趙 煜, 姚敬海, 張恩壽, 李永進(jìn), 趙榮浩

(昆明電器科學(xué)研究所, 云南 昆明 650221)

0 引 言

近年來,全國各地紛紛新建風(fēng)電場,2016年度風(fēng)力發(fā)電量達(dá)2 000億kWh,為國家經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)生活的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn),但仍然面臨著很多問題,其中雷擊問題對風(fēng)機(jī)已經(jīng)造成很大的損失,也逐步引起風(fēng)電企業(yè)的重視,風(fēng)電行業(yè)也將防雷問題視為檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)安全、可靠性能的重要指標(biāo)。風(fēng)機(jī)的防雷設(shè)計(jì)影響風(fēng)機(jī)遭到雷擊的概率,以及風(fēng)機(jī)遭到雷擊后各部件的毀壞程度。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量越來越大,高度越來越高,在高海拔地區(qū)運(yùn)用越來越廣泛,遭雷擊的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大[1-2]。要降低風(fēng)機(jī)被雷電擊中的損失,首先在風(fēng)電場選址時(shí)應(yīng)選取雷電流幅值小、雷電頻率低的地區(qū);其次再根據(jù)風(fēng)電場所在地區(qū)的雷電特點(diǎn),采取具體的防雷措施。

1 風(fēng)電場選址時(shí)考慮的防雷因素

1.1 雷電流幅值受海拔高度和地理緯度的影響

大量研究表明[3],雷電流幅值與海拔高度、地理緯度的關(guān)系如表1所示。

為了確定雷電流有沒有受海拔高度、緯度的影響,采用多項(xiàng)式擬合雷電流的對數(shù)、海拔高度、緯度之間的函數(shù):

M[lg(I)]=1.87-9.1×10-5h-10.67×10-3t

式中:h——海拔高度;

I——雷電流;

t——地理緯度。

再采用復(fù)相關(guān)分析法分析因變量雷電流的對數(shù)與自變量海拔高度的相關(guān)度,以及因變量雷電流的對數(shù)與自變量緯度的相關(guān)度。經(jīng)過相關(guān)度的求證得到,雷電流幅值與海拔高度相關(guān),雷電流幅值與緯度相關(guān),且隨著海拔高度的增大,雷電流幅值減小;隨著緯度的增大,雷電流幅值減小。

我國過電壓保護(hù)也有規(guī)程規(guī)定,雷電流幅值累積概率計(jì)算式:

lg(P)=-I/108

式中:P——幅值累積概率。

表1 雷電流幅值與海拔高度、地理緯度的關(guān)系

規(guī)程建議,西北地區(qū)的雷電流幅值在相同概率下減50%,因考慮到這些地區(qū)雷電活動弱,雷云能量小,因而雷電流幅值較小[3]。

1.2 雷電密度受氣象因素、地理因素的影響

(1) 在河網(wǎng)稠密,距離湖泊、大型水庫等水體近的地方,易發(fā)生強(qiáng)對流和雷暴天氣,據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),相比沒有湖泊、水庫的地區(qū),可增多20%以上[4]。

(2) 氣溫高、濕度大、天氣不穩(wěn)定、氣旋活動頻繁的地區(qū),易發(fā)生強(qiáng)對流和雷暴天氣。

(3) 一面、兩面、三面山體環(huán)繞的地區(qū),對氣流有抬升和阻擋作用,會形成雨帶,易產(chǎn)生強(qiáng)對流和雷暴天氣,其中越陡峭的地區(qū),雷擊密度越大。

(4) 雷電通道經(jīng)過彎曲度大的地域時(shí),電離粒子密度很大,極易發(fā)生雷擊。發(fā)生雷擊前,空氣會在高電壓差條件下被擊穿,形成雷電通道,雷電通道攜帶大量電離粒子不斷蔓延,在通過地勢蜿蜒曲折的地方時(shí)電離粒子大集聚,擊穿通道與大地之間的空氣,釋放能量[5]。

(5) 雷電密度在內(nèi)陸地區(qū)大于沿海地區(qū)。

(6) 地表的粗糙程度對雷電電磁場的傳播產(chǎn)生影響。地閃回?fù)舴譃槭状位負(fù)艉屠^后回?fù)?。?jīng)多次試驗(yàn),采集地表雷擊過程中的數(shù)據(jù),并開展數(shù)據(jù)分析,得到:地表的粗糙程度對首次回?fù)舸怪彪妶龅挠绊懛浅Ｐ?對繼后垂直回?fù)綦妶鲇绊戄^大,故具體分析繼后回?fù)?對于繼后回?fù)?地表粗糙程度增加,垂直電場峰值的衰減程度增加,時(shí)域脈沖波形上升沿時(shí)間增長,效果明顯[6]。

1.3 風(fēng)電場選址建議

為了防止雷擊對風(fēng)機(jī)造成損害,在風(fēng)電場選址時(shí)應(yīng)選在海拔較高,周圍沒有水庫、湖泊,氣旋活動少,地勢平坦的沿海地區(qū);在離風(fēng)電場距離合適的地方修建間隙小、彎曲程度大、高度高的引雷障礙物,讓雷盡量擊中修建的障礙物;增加風(fēng)電場地面的粗糙度,衰減回?fù)舸怪彪妶龇逯?。這樣可以從客觀上減少風(fēng)機(jī)被雷擊的頻率,同時(shí)也可削弱雷電幅值電流,即使不慎被擊中,也可以降低損壞程度。

2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)防雷技術(shù)研究

2.1 高海拔地區(qū)的風(fēng)機(jī)受雷電威脅的原因

高海拔地區(qū)風(fēng)力資源豐富,雷暴天氣次數(shù)較多,運(yùn)行于高海拔地區(qū)的風(fēng)機(jī)遭到雷擊的次數(shù)較多,與平原地區(qū)相比,均成正比率增長。高海拔地區(qū)的風(fēng)機(jī)受雷電威脅的原因如下:

