風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷系統(tǒng)

新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院課程作業(yè)題目:風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷系統(tǒng)講課老師:王海云學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：所屬院系：電氣工程學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：電氣09-4班日期：2013年5月風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷系統(tǒng)0、引言風(fēng)能是當(dāng)前技術(shù)較好的、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生潔凈能源。風(fēng)能發(fā)電為人與自然和諧發(fā)展提供了基礎(chǔ)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在自然環(huán)境下工作，不可避免的會(huì)受到自然災(zāi)害的影響。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對(duì)的也增加了被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，雷擊成了自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害，并且雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成的危害主要有直擊雷、感應(yīng)雷、雷電波侵入、地電位反擊等形式。雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。1、雷電的產(chǎn)生雷電是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀而又有點(diǎn)令人生畏的放電現(xiàn)象。雷電一般產(chǎn)生于對(duì)流發(fā)展旺盛的積雨云中，因此常伴有強(qiáng)烈的陣風(fēng)和暴雨，有時(shí)還伴有冰雹和龍卷風(fēng)。積雨云頂部一般較高，可達(dá)20公里，云的上部常有冰晶。冰晶的凇附，水滴的破碎以及空氣對(duì)流等過程，使云中產(chǎn)生電荷。云中電荷的分布較復(fù)雜，但總體而言，云的上部以正電荷為主，下部以負(fù)電荷為主。因此，云的上、下部之間形成一個(gè)電位差。當(dāng)電位差達(dá)到一定程度后，就會(huì)產(chǎn)生放電，這就是我們常見的閃電現(xiàn)象。閃電的平均電流是3萬安培，最大電流可達(dá)30萬安培。閃電的電壓很高，約為1億至10億伏特。一個(gè)中等強(qiáng)度雷暴的功率可達(dá)一千萬瓦，相當(dāng)于一座小型核電站的輸出功率。放電過程中，由于閃電通道中溫度驟增，使空氣體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生沖擊波，導(dǎo)致強(qiáng)烈的雷鳴。帶有電荷的雷云與地面的突起物接近時(shí)，它們之間就發(fā)生激烈的放電。在雷電放電地點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃光和爆炸的轟鳴聲。這就是人們見到和聽到的閃電雷鳴。雷擊雷擊避雷針產(chǎn)生空間電磁場雷云間放電產(chǎn)生空間電磁場雷電直接擊中電源線地網(wǎng)鐵塔地網(wǎng)圖１雷電的產(chǎn)生過程2、雷電的主要特點(diǎn)(1)、沖擊電流大。其電流高達(dá)幾萬-幾十萬安培(2)、時(shí)間短。一般雷擊分為三個(gè)階段，即先導(dǎo)放電、主放電、余光放電。整個(gè)過程一般不會(huì)超過60微秒；、頻率高。雷電流變化梯度大，有的可達(dá)10千安/微秒；、沖擊電壓高。強(qiáng)大的電流產(chǎn)生的交變磁場，其感應(yīng)電壓可高達(dá)上億伏。3、雷電的危害雷擊造成的危害主要有5種：直擊雷：帶電的云層對(duì)大地上的某一點(diǎn)發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱為直擊雷。它的破壞力十分巨大，若不能迅速將其瀉放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受嚴(yán)重的破壞或損害——火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。雷電波侵入：雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身，而是對(duì)布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散，侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動(dòng)化控制等各個(gè)系統(tǒng)。