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风力发电装置的雷电防护与电磁兼容问题

作者:华保防雷   发布时间:2013-06-18 16:00   点击 2054

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风力发电,现在被称为明日世界的能源。由于它属于可再生能源,而且不像火电、核电、水电会造成环境问题,所以对社会的可持续发展对能源的要求,达到了举足轻重的地位。
目前,我国正在筹建装机容量5~10 万千瓦的大型风电场两处,另外还在各地发展中小型风力发电装置,至于小型家用风电,内蒙自治区早在上世纪70 年代已相当规模,90 年代已有很大的发展。可见,配合风电开发,正确解决这种高耸易遭击装置的电防护和EMC 问题已经提到日程。

1 风轮、机舱、水平轴和尾舵的防护

由图1(略)可知,水平轴风电机部件是最易受击部位,特别是风轮端部。直击电流,参考《建筑物设计规范》,按二类设计,应取150KA,波形10/350us。作为参考,该标准认为,机壳等钢的厚度达到4 mm,即可认为能够承受上述直击电流。顺便指出,有文献在考虑风轮受到直击时按不同方向用滚球法计算,实际上因风轮不断旋转,直观法或保护角法也可使用。

2 风轮、机舱、水平轴、尾舵和塔柱的等电位连接

机舱外壳应采用钢板制成,为承受直击壁厚不应小于4mm。若小于4mm,则应在适当位置,包括上方和两侧装设几支小,防止上方和两侧受到击,穿透舱壁,损坏内部设备。如果大型机组为减轻重量而用复合材料制造机舱外壳,则应在外面以网格形式装设兼作接闪和屏蔽之用的钢丝网,网孔不宜大于3×3cm2~4×4cm2,钢丝直径不宜小Φ2.5mm,需通过屏蔽计算,必要时再加大钢丝截面或缩小网孔。初步估计,对Z=0.25us 到Z=10us 的电流,应不小于40db。各网孔结点处应当焊接以保证电气的连续性。
风轮与机舱间,机舱与塔柱间,尾舵与水平轴间,如无铆接、焊接、螺接等可靠电气连接,则应设两个金属(钢)连接线,每个的截面不宜小于16mm2。上述各项连接使装置成为电气上的整体,各易击点受到直击时,都能保证顺利地以最近的路径沿塔柱引入接地装置,并流向大地。如果风轮由复合材料做成,则其端部必须由金属(钢)制成,以便接闪。此时应以截面不小于25~35mm2 的钢线,沿叶片的边缘及迎风面和背风面各敷设一条导流线。尾舵如由复合材料做成,也应沿外廓敷设钢线,用来接闪和导通电流至水平轴。其中间也宜在两侧敷设钢网。

风轮与机舱间,水平轴与塔柱间,尾舵(翼)与水平轴间,以及其它旋转或活动部分间的跨接线需根据具体情况精心设计和安装,并宜采用双份,因为只要在长年运行中,因振动等作用力导致材料疲劳和断开,则强大的电流就会通过轴承处的油膜放电,烧损轴承和主轴的接触部位,不用许久,一两年经过几次击就会使这些部件损坏,而若旁站导线敷设得当,这些部件本应可靠运行很多年,而且大修时也只是更换硬度较小的轴承。

