风力发电机组防雷的研究分析

2015-08-15薛成亮

现代国企研究 2015年20期

薛成亮

风力发电是当前世界可再生清洁能源利用中技术相对较成熟，同时应用实际规模较大的一种方式。而根据风力发电机组的特点的多年运行以来的总结，雷电灾害是风力发电受影响的重大自然灾害之一，因此，必须为风力发电机组内的电气、电子元件采取有效的防雷措施。通过采取有效的防雷保护措施，机组设备得到了保护，不仅降低了维护时间和维修费用，并且可以显著提高设备利用小时。这里，我们拿SL1500/82型风力发电机组为例，对采取防雷措施进行分析和研究。

一、机组雷击导致机组停机的原因

1）由于凸轮编码器距控制柜较远，编码器电缆沿主机架布线，而且编码器侧没有防雷保护，使雷击导致的电涌很容易冲击损坏凸轮编码器。

2）现有刹车压力开关为电子式压力开关，其电缆位于齿轮箱表面，非常容易受电涌冲击，导致烧毁。且其电缆较长，无法受到浪涌保护器保护，并且在主系统中，主控只接受压力有无信号，只要能感受到制动器打压正常即可，所以此开关选型也不够科学。

3）制动器保险回路及急停复位回路使用的浪涌保护器均为差模型浪涌保护器。通过图纸原理分析，制动器保险回路和急停复位回路均采用为24VDC电源线，而差模型浪涌保护器只能使用于小信号，所以当雷击产生高频信号不能通过大地释放掉，只能实现高低电势之间互串，导致多功能继电器死机或其他期间损坏；共模浪涌适合于电源信号，当雷电引发的高频信号造成电位提升时，可以通过放电管和反向二极管将电流放到保护地。

4）Bachmann机组中，缺少很多由柜外进入柜内电缆的防雷保护，其中风速风向仪模块的电缆当带有高压电涌时，由于没有浪涌保护，会直接导致风速风向仪模块烧毁，此问题发生较频繁。

5）滑环编码器接线由控制柜引出，经过主机架等雷电泄放回路，接至滑环编码器，在编码器端无任何保护，常因高压感应电涌导致编码器烧毁，因为滑环编码器和滑环是一体结构，不能更换，所以只能通过更换滑环来解决，不仅导致机组运行成本增高，而且严重影响机组可利用率。

6）SL1500原有防雷设计中，缺少很多由柜外进入柜内电缆的防雷保护，这些接至PLC点、偏航变频器电缆当带有高压电涌时，会导致PLC和偏航变频器死机甚至损坏，导致机组失控，不仅影响可利用率，而且也存在机组失控的隐患。

二、机组电气电子元件的防雷措施

1）凸轮编码器。SL1500机组凸轮编码器的作用是在机组偏航过程中监视和记录机舱偏移的角度，防止机舱工作时超出工作位置对电缆产生伤害。在SL1500机组中，安装在机舱底部，和偏航大齿圈相啮合，凸轮编码器的浪涌保护安装在NCC310控制柜中，但是由于机舱控制柜浪涌位置与凸轮编码器位置较远，并且之间连接线通过主机架。

通过凸轮编码器在雷电中损坏的电气原理，符合防雷规范50cm以内准则，只要在编码器近端加浪涌保护，就能彻底解决此此问题，因此可通过更换加有浪涌保护的电路板替换之前的电路板的方式对编码器进行防雷保护。

2）制动压力开关。目前SL1500机组使用压力开关为电子式压力开关，虽然NCC310控制柜已经安装浪涌保护器，但是其电缆位于齿轮箱表面，距离浪涌保护距离较长，容易受电涌冲击，导致烧毁。通过压力开关损坏原因分析，所以选取无源压力开关，其结构完全有机械机构构成，反应灵敏，并且无需要电源，既满足机器测压需求又降低了雷电损坏的隐患。

3）机组安全链。SL1500机组在雷电天气经常出现K230.6安全链保险烧坏、安全继电器死机及急停按钮不能复位问题，通过现场调研分析，机组安全链回路及制动器保险回路使用的浪涌保护器均为差模保护型浪涌保护器。

当雷电引起的暂态电压进入浪涌器件，保护器中1点到3点线路的暂态电势通过放电管会汇总到2点和4点之间的线路上，最终导通到大地，所以有一个暂态时刻落到2点、4点线路的暂态电势会很大，如果2点接输入N线，那么残压会汇总到N线上最后和PE形成回路放掉，不会对线路造成伤害，但是如果2点和4点构成的线路为信号线，那么这条回路所连接的元器件很容易受到高压，造成损坏。

所以当差模浪涌保护器只能对电源信号起到保护作用，对反馈信号或模拟信号不能起到保护作用，而共模浪涌在雷电侵袭时会双线路对地放电，不会导致此危害，因此这两个回路均需使用共模型浪涌保护器，否则会导致保险烧毁或安全继电器死机。

4）偏航变频器、风速风向仪模块及PLC模块。此几种电器元件有很多信号线由柜外接至柜内，无任何浪涌保护或元器件选型错误，在雷电工况下，外部信号线会受感应磁场影响生成电泳，并导致偏航变频器烧毁，因此针对相关回路也需要增加浪涌保护。

5）滑环编码器。在SL1500机组中，对于滑环编码器的防雷浪涌保护器安装在NCC310控制柜内，但是机舱控制柜与滑环安转距离较远，远远大于50cm安全距离，所以对滑环编码器根本起不到保护作用。我们对滑环内部进行分析，滑环内部550VDC、230VAC及24VDC均有浪涌保护器对相关线路进行保护，但是滑环变频器是通过滑环接头，直接连接到机舱控制柜中，无任何保护措施，所以在雷电天气下，很容易受到感应雷影响，烧坏滑环编码器。

针对SL1500 风机损坏原因及GB 16895.22-2004中的相关要求。可采取一种专门研制的专用浪涌保护模块，通过在滑环进线口处加装防雷模块，保证了浪涌保护的安全距离，能够彻底解决滑环编码器损坏问题。

6）PT100。雷电天气下，测温PT线路暴露在高频感应磁场中，线路中形成的电泳容易导致测温PT烧毁，经现场实际探查，机组部分未安装浪涌保护器，个别线路没有屏蔽层，并且PT100涉及线路较长，本次技改将PT电缆更换为双绞屏蔽电缆，可降低PT烧毁情况，并且在未加装浪涌的元器件上添加浪涌保护。

7）屏蔽线等其他防范措施。当雷电工况时，在机舱内部，金属柜体及金属器件都需要进行等电位联接，防止在雷击过程中由于跨步电压的产生导致的导线两端器件损坏，控制柜间若无等电位连接电流将从电压较高的1 柜流向电压较低的2 柜，因此会损坏信号线两端连接的器件。很多PLC信号线由柜外接入并直接接至PLC点，进入控制柜时没有浪涌保护器对起保护，当线路中携带高压电泳时，会导致PLC模块烧毁。

因未经防护的PLC信号点较多，从成本角度考虑，对所有信号点增加防雷保护并不现实。通过对以往损坏的PLC模块进行分析，发现大部分问题发生在PTAI216模块上，可对此模块增加防雷保护，以此在成本合适的情况下，避免大部分PLC模块烧毁问题。之前bachmann机组模拟量信号无浪涌保护，所以此次技改把相关信号加浪涌保护器，保证机组在雷电天气下PTAI216不受雷电侵害，所以本项技改对A243.1模块和A244.1模块进行改造，此次选型浪涌保护器为共模浪涌保护器。