)孔。初步估計，對Z=0.25us 到Z=10us 的雷電流，應(yīng)不小于40db。各網(wǎng)孔結(jié)點處應(yīng)當(dāng)焊接以保證電氣的連續(xù)性。
風(fēng)輪與機艙間，機艙與塔柱間，尾舵與水平軸間，如無鉚接、焊接、螺接等可靠電氣連接，則應(yīng)設(shè)兩個金屬（鋼）連接線，每個的截面不宜小于16mm2。上述各項連接使裝置成為電氣上的整體，各易擊點受到直擊雷時，都能保證順利地以zui近的路徑沿塔柱引入接地裝置，并流向大地。如果風(fēng)輪由復(fù)合材料做成，則其端部必須由金屬（鋼）制成，以便接閃。此時應(yīng)以截面不小于25～35mm2 的鋼線，沿葉片的邊緣及迎風(fēng)面和背風(fēng)面各敷設(shè)一條導(dǎo)流線。尾舵如由復(fù)合材料做成，也應(yīng)沿外廓敷設(shè)鋼線，用來接閃和導(dǎo)通電流至水平軸。其中間也宜在兩側(cè)敷設(shè)鋼網(wǎng)。
風(fēng)輪與機艙間，水平軸與塔柱間，尾舵（翼）與水平軸間，以及其它旋轉(zhuǎn)或活動部分間的跨接線需根據(jù)具體情況精心設(shè)計和安裝，并宜采用雙份，因為只要在長年運行中，因振動等作用力導(dǎo)致材料疲勞和斷開，則強大的雷電流就會通過軸承處的油膜放電，燒損軸承和主軸的接觸部位，不用許久，一兩年經(jīng)過幾次雷擊就會使這些部件損壞，而若旁站導(dǎo)線敷設(shè)得當(dāng)，這些部件本應(yīng)可靠運行很多年，而且大修時也只是更換硬度較小的軸承。
3 直擊雷工況的反擊電壓計算及其防護
風(fēng)電機組與水電和火電機組在雷擊過電壓方面有機大不同，水電和火電機組有龐大的鋼結(jié)構(gòu)廠房，發(fā)電機和控制、信息系統(tǒng)在寬闊的廠房內(nèi)，設(shè)備一般都遠(yuǎn)離墻壁和接地引下線，墻壁鋼筋和鋼柱都不靠近設(shè)備。風(fēng)電則是高聳塔式結(jié)構(gòu)，非常緊湊，發(fā)電機和控制系統(tǒng)、信息都緊靠塔壁，無論風(fēng)軸、機艙、水平主軸、還是尾翼受到雷擊，機艙內(nèi)的發(fā)電機及控制系統(tǒng)等設(shè)備都可能受到機艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔柱引下的途中，也可能受到反擊。
1975 年作者指導(dǎo)花木橋水電站的工頻和沖擊反擊試驗，在機房直接短路接地和施加雷電流4300A 進行沖擊試驗，作者提出反應(yīng)屏蔽效果的反擊系數(shù)。1981—1982 年，作者為水科院進行大型電子計算機房防雷設(shè)計時，又將我國各部門經(jīng)驗概括為DBSG 技術(shù)，即分流、均壓、屏蔽、接地。
1985 年，作者與解廣潤合作的論文《關(guān)于微波通信站防雷問題的商榷》（《電力技術(shù)》，1985，6）中，又提出帶“保護”（protecting）的DBSGP 技術(shù)，和防雷中普適的DBSGP 系統(tǒng)。反觀過電壓保護規(guī)程（1979）中的，微波站防雷技術(shù)實際上已經(jīng)*采納了DBSGP 技術(shù)。在風(fēng)電機組防雷中，當(dāng)然是上述防雷原則的進一步應(yīng)用，其中“接地”一項，至少要用5Ω。對發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)，繼電保護和控制系統(tǒng)、通信和信號以及計算機系統(tǒng)等均應(yīng)由制造廠安裝相應(yīng)的過電壓保護裝置。至于電力和信息回路由機艙到地面開關(guān)柜，除應(yīng)采用屏蔽電纜外，還應(yīng)再穿入接地鐵管，使反擊系統(tǒng)降至0.1%。此外，各回路均應(yīng)在柜內(nèi)安裝防雷裝置。這樣DBSGP 系
