风力发电机组雷电防护

斏旑旑斿旘斖旓旑旓旍旈斸斢斻旈斿旑斻斿斣斿斻旇旑旓旍旓斻旓旑旓旐旂旂旟敠斉旟内蒙古科技与经济

斒旛旍棸棻椀旟棽

斘旓棶棻棿斣旓旚斸旍斘旓棶棾棾椂风力发电机组雷电防护

棬棭通辽市气象局防御雷电灾害管理中心棳内蒙古通辽暋棸棽椄棸棸棸

从风力发电及雷电的概述中介绍了雷电对风力发电机的危害棳重点阐述了风力发电机组的暋暋摘暋要椇叶片暍机舱暍发电机暍电气部分暍控制系统等雷电防护问题暎关键词椇新能源椈风力发电椈防雷暘棬棭暘暘暋暋中图分类号椇斢棽棻棾暋暋文献标识码椇斄暋暋文章编号椇棻棸棸椃椂椆棽棻棽棸棻椀棻棿棸棸椄椆棸棾风力发电暋暋现代科学技术和环保事业的飞速发展棳机组的单机发电容量越来越大棳为了提高风力转化电力的效率棳风力发电机组的轮毂高度和叶轮的尺寸越来越大棳这也增加了风力发电机组被雷电击中的风险棳雷击也成了在自然界中对风力发电机组造成物理椵棾

暎雷电发损害和安全运行失效危害中最大的威胁椲

生时释放的电效应暍热效应暍机械效用会造成风力发电机组的叶片物理损坏暍转子发电机的绝缘击穿暍电气控制元器件的烧毁等等暎风力发电机组多位于空旷平原或者沿海平原上棳而我国沿海地区的地形比较复杂棳潮湿地区的雷暴日又较多棳所以要充分的重视雷电给风力风电机组的运行和安全操作人员带来的巨大损失和安全隐患暎例如棳在红海湾风电场建成投产至今就已经发生了多次得雷击风力发电机事件棳风机叶片被击中的概率达到棿电气通讯元件被击中棩棳的概率更是高达棽棸棩暎为了降低雷电自然灾害给风力发电机组带来的损失棳我们必须充分了解雷电棳了解风力发电机组的内部构造及发电原理棳这样才能做椲椵椀

出有针对性的雷电防范措施暎认为前人对风力发电机防雷的问题早有理念棳风力发电机的安装位置大多为广阔的平原地区或沿海地区棳风机高度可以达到几十米甚至上百米棳根据风机自身特性棳雷电可能直接闪击到风力发电机上暎发生雷电对风机闪击时棳雷电容易击中叶片棳绕击到风机机舱或者塔筒暎雷电发生时棳雷暴云底端的风机叶片上暍机舱上部暍塔筒顶部都会感应出与雷暴云相反的电荷棳所以风机叶片暍机舱暍塔筒是防御直击雷的第一道关卡暎风电场的输电线路大多架空敷设棳所以架空线缆也是直击雷经常暟光顾暠的位置暎由此可见棳风电机组遭受雷击时棳其雷击点可能分布在机组的许多部位暎经过查阅大量前人对风力发电机组雷电防护资料及做法棳根据所学将要对风力发电机组综合防雷系统进行设计暎棻暋风力发电棻灡棻暋风力发电现状在可再生能源中风能占据主要地位棳并且世界各国对风能越来越重视暎它的蕴藏量惊人棳全球的椆

而可利用的风能资源风能储量约为棽斖斪棳灡椃棿暳棻棸椃

相比地球上的水能总量还要多棻有棽暳棻棸斖斪棳棸倍暎中国风能储量很大暍分布面广棳仅陆地上的风能椲椵

储量就有约棽灡椀棾亿旊斪棻暎暟十一五暠期间棳中国风电并网得到了飞速发展暎仅棽中国的风电累计总装机容量已达到棽棸棸椂年棳椂棸棳暍万旊斪成为继欧洲美国和印度之后开发风力资源发电的主要市场暎我国的风力发电产业规棽棸棸椃年棳模进入持续增长态势棳截止棽棸棸椃年全国风力发电累计装机容量为椂中国风力发电棸棸万旊斪暎棽棸棸椆年棳装机总量已近椃占中国各类发电总装机棸棸万旊斪棳容量的棻暂居世界第五位棳标志着中国已经进入棩棳椵椂

