高原地区风机防雷技术研究

2018-04-24姚敬海张恩寿李永进赵荣浩

现代建筑电气 2018年3期

赵煜, 姚敬海, 张恩寿, 李永进, 赵荣浩

(昆明电器科学研究所, 云南昆明 650221)

0 引言

近年来,全国各地纷纷新建风电场,2016年度风力发电量达2 000亿kWh,为国家经济、生产生活的发展做出重大贡献,但仍然面临着很多问题,其中雷击问题对风机已经造成很大的损失,也逐步引起风电企业的重视,风电行业也将防雷问题视为检验风机安全、可靠性能的重要指标。风机的防雷设计影响风机遭到雷击的概率,以及风机遭到雷击后各部件的毁坏程度。风机单机容量越来越大,高度越来越高,在高海拔地区运用越来越广泛,遭雷击的风险也越来越大[1-2]。要降低风机被雷电击中的损失,首先在风电场选址时应选取雷电流幅值小、雷电频率低的地区;其次再根据风电场所在地区的雷电特点,采取具体的防雷措施。

1 风电场选址时考虑的防雷因素

1.1 雷电流幅值受海拔高度和地理纬度的影响

大量研究表明[3],雷电流幅值与海拔高度、地理纬度的关系如表1所示。

为了确定雷电流有没有受海拔高度、纬度的影响,采用多项式拟合雷电流的对数、海拔高度、纬度之间的函数:

M[lg(I)]=1.87-9.1×10-5h-10.67×10-3t

式中:h——海拔高度;

I——雷电流;

t——地理纬度。

再采用复相关分析法分析因变量雷电流的对数与自变量海拔高度的相关度,以及因变量雷电流的对数与自变量纬度的相关度。经过相关度的求证得到,雷电流幅值与海拔高度相关,雷电流幅值与纬度相关,且随着海拔高度的增大,雷电流幅值减小;随着纬度的增大,雷电流幅值减小。

我国过电压保护也有规程规定,雷电流幅值累积概率计算式:

lg(P)=-I/108

式中:P——幅值累积概率。

表1 雷电流幅值与海拔高度、地理纬度的关系

规程建议,西北地区的雷电流幅值在相同概率下减50%,因考虑到这些地区雷电活动弱,雷云能量小,因而雷电流幅值较小[3]。

1.2 雷电密度受气象因素、地理因素的影响

(1) 在河网稠密,距离湖泊、大型水库等水体近的地方,易发生强对流和雷暴天气,据有关资料统计,相比没有湖泊、水库的地区,可增多20%以上[4]。

(2) 气温高、湿度大、天气不稳定、气旋活动频繁的地区,易发生强对流和雷暴天气。

(3) 一面、两面、三面山体环绕的地区,对气流有抬升和阻挡作用,会形成雨带,易产生强对流和雷暴天气,其中越陡峭的地区,雷击密度越大。

(4) 雷电通道经过弯曲度大的地域时,电离粒子密度很大,极易发生雷击。发生雷击前,空气会在高电压差条件下被击穿,形成雷电通道,雷电通道携带大量电离粒子不断蔓延,在通过地势蜿蜒曲折的地方时电离粒子大集聚,击穿通道与大地之间的空气,释放能量[5]。

(5) 雷电密度在内陆地区大于沿海地区。

(6) 地表的粗糙程度对雷电电磁场的传播产生影响。地闪回击分为首次回击和继后回击。经多次试验,采集地表雷击过程中的数据,并开展数据分析,得到:地表的粗糙程度对首次回击垂直电场的影响非常小,对继后垂直回击电场影响较大,故具体分析继后回击;对于继后回击,地表粗糙程度增加,垂直电场峰值的衰减程度增加,时域脉冲波形上升沿时间增长,效果明显[6]。

1.3 风电场选址建议

为了防止雷击对风机造成损害,在风电场选址时应选在海拔较高,周围没有水库、湖泊,气旋活动少,地势平坦的沿海地区;在离风电场距离合适的地方修建间隙小、弯曲程度大、高度高的引雷障碍物,让雷尽量击中修建的障碍物;增加风电场地面的粗糙度,衰减回击垂直电场峰值。这样可以从客观上减少风机被雷击的频率,同时也可削弱雷电幅值电流,即使不慎被击中,也可以降低损坏程度。

2 风机结构防雷技术研究

2.1 高海拔地区的风机受雷电威胁的原因

高海拔地区风力资源丰富,雷暴天气次数较多,运行于高海拔地区的风机遭到雷击的次数较多,与平原地区相比,均成正比率增长。高海拔地区的风机受雷电威胁的原因如下:

(1) 风机高度达100～200 m,比周围环境高很多,且风机大都安装在空旷的地点,很容易受雷击;高海拔地区相对于平原地区,雷击更频繁。结合高原地区的雷电、风机的特点,安装于高原地区的风机被雷电击中的概率更大。