因此，往往在聽到雷聲之前，我們的電子設(shè)備、控制系統(tǒng)等可能已經(jīng)損壞。感應(yīng)過電壓：雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生，或閃電不直接對(duì)地放電，只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷，并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應(yīng)生成過電壓。系統(tǒng)內(nèi)部操作過電壓：因斷路器的操作、電力重負(fù)荷以及感性負(fù)荷的投入和切除、系統(tǒng)短路故障等系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的變化而使系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生改變，引起的電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生內(nèi)部過電壓，即操作過電壓。（5）地電位反擊：如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會(huì)在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分，流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。4、雷電保護(hù)區(qū)域的劃分圖2防雷保護(hù)區(qū)域的劃分雷電保護(hù)區(qū)LPZOA該區(qū)內(nèi)的各物體都可能遭受直接雷擊，同時(shí)在該區(qū)內(nèi)雷電產(chǎn)生的電磁場能自由傳播，沒有衰減。雷電保護(hù)區(qū)LPZOB該區(qū)內(nèi)的各種物體在接閃器保護(hù)范圍內(nèi)，不會(huì)遭受直接雷擊，但該區(qū)內(nèi)的雷電電磁場因沒有屏蔽裝置，雷電產(chǎn)生的電磁場也能自由傳播，沒有衰減。雷電保護(hù)區(qū)LPZi（i=1，2，...）當(dāng)需要進(jìn)一步減少雷電流和電磁場時(shí)，應(yīng)引入后續(xù)防雷區(qū)，并按照需要保護(hù)的系統(tǒng)所需求的環(huán)境選擇后續(xù)防雷區(qū)的要求條件。6、風(fēng)電機(jī)組綜合防雷保護(hù)系統(tǒng)。防雷保護(hù)區(qū)概念是規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電機(jī)綜合防雷保護(hù)的基礎(chǔ)。它是一種對(duì)結(jié)構(gòu)空間的設(shè)計(jì)方法，以便在構(gòu)筑物內(nèi)創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電磁兼容性環(huán)境。構(gòu)筑物內(nèi)不同電氣設(shè)備的抗電磁干擾能力的大小決定了對(duì)這一空間電磁環(huán)境的要求。作為一種保護(hù)措施，防雷保護(hù)區(qū)概念當(dāng)然就包括了應(yīng)在防雷保護(hù)區(qū)的邊界處，將電磁干擾（傳導(dǎo)性干擾和輻射性干擾）降低到可接受的范圍內(nèi)，因此，被保護(hù)的構(gòu)筑物的不同部分被細(xì)分為不同的防雷保護(hù)區(qū)。防雷保護(hù)區(qū)的具體劃分結(jié)果與風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且也要考慮這一結(jié)構(gòu)建筑形式和材料。通過設(shè)置屏蔽裝置和安裝電涌保護(hù)器，雷電在防雷保護(hù)區(qū)0A區(qū)的影響在進(jìn)入1區(qū)時(shí)被大大縮減，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的電氣和電子設(shè)備就可以正常工作，不受干擾。按照防雷保護(hù)分區(qū)的概念，一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)包括：外部防雷保護(hù)系統(tǒng)：接閃器、引下線、接地系統(tǒng)。內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)：防雷擊等電位連接、電涌保護(hù)、屏蔽措施。、外部防雷保護(hù)系統(tǒng)外部防雷保護(hù)系統(tǒng)由接閃器、引下線和接地系統(tǒng)組成，它的作用是防止雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的損壞以及火災(zāi)危險(xiǎn)。．1、接閃器雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)的落雷點(diǎn)一般是在風(fēng)機(jī)的槳葉上，因此接閃器應(yīng)預(yù)先布置在槳葉的預(yù)計(jì)雷擊點(diǎn)處以接閃雷擊電流。