3 直击工况的反击电压计算及其防护
风电机组与水电和火电机组在击过电压方面有机大不同,水电和火电机组有庞大的钢结构厂房,发电机和控制、信息系统在宽阔的厂房内,设备一般都远离墙壁和接地引下线,墙壁钢筋和钢柱都不靠近设备。风电则是高耸塔式结构,非常紧凑,发电机和控制系统、信息都紧靠塔壁,无论风轴、机舱、水平主轴、还是尾翼受到击,机舱内的发电机及控制系统等设备都可能受到机舱的高电位反击,在电源和控制回路沿塔柱引下的途中,也可能受到反击。
1975 年作者指导花木桥水电站的工频和冲击反击试验,在机房直接短路接地和施加电流4300A 进行冲击试验,作者提出反应屏蔽效果的反击系数。1981—1982 年,作者为水科院进行大型电子计算机房
设计时,又将我国各部门经验概括为DBSG 技术,即分流、均压、屏蔽、接地。
1985 年,作者与解广润合作的论文《关于微波通信站
问题的商榷》(《电力技术》,1985,6)中,又提出带“保护”(protecting)的DBSGP 技术,和中普适的DBSGP 系统。反观过电压保护规程(1979)中的,微波站技术实际上已经完全采纳了DBSGP 技术。在风电机组中,当然是上述原则的进一步应用,其中“接地”一项,至少要用5Ω。对发电机及其励磁系统,继电保护和控制系统、通信和信号以及计算机系统等均应由制造厂安装相应的过电压保护装置。至于电力和信息回路由机舱到地面开关柜,除应采用屏蔽电缆外,还应再穿入接地铁管,使反击系统降至0.1%。此外,各回路均应在柜内安装
装置。这样DBSGP 系统在各节点层层设防,才能使机舱电位高达1600KV 的极高电压,仍然承受住反击电压,保证各种设备安全运行。电力和信号线的双层屏蔽,除防止反击外,还起到信号线的抗干扰(EMC)作用。

4 接地与电磁兼容问题
丹麦厂家在岛上的风电机组,其开关柜未与塔柱做等电位连接和封闭在外廓封闭的接地网之内,所以未发电即发生击事故。其另一不该出的问题:电力和信号电缆均无屏蔽层,而且电缆过长,就盘成一堆,放在地面上,感应电过电压都要引发事故。我们应采用下图(略)的接地布置方式,使机柜与塔柱和机舱做等电位连接,至于接地网的具体尺寸及数据,则根据山上土垠情况来决定。
反击电压计算,机舱电位:
U=IRi+L(di/dt)=150×3+0.5×40×150/2.6=450+1150=1600kV (1)
采用DBSPG 技术后,分别取表1 中反击系数,按下式算出风电系统的反击电压列于表中:U=kU (2)

表1 机舱中风电系统的反击电压(U=1600kV)

 部位
 发电机电压
(220V-6kV)
 励磁系统
 继电保护及控制系统
 通信系统
 备注
 
栏号
 (1)
 (2)
 (3)
 (4)
 (5)
 
K 值
 0.02~0.05
 0.004
 0.005~0.01
 0.04
 文献[3][6],图3
 
U
 32~80
 6.4
 8~16
 64
 
 
设备耐压值
V(kV)
 6~50
 2~4
 2~4
 2~4
 文献[3][6]
 

可见,(1)~(4)栏中,反击电压几乎均高于耐压值很多倍,故各节点均应安装保护装置MOA,其参数需分别由计算确定。MOA 的通流能力,可按下式计算[3]:I=(U-Ur)/Z (kA) (3)
式中,Ur 为电流I 时的残压(kV);Z 为电流通过的回路的波阻,约为150Ω。试算法求出。

5 侵入电波的防护
根据多节点、多界面、多道防线原理及DBSGP 技术,保护装置布置如下:发电机出口装发电机专用过电压保护装置: MHVP-G-70 保护器,MHVP-HRTWD-220 型波吸收器(1.5~2μF),以及进线保护电缆段L=L1+L2=50~100m 的L2 段(从地面开关柜到发电机出口),电缆两端及中间多点接地(共5 点及以上),以及地面开关柜内的CC-300 型电感线圈(300μH),和保护电感线图及电缆头的
MHVP-SA-70(保护接线圈略)。

6 设计标准和可靠性指标
直击叶轮、机舱、尾舱时的耐水平:I1=150kA,τ=2.6μs,R1=5Ω,直击地面进线段首端,I2=50KA,进线电缆的地埋部分L1 =15~20m。进线首端R2=5Ω。
指标:可靠性指标目标值:MTBF =50 年(1KL=40d/a),由半统计法和判据对比法确定,并据以校核和确定保护系统的诸参数。(参考我国电力系统的设计和运行指标:微波通信站,60 年;小型发电机,30~100 年)

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