暎可再生能源开发利用的大国行列椲

棻灡棽暋风力发电机结构风电建设项目风力发电机组成结构主要分为叶片暍机舱暍塔筒暍基础暍内部设备暍变压器等椂大部分棳如图棻所示暎李亚芬棳张原瑞

.com.cn. All Rights Reserved.图棻暋风机和机舱组成结构

水平轴式风力发电机设备机构包括机舱暍转子暍叶市场上大多数风力发电机多为水平轴式棳暋暋目前棳棽棸棻椀棴棸棿棴棻椄暋暋收稿日期椇

棳作者简介椇李亚芬棬女棳内蒙古通辽人棳本科棳工程师棳就职于通辽市气象局防雷中心暎棻椆椂棽棴棭

暏椄椆暏

总第棾棾椂期片暍轴心暍低速轴暍齿轮箱暍发电机暍电子控制器暍液压棻系统灡棾暋暍变压器等部分棳如图棻所示暎风力发电原理风力发电是利用风力带动风车叶片旋转棳再透过增速机将旋转的速度提升棳来促使发电机发电暎依据目前的风车技术棳大约是每秒三公尺的微风速度棬微风的程度棭棳便可以开始发电暎小型风力发电系统效率很高棳但它不是只由一个发电机头组成的棳而是一个有一定科技含量的小系统椇风力发电机数字逆变器椲棿

椵组成暎每一部分暎风力发电机由机头都很重要棳各部分功能为暍转体棲暍椇尾翼充电器叶片用暍叶片棲来接受风力并通过机头转为电能椈尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能椈转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能椈机头的转子是永磁体棳定子绕组切割磁力线产生电能暎机械连接与功率传递水平轴风机桨叶通过齿轮箱及其高速轴与万能弹性联轴节相连棳将转矩传递到发电机的传动轴棳此联轴节应具有很好地吸收阻尼和震动的特性棳表现为吸收适量的径向暍轴向和一定角度的偏移棳并且联轴器可阻止机械装置的过载暎另一种为直驱型风机桨叶不通过齿轮箱直接与电机相连风机电机类型暎暙棽椀斨风力发电机因风量不稳定棳故其输出的是变化的交流电棳须经充电器整流棳再对蓄电瓶棻棾斨充电棳使风力发电机产生的电能变成化学能暎然后用有保护电路的逆变电源棳把电瓶里的化学棽棽棽棸斨能转变成交流市电棳才能保证稳定使用暎棽灡暋棻雷电暋雷电概述雷电是伴有强烈闪电和雷声的一种壮观而令人生畏的大自然神奇放电现象暎雷电大多产生在对流运动强烈的积雨云中棳因此棳在它到来时常常伴有强烈的大风和暴雨棳大气运动强烈时还伴有冰雹暎大棽气中积下降棸旊旐棳棳水滴被气流冲高空气温较低云层的顶雨云的云层顶部一般位散破碎以及部形置上下成小较高空气冰晶棳距离对暎地流冰面的晶摩擦过程棳使云层中产生双极电荷暎而云中电荷的分布不规律棳总体的来说棳云层的上半部主要分布正电荷棳下半部分布负电荷的积雨云为主椲

棽

椵的上暍下之间形成一个暂态高电位暎当暎这因此个电棳云位层差积累到一定电荷量后棳就会发生击穿放电现象棳这就是我们常见的云内闪电现象流约为电发生时的电棾暳棻棸斄压棳降最非大常放高电棳电暎大流闪电发生时的平均电棿约可为达棾暳棻棸椀

斄暎闪度雷暴发生时的功率达到个小型核电站的发电输出功率棻暳棻椃

棻暳暎棸在闪电放电的过程斪棳大棻约棸椆

相斨暎当中于强一中棳由于电荷中和通道的温度陡增棳使得空气的体积急剧膨胀棳这样会发生冲击波棳形成我们听到的强烈雷声暎当带有电荷的雷暴云位于地面的突起物正上棽方时灡棽暋棳云与地之间就发生云地放电暎雷电对风力发电机产生的主要危害风机分散架设在孤立旷野的山区暍半山地区暍丘陵暍平原等地带棳风机塔筒高度一般为加叶片风轮半径棾棸旐棳总高度可达棻棸棸旐椃棸以旐暙上椄棳棸极旐易棳遭受雷击暎雷电造成的危害主要由直击雷暍侧击雷暍雷电感应暍雷电电磁脉冲暍地电位反击等棳其释放的巨大能量会造成风电机组的叶片损坏暍发动机绝缘击穿棽暍控制元器件烧毁等棳造成严重的经济损失棳如图所示暎暏椆棸暏