為了以可控的方式傳導(dǎo)雷電流入地，槳葉上的接閃器通過金屬連接帶連接到中間部位，金屬連接帶可采用30×鍍鋅扁鋼。對(duì)于機(jī)艙內(nèi)的滾珠軸承，為了避免雷電在通過軸承時(shí)引起的焊接效應(yīng)，應(yīng)將其兩端通過碳刷或者放電間隙橋接起來。、引下線如果是金屬塔，可以直接將塔架作為引下線來使用；如果是混凝土塔身，那么采用內(nèi)置引下線（鍍鋅圓鋼φ8～10mm，或者鍍鋅扁鋼30×）。、接地系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地由塔基的基礎(chǔ)接地極提供，塔基的基礎(chǔ)接地網(wǎng)應(yīng)與周圍的操作室的基礎(chǔ)接地極相連構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀接地體，這樣就形成了一個(gè)等電位連接區(qū)，當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)就可以消除不同點(diǎn)的電位差。并且要保證接地系統(tǒng)的接地電阻達(dá)到防雷規(guī)范要求。、內(nèi)部感應(yīng)雷防雷保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)是由所有的在該區(qū)域內(nèi)縮減雷電電磁效應(yīng)的設(shè)施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護(hù)。、防雷擊等電位連接防雷擊等電位連接是內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統(tǒng)內(nèi)，所有導(dǎo)電的部件都被相互連接，以減小電位差。在設(shè)計(jì)等電位連接時(shí)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)考慮其最小連接橫截面積。一個(gè)完整的等電位連接網(wǎng)絡(luò)也包括金屬管線和電源、信號(hào)線路的等電位連接，這些線路應(yīng)通過雷電流保護(hù)器與主接地匯流排相連。、屏蔽措施屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，如果能在設(shè)計(jì)階段就考慮到屏蔽措施，那么屏蔽裝置就可以以較低成本實(shí)現(xiàn)。機(jī)艙應(yīng)該制成一個(gè)封閉的金屬殼體，相關(guān)的電氣和電子器件都裝在開關(guān)柜，開關(guān)柜和控制柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在塔基和機(jī)艙的不同設(shè)備之間的線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層。對(duì)于干擾的抑制，只有當(dāng)線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時(shí)，屏蔽層對(duì)電磁干擾的抑制才是有效的。、電涌保護(hù)除了使用屏蔽措施來抑制輻射干擾源以外，對(duì)于防雷保護(hù)區(qū)邊界處的傳導(dǎo)性干擾也需要有相應(yīng)的保護(hù)措施，這樣才能讓電氣和電子設(shè)備可靠的工作。當(dāng)在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安裝電涌保護(hù)器時(shí)，與電源系統(tǒng)上安裝的電涌保護(hù)器不同的是：電涌保護(hù)器與測控系統(tǒng)的兼容性以及測控系統(tǒng)本身的工作特性需要特別注意。這些保護(hù)器與數(shù)據(jù)線串聯(lián)連接，而且必須將干擾水平限制在被保護(hù)設(shè)備的耐受能力以內(nèi)。7、主要部分的防雷設(shè)施細(xì)則、直擊雷部分作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中位置最高的部件，葉片是雷電襲擊的首要目標(biāo)，同時(shí)葉片又是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中最昂貴的部件，因此葉片的防雷擊保護(hù)至關(guān)重要。研究結(jié)果表明葉片的完全絕緣不能降低被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)而只能增加受損傷的程度，而在很多情況下雷擊的位置在葉尖的背面。國內(nèi)某風(fēng)電企業(yè)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片研制開發(fā)了專門的防雷系統(tǒng)，由雷電接閃器和雷電傳導(dǎo)部分組成。雷電接閃器是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的不銹鋼螺桿，裝置在葉片尖部，即葉片最可能被襲擊的部位，接閃器可以經(jīng)受多次雷電的襲擊，損壞后也可以方便地更換。