(2) 雷击发生时雷电流非常大且变化很快,会在雷击周围数千米内产生高速变化的电磁场。风机主控系统机舱柜、主控系统塔基柜和变桨系统内都安装大量的敏感电气元件。电气元件电路处于电磁场中,因电磁感应会出现高强度的电涌电流,并对电器元件造成损坏。虽然高海拔地区雷电的幅值比同纬度的平原地区小,但是因雷电流产生的旋转磁场足以损坏风机上敏感的电气元件。对于敏感的电气元件,安装于高海拔地区的风机和安装于平原地区的风机受到的威胁是一样的。但是对于部分能承受一定电流冲击的元器件,损坏相对会小些。

(3) 高海拔地区土壤电阻率较高,防雷接地电阻很难满足要求[7]。

由于雷电能量巨大,风电机组的部件承受强电流冲击的伤害能力有限,高海拔地区防雷接地电阻很难满足要求,加上雷击频繁,故高海拔地区的风机受雷电威胁非常大,容易造成损坏。

2.2 风机遭雷击过程分析

风机遭到雷击时,沿路径接闪器—风叶—轮毂—接地网—大地释放能量,在雷电释放能量的过程中,风机要承受雷电流释放的巨大能量和感应过电压的双重冲击。

整个风机系统中风叶位于风机的最高点,也是最容易直接遭受雷击部分。当直击雷击中叶片时,如果风叶上的防雷系统完好,雷电流将沿着引下线释放到大地。如果风叶上的防雷系统失效,雷电流将沿风叶释放能量,叶片温度急剧升高,高强度的电流在高温条件下分解风叶内的材料形成高温气体,风叶内部承受的压力上升,叶片因承受不了内压力而发生爆裂;雷电流含有高能量,通过轮毂时与周围部件形成高压差,在轮毂内产生高热量电弧,使雷电路径中的金属部件熔化,甚至直接熔断,威胁风电机组轮毂、轴承[8-9]。

感应过电压对风机的损害主要体现在主控系统机舱柜、主控系统塔基柜和变桨系统内的敏感电气元器件上,感应电压越高,对电气元器件的损害越严重。感应过电压是因高速变化的电磁场产生的,电磁场强度越大,过电压越大,电磁场是因雷电流产生的,雷电流陡度越高,电磁场强度越大,故感应过电压与雷电流密切相关,雷电流陡度越高,感应过电压越大,对风机的威胁越大。鉴于各种原因,可以用于确定雷电流陡度与海拔高度、地理纬度关系的数据太少,暂无法确定雷电流陡度与海拔高度、地理纬度的关系。因此,还需继续积累数据,以便进一步开展研究。

2.3 保护机仓内部电气元件的具体措施

(1) 在风叶上安装接闪器。雷击电流按规划好的线路接地释放。

(2) 等电位联结。机舱尾部接闪杆与机舱底板之间、塔筒底部与机组接地装置之间、顶部与机舱之间、塔筒和塔筒之间、机舱内的各不带电设备金属外壳(包括轴承、齿轮箱、发电机、偏航系统等)均与机舱底板之间宜采取等电位联结。当使用等电位测试仪进行等电位测量时,过渡电阻均应大于0.03 Ω[10]。

(3) 在有源导体连接上加电涌保护器(SPD)保护电源系统。主控系统机舱柜、主控系统塔基柜和变桨系统内的电器元件大多不能承受高电压,为了保护电器元件,主控系统机舱柜、主控系统塔基柜和变桨系统内外加SPD,且对有源线路进行等电位联结。其中,风电机组电源入口部位应装设第1级SPD,将残压控制在4 kV内;塔身和主控系统塔基柜之间连接C级SPD,将残压控制在2.5 kV内;机舱内外连接D级SPD,将残压控制在1.5 kV内;在塔底的控制柜内主进线处安装B+C级SPD,达到泄放每相 50 kA雷电流的能力,将残压控制在2.5 kV内。

(4) 通信信号线路的保护。风机塔筒与机舱控制柜之间的通信建议采用光纤进行通信。由于光纤不导电,无需使用SPD,但光纤外部覆盖光纤铠装金属层,内部穿过加强金属芯,应对铠装金属层、加强金属芯做接地处理;如果主控室内外采用RS-485通信或CAN信号线进行通信,需根据具体的连接方式加装通信接口SPD进行保护[11]。

(5) 测控信号线路的保护。测控线路和测控设备是数据采集的基础。风机上测控线路和测控设备众多,其中测控线路包括风向标的线路、风速仪的线路、加热器的线路和环境温度传感器的线路等,测控线路从机舱外部的各种测控设备连接到机舱内部控制系统,如果电流通过测控线路进入控制系统,对风机的打击是致命的。因此,为保护控制系统,需在控制柜内安装PT 1X2-24DC防雷器和PT 2X1-24DC防雷器。

(6) 确定接地方式。测量土壤电阻率,并确定接地方式。通过文纳四极法等距布置4个探针,使用土壤电阻率测试仪测量土壤电阻率,确定最低接地电阻。如果风电场的土壤电阻率≤500 Ω·m,最低接地电阻宜保证在2 Ω左右;如果风电场的土壤电阻率≥3 000 Ω·m,最低接地电阻值宜保证在10 Ω左右。为了保证最低接地电阻,需结合风电场的土壤结构,选择合适的接地方式,当土壤电阻率随深度变化小时宜采用水平接地体,增大接地面积,减小接地电阻,否则宜采用垂直接地体。