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图灡暋棽暋风机遭受雷击

棻风力发电机组的雷电防护暋风力发电机组雷电防护系统风力发电机组的防雷主要由叶片暍塔筒暍地网构成直击雷暍侧击雷暍雷电感应防护系统椈屏蔽线缆接地暍电源和信号电涌保护器构成雷击电磁脉冲防护系统椈设备和地网等电位连接构成地电位反击保护系统棳如图棾所示暎灡棽图棾暋风力发电机直击雷和感应雷防护系统棽灡暋外部雷电防护灡棻暋接闪器暎风力发电机组中最高部分就是叶片的最高高度棳叶片即为接闪杆棳是风力发电机最易遭受雷击破坏的部位棳所以叶片的雷电防护设计尤为重要暎根据各风电场采用风力发电机设备的不同棳叶片类型也有所不同棳但基本原理不会有大的变化暎风力发电机组的叶片都是有复合材料制成的大型中空结构棳防雷基本原理是将叶片上的雷电流引至轮毂上棳通过轮毂与塔筒的等电位连接系统将雷电流泻放棳避免叶片的损坏暎在叶片的内部安装金属材料棳将电流从叶尖引至叶根棳再通过叶片轮毂的连接泄流椈位于叶片中的金属材料在轴承处相互连接棳采用碳刷或者放电间隙与塔身可靠连接暎安装接闪器或者引下线的金属线必须有足够的截面积能够承受雷击电流棳并且能够安全传导椲

椃椵对机舱起防护作用棳但机舱尾端始终与叶片相对应暎叶片虽然棳当雷电从尾端方向袭来棳叶片也不能完全保护棳为了使机舱内的设备得到安全保护棳应在尾端安装接闪短杆棳接闪短杆可以把雷电流通过防雷引下线暍接地系统泄入大地灡棽灡棽暋棳从而起到保护机舱的作用暎引下装置暍侧击雷防护暎风力发电系统塔筒为金属材料棳其材料规格和导电性能既可防护侧击雷又可作为引下线暎叶片与机舱间暍机舱接闪杆与棾棾.com.cn. All Rights Reserved.棾棾棾李亚芬棳等暏风力发电机组雷电防护

塔桶间暍尾舵与水平轴间应通过铆接暍焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接棳也可以通过单独的多股铜线棬截面不小于棽

小棳过渡电阻值不应棻椂大旐于旐为一个电气的整体棳使之遭受雷击时棸灡棭棳棸棾各毟连暎接以过渡电阻尽量棳上能有一个快速各部件连接的通道沿塔身引入接地装置暎由于风力发电机高度均超过滚球半径棳侧击雷防护必不可少暎风力发电机结构均为金属材料棳叶片内也布满金属网棳这样使得风力发电机侧击雷防护成为可能暎将各个金属构件相互可靠搭接棳形成机身全面等电位连接棳连接处过渡电阻同样需要符棾合要求灡棽灡棾暋棸灡接地装置棸棾毟暎暎风力发电机组的接地网要进行总体设计暎接地装置栚棳防雷接地栙风力发电机与机组变压器要共用同一暍放静电接地暍工作接地均共用椈接地网的形式要网形闭合棳形成闭合环形接地网棳对于各类土壤可降低对接地电阻的要求椈面积不应小于棻棽棸棸层旐棽

棳椈栛地网的距栜垂直接地体围绕风机基础布设不应少于三塔筒中心布设棳水平间距应每隔椀旐布设一根棻棳棸采用旐暍棻辐散椀旐暍棽式棸设旐计主要考虑接地装置在泄放雷电流时棳均匀泄放棳降低接地装置上的高电位差栞棳防止地电位反击的形成椈水平接地体要与风机基础钢筋交汇处可靠连接棳同塔筒内部等电位均压环可靠连接棳接地线平直设置棳铜质接地线截面积不应小于地引线不应少于三根暍机组变压棻棽

器棸棸接旐地旐引椈栟风机接线不应少于两根椈一般情况下栠接地装置使用材料必须符合规范要求椈棳共用接地电阻值不应大于栢电阻率较高地区可以适当放宽接地阻值棿毟棳但土壤椲椵的要求椈栣棾接地装置的埋深不应小于地平面灡棾暋内部雷电防护棻灡椀旐椄

