薛成亮

風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前世界可再生清潔能源利用中技術(shù)相對(duì)較成熟，同時(shí)應(yīng)用實(shí)際規(guī)模較大的一種方式。而根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)的多年運(yùn)行以來的總結(jié)，雷電災(zāi)害是風(fēng)力發(fā)電受影響的重大自然災(zāi)害之一，因此，必須為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)的電氣、電子元件采取有效的防雷措施。通過采取有效的防雷保護(hù)措施，機(jī)組設(shè)備得到了保護(hù)，不僅降低了維護(hù)時(shí)間和維修費(fèi)用，并且可以顯著提高設(shè)備利用小時(shí)。這里，我們拿SL1500/82型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為例，對(duì)采取防雷措施進(jìn)行分析和研究。

一、機(jī)組雷擊導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)的原因

1）由于凸輪編碼器距控制柜較遠(yuǎn)，編碼器電纜沿主機(jī)架布線，而且編碼器側(cè)沒有防雷保護(hù)，使雷擊導(dǎo)致的電涌很容易沖擊損壞凸輪編碼器。

2）現(xiàn)有剎車壓力開關(guān)為電子式壓力開關(guān)，其電纜位于齒輪箱表面，非常容易受電涌沖擊，導(dǎo)致燒毀。且其電纜較長，無法受到浪涌保護(hù)器保護(hù)，并且在主系統(tǒng)中，主控只接受壓力有無信號(hào)，只要能感受到制動(dòng)器打壓正常即可，所以此開關(guān)選型也不夠科學(xué)。

3）制動(dòng)器保險(xiǎn)回路及急停復(fù)位回路使用的浪涌保護(hù)器均為差模型浪涌保護(hù)器。通過圖紙?jiān)矸治觯苿?dòng)器保險(xiǎn)回路和急停復(fù)位回路均采用為24VDC電源線，而差模型浪涌保護(hù)器只能使用于小信號(hào)，所以當(dāng)雷擊產(chǎn)生高頻信號(hào)不能通過大地釋放掉，只能實(shí)現(xiàn)高低電勢(shì)之間互串，導(dǎo)致多功能繼電器死機(jī)或其他期間損壞；共模浪涌適合于電源信號(hào)，當(dāng)雷電引發(fā)的高頻信號(hào)造成電位提升時(shí)，可以通過放電管和反向二極管將電流放到保護(hù)地。

4）Bachmann機(jī)組中，缺少很多由柜外進(jìn)入柜內(nèi)電纜的防雷保護(hù)，其中風(fēng)速風(fēng)向儀模塊的電纜當(dāng)帶有高壓電涌時(shí)，由于沒有浪涌保護(hù)，會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)速風(fēng)向儀模塊燒毀，此問題發(fā)生較頻繁。

5）滑環(huán)編碼器接線由控制柜引出，經(jīng)過主機(jī)架等雷電泄放回路，接至滑環(huán)編碼器，在編碼器端無任何保護(hù)，常因高壓感應(yīng)電涌導(dǎo)致編碼器燒毀，因?yàn)榛h(huán)編碼器和滑環(huán)是一體結(jié)構(gòu)，不能更換，所以只能通過更換滑環(huán)來解決，不僅導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行成本增高，而且嚴(yán)重影響機(jī)組可利用率。

6）SL1500原有防雷設(shè)計(jì)中，缺少很多由柜外進(jìn)入柜內(nèi)電纜的防雷保護(hù)，這些接至PLC點(diǎn)、偏航變頻器電纜當(dāng)帶有高壓電涌時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PLC和偏航變頻器死機(jī)甚至損壞，導(dǎo)致機(jī)組失控，不僅影響可利用率，而且也存在機(jī)組失控的隱患。