、感應(yīng)雷浪涌保護(hù)部分直擊雷發(fā)生時(shí)快速變化的電磁場易在包括才、機(jī)艙內(nèi)部和穿過偏航軸承的地方以及連接到控制室和配電室的電纜中產(chǎn)生雷電感應(yīng)過電壓，顧位于這些區(qū)域任何一端的電氣控制設(shè)備，都要加裝以氣體放電管，壓敏電阻等為核心器件的浪涌保護(hù)器（SPD），具體包括了電源，信號(hào)等類型，以此抑制可能出現(xiàn)的雷電過電壓，對(duì)于690V/380V的風(fēng)電機(jī)組供電線路，為防止沿低電源侵入的雷電過電壓，供電線路應(yīng)采用TN-S供電方式。整個(gè)供電線路采用三級(jí)保護(hù)原理：一二級(jí)采用浪涌保護(hù)器（SPD），第三級(jí)采用終端設(shè)備保護(hù)器。根據(jù)風(fēng)機(jī)內(nèi)設(shè)備的不同以及電涌保護(hù)器安裝位置的不同，將風(fēng)機(jī)內(nèi)設(shè)備的電涌保護(hù)分成7個(gè)部分，以下具體介紹電涌保護(hù)器在各個(gè)不同設(shè)備中的配置。分別是：發(fā)電機(jī)的保護(hù)應(yīng)在發(fā)電機(jī)定子端、轉(zhuǎn)子端設(shè)置相應(yīng)的電源防雷器。機(jī)艙開關(guān)柜的保護(hù)從塔基控制柜到機(jī)艙開關(guān)柜的線纜，應(yīng)在線路進(jìn)入開關(guān)柜的入口端安裝相應(yīng)的防雷器。從測風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入開關(guān)柜的信號(hào)線，應(yīng)在進(jìn)入開關(guān)柜的入口端安裝信號(hào)線保護(hù)器。從遠(yuǎn)端控制系統(tǒng)進(jìn)入開關(guān)柜的信息線，應(yīng)在進(jìn)入開關(guān)柜的入口端安裝信號(hào)線保護(hù)器。輪轂變槳系統(tǒng)的保護(hù)變槳系統(tǒng)是控制風(fēng)機(jī)槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其電源與信號(hào)線路與機(jī)艙開關(guān)柜連接。應(yīng)在這些線路進(jìn)入變槳系統(tǒng)的入口端安裝相應(yīng)的保護(hù)器。4）塔基變頻柜的保護(hù)位于塔基的變頻柜與機(jī)艙發(fā)電機(jī)相連，從發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子來的電源線路在進(jìn)入變頻柜時(shí)，應(yīng)安裝相應(yīng)的保護(hù)器5）塔基控制柜的保護(hù)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的避雷器選型：信號(hào)避雷器的選擇與電源避雷器的選擇類似，信號(hào)線上的避雷器應(yīng)實(shí)現(xiàn)避雷器每線通流量達(dá)到5KA，工作電壓符合系統(tǒng)運(yùn)行電壓；塔基控制柜需要保護(hù)的線路有兩個(gè)部分：a)從機(jī)艙開關(guān)柜到塔基控制柜的線纜，應(yīng)在線路進(jìn)入控制柜的入口端安裝相應(yīng)的防雷器。b)從變壓器室進(jìn)入控制柜的電源線，應(yīng)在進(jìn)入控制柜的入口端安裝電源線保護(hù)器。遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)將風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)傳送的監(jiān)控中心，例如給出了使用電話線的例子。應(yīng)在電話線路的入口端、到開關(guān)柜的出口端以及到控制柜的出口端安裝相應(yīng)的保護(hù)器。變壓器端的保護(hù)在變壓器低壓側(cè)安裝第一級(jí)電源保護(hù)器，在變壓器高壓側(cè)安裝相應(yīng)的高壓避雷器8、接地系統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)是其防雷保護(hù)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雷電流是通過風(fēng)機(jī)組本身的防雷裝置引入地下，故要有良好的防雷接地系統(tǒng)來抑制可能出現(xiàn)的地電位抬高以及高電位反擊，從而保證雷擊時(shí)風(fēng)機(jī)組的安全。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地由塔基的基礎(chǔ)接地極提供，塔基的基礎(chǔ)接地網(wǎng)應(yīng)與周圍的操作室的基礎(chǔ)接地極相連構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀接地體（如圖5）。這樣就形成了一個(gè)等電位連接區(qū)，當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)就可以消除不同點(diǎn)的電位差。圖3風(fēng)電場的接地系統(tǒng)9、總結(jié)由于機(jī)組安裝在野外，安裝高度高，因此對(duì)雷電應(yīng)采取防范措施，以便對(duì)風(fēng)電機(jī)組加以保護(hù)。我國