暎图当雷电落在建棿暋风力发电机防雷分区

棬构棭筑物上及其附近会产生强大的电磁场棳其电场和磁场通过线缆或金属管道传输到设备棳从而产生干扰性的浪涌电流或浪涌电压棳对设备产生雷击电磁脉冲棳击毁设备棳因此在电源或信斕号斝线斱棸路斄曻斕前端斝斱棻加装电涌保护器暎在防雷保护区的边界处必须使用电涌保护器棳它可以泄放大量的雷电流保护设备暎它们可以抑制接地的金属设施和电源暍信号线路之间由雷电引起的高电位差棳将其限制在安全的范围之内棳如图示暎棿所棽棸棻椀年第棻棿期

风力发电机组在箱变和塔筒内设备总进出线处椀需安装第一级电涌保护器棽电涌保护器棸斔斄棳斦旔曑棳其最低参数要求为椇斏旑曒棳棾灡棸斔斨暎在第分配电源处安装第二级护器灡棸斔棳斨其具体参数根据每一控制单元暎塔筒内信号其最低控参制数系要统求需为安椇斏旑装曒棽棸斔斄棳斦旔曑暍第线路的性质选三级电涌保择确定暎通过两级防护以尽量减少雷电通过线路侵入系统内部的概率暎对埋地线缆采用金属铠装线缆或穿钢管全线埋地引入棳在铠装线缆或钢管两端与接地装置等电位连接棳埋地线缆与架空线缆交界处棾安装灡棿暋棻棸地电位反击防护棷棾椀棸旛旙波形电涌保护器暎风力发电机组最容易造成地电位反击的部件是椇由风机拦截雷电流后泄放大地棳对邻近的机组变压器通过地网造成反击棳因此风机和机组变压器必须共用同一接地装置或两组独立接地装置等电位连接棳且风机与机组变压器间传输线缆采用金属铠装电缆棳两端与接地装置等电位连接棳未采用铠装的线缆需穿金属钢管屏蔽棳金属钢管两端与接地装置等电位连接棳完善的等电位连接可以消除因地电位骤棿然升高而产生的反击现象暋暎结束语由于风力发电场所处地理位置的特殊性棳风机遭受雷电灾害是自然损害的最主要原因棳而且风力发电机各部件价格昂贵棳安装不便棳后期维护复杂棳又大多处于距城区较远处布置暎因此棳风力发电场这种特殊环境的防雷设施应注重因地制宜棳在设计施工前认真调查各方面自然条件及雷电活动规律棳及各型号风机的特点棳来进行雷电灾害风险评估暍防雷方案设计暍防雷工程施工棳这才是防雷工程经济暍实效的有力保证暎为风力发电机组做好雷电综合防护是保障风电场安全运行生产的重要条件棳也是对整个风力发电行业乃至整个新能源产业安全生产运行的安全保障暎椲参考文献椵椲棻椵暋中国风中国风电产业现状及发展椲棽椵暋椲张志英斘椵灡能协会棳中国能源报棳棽棸棻棽棴棸椆棴棽椆灡椲棾椵暋京化学工业出版社灡风能与风力发电技术椲北棳李德孚展椲斄椵灡棽棸棸椀年小型棽棸风棻棸灡斖椵灡北京椇力发电行业现状与发械灡农业机械化与新农村建设暘暘暘中国农业机学会棽棸棸椂年学术上棭椲棿椵暋椲施鹏飞斆椵灡棽棸棸年会论文集棬灡椂灡中国风电场装机容量统计椲棸棾斄椵纪太阳能新技术暘暘暘棽棸年中国太阳灡能棽学棻世会椲椀椵暋学术年会论文集椲柏文斆椵王君双馈式风力灡棽发棸棸电棾灡机结构原理及功率椲椂椵暋分析椲林志远斒椵灡灡灡教育科学博览棳风力发电机组的棽棸防棻棽棳棬雷问棻棻棭题灡椲椵椲椃椵暋斍电力斅椀棸棳棾棽棿棸棾棸棻暘棳棬棻棸棭灡斒灡广东棳建筑物电子信息系统防雷技椲椲椄椵暋斍术规范斅椀棸棸椀椲椃斢暘椵灡棽棸棸棿棳建筑物防雷设计规范椲椵椲椆棻棸椵暋斈椵暋斍斕棷斅斣棷椂斣棽棽棻棻棴棽棻棸椆棻椆棸暘椃棳交流电气装置的接地棳复合接地体技术椲斢斢灡条椵灡件椲棻棻椵暋斍椲斢椵椲斢斅椵棷灡椂椆椄棽棸棸椄灡斣棽棸棾棻椆棴棽棸棸椂棳中国船级社斆斆斢规范暏椆棻暏

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