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风力发电系统的防雷措施

发表日期:05月17 2021 文章编辑:原创 浏览次数:193次

风力发电作为新型节能发电技术,能有效满足我国国民与有关行业对于电力的基本需求。为有效提升风力发电系统在实际运用中的整体效率,防止其遭受雷电袭击,就必须采取综合有效的防雷工程,确保系统安全。今天,钧和电子为您分享风力发电系统的防雷措施。


钧和电子分享风力发电系统的防雷措施


    一是,雷电灾害分析

针对风力发电系统来讲,因为需要以风力资源作为生产根本,必须要建设在野外空旷区域,并且叶片均保持较高高度,这样就决定了其更容易受到雷击影响。叶片为雷击的主要对象一般情况下雷击损害主要集中在叶尖部位,很少会造成整个叶片损坏,其成本非常高,被损坏需要花费较多费用进行维修甚至换新。当叶片遭受雷击后,会释放出大量的能量,过大雷电流会促使叶尖结构内部温度急剧升高,水分受热汽化膨胀,产生较大的机械力,而导致叶尖结构破裂损坏,部分情况下甚至会造成整个叶片开裂。或者是雷击时伴随的巨大声波,导致叶片结构受到损坏。面对雷击对叶片造成的不良影响,必须要加强对风力发电系统的防雷设计,避免叶片被损坏,维持系统的正常运行。

二是,雷电损坏机制

1.雷电途径损坏机制

机组遭受雷电电流袭击之后,部分电流会受引下线引领,传输至地面,而且不会产生任何负面影响与危害。然而,还有部分电流不会流入大地,会集中停留在所经之处,进而形成一个较大、复杂的突变磁场。此磁场会干扰发电机的正常、有序运行,进而导致机组不能常规、稳定运行。

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。

3.雷电对轴承的损坏机制

轴承属于发电机的关键组成部分,极易遭受雷电袭击,如果雷电现象产生在轴承当中,那么此雷电现象多半同轴承内部中的导电路径有关。笔者通过调查得知,雷电流传输至轴承当中时一共有2个方向,一是轴承周围上负载区内部滚子同套圈接触而形成的通路,二是轴承周围上负载区内部滚子同套圈间的短气隙遭受电弧击穿而形成的通路。如此一来,整体流程沿途所经地区都会遭受相应破坏。

三是,风力发电系统的防雷措施

(一)外部系统防雷

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。

2.接地网

接地网也是常见的防雷措施之一,设置的接地网好坏决定了雷电泄放效率。风力发电系统一般建设的场地环境为土壤电阻率高、分散性强,无法通过降阻剂、换土等方法应对。为保证风力发电系统建设与运行的经济性和安全性,可以选择在塔架周围0.5m位置安装一个与塔架相互连接的环形铜环导体,且根据土壤电阻率来确定环形铜环导体的半径大小。其中还要注意,需要设置8~16根的垂直接地极,将其与水平接地极进行可靠焊接。


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(二)内部系统防雷

1.风机的接闪和引下

风电机组中,风机叶片的最高点即为风机最高点,当有雷暴发生时,其最易受到雷击,如我国海南东方风电场因雷击造成的风机叶片损坏率达高达5.56片/(百片·年)。现今风机叶片的表面材料大多是玻璃纤维,其为绝缘体,若雷电击中叶片时,无法将强大的雷电流迅速传走,则雷电产生的强大的热作用和机械作用将直接作用于叶片上而将其损坏,而叶片的维修费用在所有的风机雷电故障中又是最高的。因而需要在叶片上安装易于接闪、抗机械和热损伤能力强,并易于拆卸的接闪器。风机叶片的接闪器一般是在叶片表面安装若干组铜质圆盘(直径为150-200mm)或不锈钢圆盘(直径范围为50-80cm),每组接闪圆盘是在叶片的正反两面各安装一只。为了保障叶片结构的稳定,接闪圆盘不能太多,一般来说,长度小于25m的叶片,只在尖端安装一组,叶片长度每增加10m增加一组接闪圆盘。引下线是在叶片内设一条金属导线,把接闪盘和风叶底部的轮毂连接起来。当雷电袭来时,接闪圆盘接闪之后雷电流通过引线及轮毂将其传到塔筒。塔筒的金属结构可充当导体,将雷电流引入风机的接地装置散入大地。但要注意的是,由于生产塔筒过程中在搭接时存在缝隙大和搭接面偏离等问题,以塔筒做导体导雷在泄放雷电流时会产生拉弧现象,因而沿塔筒搭接面导雷时,需使用较大面积的电缆进行跨接,另外还需加大压接端子之间的接触面积,加装保护罩对可能产生的拉弧处进行必要保护。风力发电机舱尾端处在与叶片相对应的位置。当雷电出现在机舱的尾端时,就会超出叶片防护区域,可能使机舱内的电气设施和设备被雷击破坏,故而需要在其尾部设置一接闪短杆,再经由引下线和接地装置把雷电流引入地下进行散流,从而起到防雷电的效果。

2.屏蔽隔离

采取屏蔽隔离的方法来降低元件之间的电磁耦合影响,一般可以通过光纤电缆来连接机舱上处理器与地面控制器,而对于处理器和传感器来讲,则需要应用分开供电的直流电源。就实际处理效果来看,可靠的屏蔽隔离可以保证较高质量的信号传输。

3.等电位连接

就历史数据来看,风速计、风标等也是容易遭受雷击的关键部位,这样为向其提供可靠保护,可以采取等电位连接的方法处理。将容易遭受直击雷影响的部位与避雷针进行等电位接地,尤其是机舱内所有金属设备和外部导体,与机舱主框连接作为等电位,与接地装置可靠连接。并且基础接地体与环形接地体顶端接线夹需要接入到塔架内部,与标记的等电位连接带进行连接,提高防雷保护效果。

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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