統(tǒng)在各節(jié)點層層設(shè)防，才能使機艙電位高達1600KV 的*電壓，仍然承受住反擊電壓，保證各種設(shè)備安全運行。電力和信號線的雙層屏蔽，除防止反擊外，還起到信號線的抗干擾（EMC）作用。
4 接地與電磁兼容問題
丹麥廠家在島上的風(fēng)電機組，其開關(guān)柜未與塔柱做等電位連接和封閉在外廓封閉的接地網(wǎng)之內(nèi)，所以未發(fā)電即發(fā)生雷擊事故。其另一不該出的問題：電力和信號電纜均無屏蔽層，而且電纜過長，就盤成一堆，放在地面上，感應(yīng)雷電過電壓都要引發(fā)事故。我們應(yīng)采用下圖（略）的接地布置方式，使機柜與塔柱和機艙做等電位連接，至于接地網(wǎng)的具體尺寸及數(shù)據(jù)，則根據(jù)山上土垠情況來決定。
反擊電壓計算，機艙電位：
U=IRi+L（di/dt）=150×3+0.5×40×150/2.6=450+1150=1600kV （1）
采用DBSPG 技術(shù)后，分別取表1 中反擊系數(shù)，按下式算出風(fēng)電系統(tǒng)的反擊電壓列于表中：U=kU （2）
表1 機艙中風(fēng)電系統(tǒng)的反擊電壓（U=1600kV）
| 部位 | 發(fā)電機電壓 | 勵磁系統(tǒng) | 繼電保護及控制系統(tǒng) | 通信系統(tǒng) | 備注 |
| 欄號 | （1） | （2） | （3） | （4） | （5） |
| K 值 | 0.02～0.05 | 0.004 | 0.005～0.01 | 0.04 | 文獻[3][6]，圖3 |
| U | 32～80 | 6.4 | 8～16 | 64 |
|
| 設(shè)備耐壓值 | 6～50 | 2～4 | 2～4 | 2～4 | 文獻[3][6] |
可見，（1）～（4）欄中，反擊電壓幾乎均高于耐壓值很多倍，故各節(jié)點均應(yīng)安裝保護裝置MOA，其參數(shù)需分別由計算確定。MOA 的通流能力，可按下式計算[3]：I=（U-Ur）/Z （kA） （3）
式中，Ur 為電流I 時的殘壓（kV）；Z 為電流通過的回路的波阻，約為150Ω。試算法求出。
5 侵入雷電波的防護
根據(jù)多節(jié)點、多界面、多道防線原理及DBSGP 技術(shù)，保護裝置布置如下：發(fā)電機出口裝發(fā)電機過電壓保護裝置： MHVP-G-70 保護器，MHVP-HRTWD-220 型波吸收器（1.5～2μF），以及進線保護電纜段L=L1+L2=50～100m 的L2 段（從地面開關(guān)柜到發(fā)電機出口），電纜兩端及中間多點接地（共5 點及以上），以及地面開關(guān)柜內(nèi)的CC-300 型電感線圈（300μH），和保護電感線圖及電纜頭的
MHVP-SA-70（保護接線圈略）。
6 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和可靠性指標(biāo)
直擊葉輪、機艙、尾艙時的耐雷水平：I1=150kA，τ=2.6μs，R1=5Ω，直擊地面進線段首端，I2=50KA，進線電纜的地埋部分L1 =15～20m。進線首端R2=5Ω。
耐雷指標(biāo)：可靠性指標(biāo)目標(biāo)值：MTBF =50 年（1KL=40d/a），由半統(tǒng)計法和判據(jù)對比法確定，并據(jù)以校核和確定保護系統(tǒng)的諸參數(shù)。（參考我國電力系統(tǒng)的設(shè)計和運行指標(biāo)：微波通信站，60 年；小型發(fā)電機，30～100 年）。