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中国防雷技术选编之风力发电系统防雷技术改进分析
发表时间:2020-09-07     阅读次数:     字体:【

风力发电系统防雷技术改进分析

摘要:近年来,随着节能减排理念的进一步倡导,风力发电获得了进一步的发展,在节约社会能源资源、满足人们的 生产和生活等方面发挥了重要作用。在风力发电系统中做好防雷技术已经成为了人们不可忽视的重要问题,当前在防雷技 术等方面还存在一定的隐患,必须要做好这一技术的改进,以确保整个电力系统的稳步运行。

关键词:风力发电系统;防雷技术;改进

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作为一种新型的节能技术,风力发电系统在满足人们对电力的需求等方面发挥了重要作用。但是这一技术在应用的过程中容易受到雷电的袭击,进而直接影响了电力系统的正常运行,为人们的生活和生产带来不便。为了进一步提高风力发电系统的使用效率, 避免雷电灾害的袭击,就要做好防雷技术。通过利用有效的技术手段规避雷电造成的不良影响,为提高电力系统的安全性和稳定性奠定良好的基础。

1 雷电的来源及雷电对风力发电机的危害

1.1 雷电的来源

雷电是直接产生于大气中的,在整个大气环境中含有大量的气体离子,包括正离子和负离子。这些正、负离子在大气中携带微弱的导电性,进而造成大气电场、电流以及雷电的产生。一般雷电现象会比较频繁地发生在较高建筑物、沿海及山地区域。风力发电机为了更多地利用风能,也是布置在山地和海边这些比较空旷的地区,因此风力发电机容易受到雷电的袭击。

1.2 雷电的危害

风力发电机由于需要借助风力获得能源,因此需要建设于比较空旷的区域,并且这一设备本身携带的叶片更需要在比较高的空中才可以,因此也比较容易受到雷电的袭击。当受到雷电的袭击时,设备中的叶片是主要的受袭击区域,雷电损害的部位也主要是在叶片的尖顶部位,很少会使整个叶片都发生损坏。但是风力发电设备的整个花费都非常高,尤其是叶片这部分更是需要较高的成本费用。当受到雷电袭击时,

就需要及时维修或者更换新的设备,但是不论是维修还是更换都需要花费一定的费用。当叶片受到雷电的袭击时,会释放出大量的能量,进而导致整个叶片的温度比较高,尤其是叶尖部分的温度会急剧升高,雷电伴随的雨水受到温度的影响,也会产生气化膨胀的现象,进而产生较大的机械力,使得叶尖的结构破损。当受到较为严重的雷电袭击时,整个叶片都会损坏。由于这一袭击造成的不良影响非常大,因此必须做好风力发电设备的防雷电技术,并且随着科技的进步不断更新新的使用设备和使用技术,以维护电力系统的正常运行,为人们的正常用电提供保障。

2 风力发电机组雷击特性

2.1 雷击部位

鉴于风力发电机所处的位置容易造成各种不同现象的雷击发生,对发电机进行研究,发现其主要受到袭击的部位有桨叶、风向杆、电气系统,控制系统(轴承、机舱)及发电机。

2.2 雷击概率分析来源

根据我国风力发电机长期的应用资料以及国外相关的资料显示,当发电机受到雷击时,其有关部件受到袭击的概率分别为:叶片(15% 20%),电气系统(15% 25%),控制系统(40% 50%),发电机(5%)。当机组高度以及长度不断增大时,其本身受到雷击的面积也会增多,进而受到雷击的概率就会增加。同时,叶片的长度与受到雷击的概率也有着正比例关系,叶片的长度增加,更为容易受到雷击。当一个叶片在正上方,其他两个叶片分别位于两侧时会更容易受到雷击,并且受到袭击的概率是最大的。

2.3 雷电损坏机制

2.3.1 雷电途径损坏机制

当机组受到雷电电流的袭击后,其中的一部分会受到引下线的引领,直接传输到大地,并不会产生任何的危害。但是还有一部分并没有直接流向大地,而是在所经之处的区域产生了较为强大的突变磁场。这一磁场直接对发电机形成了干扰,进而造成电气设备的损坏,使得机组无法正常运行。

2.3.2 雷电对桨叶的损坏机制

桨叶在整个电力设备中的位置是高的,其直接暴露于高空中。虽然其本身的材质并不容易导电,但是在强大的雷电袭击下也是会产生导电路径,并在巨大能量的释放下造成叶片温度急剧升高,一旦这一温度到达了叶片材料的熔点,在压力上升的作用下,会直接造成爆裂破坏。