二、機(jī)組電氣電子元件的防雷措施

1）凸輪編碼器。SL1500機(jī)組凸輪編碼器的作用是在機(jī)組偏航過程中監(jiān)視和記錄機(jī)艙偏移的角度，防止機(jī)艙工作時(shí)超出工作位置對(duì)電纜產(chǎn)生傷害。在SL1500機(jī)組中，安裝在機(jī)艙底部，和偏航大齒圈相嚙合，凸輪編碼器的浪涌保護(hù)安裝在NCC310控制柜中，但是由于機(jī)艙控制柜浪涌位置與凸輪編碼器位置較遠(yuǎn)，并且之間連接線通過主機(jī)架。

通過凸輪編碼器在雷電中損壞的電氣原理，符合防雷規(guī)范50cm以內(nèi)準(zhǔn)則，只要在編碼器近端加浪涌保護(hù)，就能徹底解決此此問題，因此可通過更換加有浪涌保護(hù)的電路板替換之前的電路板的方式對(duì)編碼器進(jìn)行防雷保護(hù)。

2）制動(dòng)壓力開關(guān)。目前SL1500機(jī)組使用壓力開關(guān)為電子式壓力開關(guān)，雖然NCC310控制柜已經(jīng)安裝浪涌保護(hù)器，但是其電纜位于齒輪箱表面，距離浪涌保護(hù)距離較長，容易受電涌沖擊，導(dǎo)致燒毀。通過壓力開關(guān)損壞原因分析，所以選取無源壓力開關(guān)，其結(jié)構(gòu)完全有機(jī)械機(jī)構(gòu)構(gòu)成，反應(yīng)靈敏，并且無需要電源，既滿足機(jī)器測(cè)壓需求又降低了雷電損壞的隱患。

3）機(jī)組安全鏈。SL1500機(jī)組在雷電天氣經(jīng)常出現(xiàn)K230.6安全鏈保險(xiǎn)燒壞、安全繼電器死機(jī)及急停按鈕不能復(fù)位問題，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，機(jī)組安全鏈回路及制動(dòng)器保險(xiǎn)回路使用的浪涌保護(hù)器均為差模保護(hù)型浪涌保護(hù)器。

當(dāng)雷電引起的暫態(tài)電壓進(jìn)入浪涌器件，保護(hù)器中1點(diǎn)到3點(diǎn)線路的暫態(tài)電勢(shì)通過放電管會(huì)匯總到2點(diǎn)和4點(diǎn)之間的線路上，最終導(dǎo)通到大地，所以有一個(gè)暫態(tài)時(shí)刻落到2點(diǎn)、4點(diǎn)線路的暫態(tài)電勢(shì)會(huì)很大，如果2點(diǎn)接輸入N線，那么殘壓會(huì)匯總到N線上最后和PE形成回路放掉，不會(huì)對(duì)線路造成傷害，但是如果2點(diǎn)和4點(diǎn)構(gòu)成的線路為信號(hào)線，那么這條回路所連接的元器件很容易受到高壓，造成損壞。

所以當(dāng)差模浪涌保護(hù)器只能對(duì)電源信號(hào)起到保護(hù)作用，對(duì)反饋信號(hào)或模擬信號(hào)不能起到保護(hù)作用，而共模浪涌在雷電侵襲時(shí)會(huì)雙線路對(duì)地放電，不會(huì)導(dǎo)致此危害，因此這兩個(gè)回路均需使用共模型浪涌保護(hù)器，否則會(huì)導(dǎo)致保險(xiǎn)燒毀或安全繼電器死機(jī)。

4）偏航變頻器、風(fēng)速風(fēng)向儀模塊及PLC模塊。此幾種電器元件有很多信號(hào)線由柜外接至柜內(nèi)，無任何浪涌保護(hù)或元器件選型錯(cuò)誤，在雷電工況下，外部信號(hào)線會(huì)受感應(yīng)磁場(chǎng)影響生成電泳，并導(dǎo)致偏航變頻器燒毀，因此針對(duì)相關(guān)回路也需要增加浪涌保護(hù)。