2.3.3 雷电对轴承的损坏机制

轴承作为发电机的重要组成部分,也比较容易受到雷电的袭击,当雷电产生于轴承中时,更多的是与轴承内部的导电路径相关的。雷电流在轴承中的方向一方面是向轴承圆周上负载区内滚子与套圈相接触所形成的通路,另一方面是流向轴承圆周上无负载区内滚子与套圈之间的短气隙在被电弧击穿后形成的通路, 这样在整个流程的沿途都会造成相应的损坏。

3 风力发电系统的防雷措施

分析当前雷电引起的多起风力发电设备的损坏可知,其引起损坏的原因大部分都是雷电导致的叶片温度升高,进而产生内部电磁场的变化,致使物体击穿击断。因此,风力发电机避免受到雷击的关键是要确保电流的安全通过,并且可以释放的大地。防雷措施可分为外部防雷措施和内部防雷措施。

3.1 外部系统防雷

3.1.1 叶片、机航、塔架防雷

电力发电设备在外部的主要构件为叶片、塔架以及机航,做好这些构件的防雷设施尤为重要。受到雷电袭击时,叶片会因温度的升高、内部气体膨胀而产生爆炸,严重时会造成整个设备的烧毁。为了避免这一现象,可以在叶尖顶部设置排水管,即可以将其受到雷击后内部产生的湿气排出,避免了气体的膨胀。此外,叶片本身是具有导电性的装置,但是并不是本身的导电性越小而被雷电袭击的可能性就越小,雷电对于整个设备的损害取决于叶片的形式。因此,可以在叶尖顶部安装接闪器。这一设备具有导电的功能, 可以在叶片受到袭击时捕捉闪电,然后将这些雷电引入大地,避免了雷电直接对叶片造成的损害。此外, 在机舱的顶部安装避雷针是避免风速计以及风标被损坏的重要措施,通过专门设置的引下线将机舱以及塔顶做好连接,雷击发生时并不会被电流损坏,从而可以将雷电击中的电流顺利地引入到大地 [1]。

3.1.2 接地网

接地网是经常用于防雷电的装置,是直接与大地相连,将雷电导入到地下的装置,其接地的性能直接影响了其能否将受到袭击的电流引入到地下。风力发电系统受到本身功能的影响,一般所处的区域的土壤具有较高电阻率,并且土壤的分散性强,因此不能通过降阻剂或者更换土壤等方法解决雷击问题。只能选择在塔架周围放置一个与塔架相连接的铜质环形导体。一般这一导体需要距离塔架 0.5 m 处,其本身的半径需要根据当前的土壤环境等参数予以确定。需注意,对于垂直接地极的选用,最好是选择铜包钢的材质,数量应该具体情况确定,一般为 8 16 根为宜,将他们均匀地焊接于水平接地极上 [2]。

3.2 内部系统防雷

3.2.1 等电位连接

风速计和风标作为较容易受到雷电袭击的部位,可以采取等电位连接的方法实现对其的保护。通过将避雷针和容易受到雷击影响的风速计等相联系,然后与地面装置实现连接即可。同时,还可以将机舱内的金属设备都实现与地面装置的连接,以提高防雷的效果 [3]。

3.2.2 屏蔽隔离

屏幕隔离是有效的避免雷电袭击的方法。主要通过光纤电缆使处理器和地面之间实现联系,然后利用屏蔽隔离的方法来降低元件之间的电磁耦合影响。同时,还可以利用分开供电的电源直流做好处理器和传感器的隔离效果。通过长期的实验以及应用,这一方法可以有效确保信号的传输。

3.2.3 引下线

防雷引下线的作用相当于导体,将雷电引入到地下,是一种较为常见的防雷技术。由于这一部分是与接闪器以及地下装置相互连接的,因此其应用的过程较为复杂。为了进一步提高其防雷的效果,可以选择风电机组叶片中金属网格、钢丝与电机组叶片边角作为引下线设计,且要求叶片表面金属导体必须要具有足够大的面积,以更大能力地承受直击雷影响。对叶片的顶部安装离散接闪器,实现对顶部结构的保护。

3.2.4 过电压保护

由于电磁兼容器具有不同的兼容性以及SPD 原理, 可对塔架底部控制柜内进线安装 B+C SPD。对于通信信号线路塔筒到机舱控制柜的两端,可以分为两种方法。如果应用的是光纤,就可以运用光纤铠装金属层来实现与地面的连接,将电流传向大地。如果接地的是金属导线,则可以选择增设信号系统保护器,可靠接地。

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做好风力发电机的防雷技术已经成为了人们面临的重要问题。风力发电机为满足人们的正常生活和生产需求提供了方便,为保证电力系统的正常运行以及节能减排奠定了基础,面对其容易受到雷电袭击的危害,相关部门要做好防雷电设备的研究。


 
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