5）滑環(huán)編碼器。在SL1500機(jī)組中，對(duì)于滑環(huán)編碼器的防雷浪涌保護(hù)器安裝在NCC310控制柜內(nèi)，但是機(jī)艙控制柜與滑環(huán)安轉(zhuǎn)距離較遠(yuǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50cm安全距離，所以對(duì)滑環(huán)編碼器根本起不到保護(hù)作用。我們對(duì)滑環(huán)內(nèi)部進(jìn)行分析，滑環(huán)內(nèi)部550VDC、230VAC及24VDC均有浪涌保護(hù)器對(duì)相關(guān)線路進(jìn)行保護(hù)，但是滑環(huán)變頻器是通過滑環(huán)接頭，直接連接到機(jī)艙控制柜中，無任何保護(hù)措施，所以在雷電天氣下，很容易受到感應(yīng)雷影響，燒壞滑環(huán)編碼器。

針對(duì)SL1500 風(fēng)機(jī)損壞原因及GB 16895.22-2004中的相關(guān)要求?？刹扇∫环N專門研制的專用浪涌保護(hù)模塊，通過在滑環(huán)進(jìn)線口處加裝防雷模塊，保證了浪涌保護(hù)的安全距離，能夠徹底解決滑環(huán)編碼器損壞問題。

6）PT100。雷電天氣下，測(cè)溫PT線路暴露在高頻感應(yīng)磁場(chǎng)中，線路中形成的電泳容易導(dǎo)致測(cè)溫PT燒毀，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探查，機(jī)組部分未安裝浪涌保護(hù)器，個(gè)別線路沒有屏蔽層，并且PT100涉及線路較長，本次技改將PT電纜更換為雙絞屏蔽電纜，可降低PT燒毀情況，并且在未加裝浪涌的元器件上添加浪涌保護(hù)。

7）屏蔽線等其他防范措施。當(dāng)雷電工況時(shí)，在機(jī)艙內(nèi)部，金屬柜體及金屬器件都需要進(jìn)行等電位聯(lián)接，防止在雷擊過程中由于跨步電壓的產(chǎn)生導(dǎo)致的導(dǎo)線兩端器件損壞，控制柜間若無等電位連接電流將從電壓較高的1 柜流向電壓較低的2 柜，因此會(huì)損壞信號(hào)線兩端連接的器件。很多PLC信號(hào)線由柜外接入并直接接至PLC點(diǎn)，進(jìn)入控制柜時(shí)沒有浪涌保護(hù)器對(duì)起保護(hù)，當(dāng)線路中攜帶高壓電泳時(shí)，會(huì)導(dǎo)致PLC模塊燒毀。

因未經(jīng)防護(hù)的PLC信號(hào)點(diǎn)較多，從成本角度考慮，對(duì)所有信號(hào)點(diǎn)增加防雷保護(hù)并不現(xiàn)實(shí)。通過對(duì)以往損壞的PLC模塊進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大部分問題發(fā)生在PTAI216模塊上，可對(duì)此模塊增加防雷保護(hù)，以此在成本合適的情況下，避免大部分PLC模塊燒毀問題。之前bachmann機(jī)組模擬量信號(hào)無浪涌保護(hù)，所以此次技改把相關(guān)信號(hào)加浪涌保護(hù)器，保證機(jī)組在雷電天氣下PTAI216不受雷電侵害，所以本項(xiàng)技改對(duì)A243.1模塊和A244.1模塊進(jìn)行改造，此次選型浪涌保護(hù)器為共模浪涌保護(hù)器。

三、實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)例

通過此種風(fēng)機(jī)防雷的措施分析，有效降低了占SL1500機(jī)組累積故障率的90%以上，解決了因雷擊導(dǎo)致的凸輪編碼器燒毀、剎車壓力開關(guān)燒毀、多功能繼電器死機(jī)、柜內(nèi)3.15A等保險(xiǎn)燒毀、風(fēng)速風(fēng)向儀模塊燒毀的問題。通過在SL1500機(jī)組上試驗(yàn)運(yùn)行后，取得的效果明顯。

[1]GB 50057-94 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范

[2]GB 50343-94 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范

[3]GB T21431-2008 建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范

[4]DL/T620 《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》

[5]GB/T 11024.1-2001《放電器》

[6]IEEE 《Standard for Neutral Grounding Devices》