(1) 風(fēng)機(jī)高度達(dá)100～200 m,比周圍環(huán)境高很多,且風(fēng)機(jī)大都安裝在空曠的地點(diǎn),很容易受雷擊;高海拔地區(qū)相對于平原地區(qū),雷擊更頻繁。結(jié)合高原地區(qū)的雷電、風(fēng)機(jī)的特點(diǎn),安裝于高原地區(qū)的風(fēng)機(jī)被雷電擊中的概率更大。

(2) 雷擊發(fā)生時(shí)雷電流非常大且變化很快,會在雷擊周圍數(shù)千米內(nèi)產(chǎn)生高速變化的電磁場。風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)機(jī)艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內(nèi)都安裝大量的敏感電氣元件。電氣元件電路處于電磁場中,因電磁感應(yīng)會出現(xiàn)高強(qiáng)度的電涌電流,并對電器元件造成損壞。雖然高海拔地區(qū)雷電的幅值比同緯度的平原地區(qū)小,但是因雷電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場足以損壞風(fēng)機(jī)上敏感的電氣元件。對于敏感的電氣元件,安裝于高海拔地區(qū)的風(fēng)機(jī)和安裝于平原地區(qū)的風(fēng)機(jī)受到的威脅是一樣的。但是對于部分能承受一定電流沖擊的元器件,損壞相對會小些。

(3) 高海拔地區(qū)土壤電阻率較高,防雷接地電阻很難滿足要求[7]。

由于雷電能量巨大,風(fēng)電機(jī)組的部件承受強(qiáng)電流沖擊的傷害能力有限,高海拔地區(qū)防雷接地電阻很難滿足要求,加上雷擊頻繁,故高海拔地區(qū)的風(fēng)機(jī)受雷電威脅非常大,容易造成損壞。

2.2 風(fēng)機(jī)遭雷擊過程分析

風(fēng)機(jī)遭到雷擊時(shí),沿路徑接閃器—風(fēng)葉—輪轂—接地網(wǎng)—大地釋放能量,在雷電釋放能量的過程中,風(fēng)機(jī)要承受雷電流釋放的巨大能量和感應(yīng)過電壓的雙重沖擊。

整個風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中風(fēng)葉位于風(fēng)機(jī)的最高點(diǎn),也是最容易直接遭受雷擊部分。當(dāng)直擊雷擊中葉片時(shí),如果風(fēng)葉上的防雷系統(tǒng)完好,雷電流將沿著引下線釋放到大地。如果風(fēng)葉上的防雷系統(tǒng)失效,雷電流將沿風(fēng)葉釋放能量,葉片溫度急劇升高,高強(qiáng)度的電流在高溫條件下分解風(fēng)葉內(nèi)的材料形成高溫氣體,風(fēng)葉內(nèi)部承受的壓力上升,葉片因承受不了內(nèi)壓力而發(fā)生爆裂;雷電流含有高能量,通過輪轂時(shí)與周圍部件形成高壓差,在輪轂內(nèi)產(chǎn)生高熱量電弧,使雷電路徑中的金屬部件熔化,甚至直接熔斷,威脅風(fēng)電機(jī)組輪轂、軸承[8-9]。

感應(yīng)過電壓對風(fēng)機(jī)的損害主要體現(xiàn)在主控系統(tǒng)機(jī)艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內(nèi)的敏感電氣元器件上,感應(yīng)電壓越高,對電氣元器件的損害越嚴(yán)重。感應(yīng)過電壓是因高速變化的電磁場產(chǎn)生的,電磁場強(qiáng)度越大,過電壓越大,電磁場是因雷電流產(chǎn)生的,雷電流陡度越高,電磁場強(qiáng)度越大,故感應(yīng)過電壓與雷電流密切相關(guān),雷電流陡度越高,感應(yīng)過電壓越大,對風(fēng)機(jī)的威脅越大。鑒于各種原因,可以用于確定雷電流陡度與海拔高度、地理緯度關(guān)系的數(shù)據(jù)太少,暫無法確定雷電流陡度與海拔高度、地理緯度的關(guān)系。因此,還需繼續(xù)積累數(shù)據(jù),以便進(jìn)一步開展研究。

2.3 保護(hù)機(jī)倉內(nèi)部電氣元件的具體措施

(1) 在風(fēng)葉上安裝接閃器。雷擊電流按規(guī)劃好的線路接地釋放。

(2) 等電位聯(lián)結(jié)。機(jī)艙尾部接閃桿與機(jī)艙底板之間、塔筒底部與機(jī)組接地裝置之間、頂部與機(jī)艙之間、塔筒和塔筒之間、機(jī)艙內(nèi)的各不帶電設(shè)備金屬外殼(包括軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、偏航系統(tǒng)等)均與機(jī)艙底板之間宜采取等電位聯(lián)結(jié)。當(dāng)使用等電位測試儀進(jìn)行等電位測量時(shí),過渡電阻均應(yīng)大于0.03 Ω[10]。

(3) 在有源導(dǎo)體連接上加電涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)電源系統(tǒng)。主控系統(tǒng)機(jī)艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內(nèi)的電器元件大多不能承受高電壓,為了保護(hù)電器元件,主控系統(tǒng)機(jī)艙柜、主控系統(tǒng)塔基柜和變槳系統(tǒng)內(nèi)外加SPD,且對有源線路進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)。其中,風(fēng)電機(jī)組電源入口部位應(yīng)裝設(shè)第1級SPD,將殘壓控制在4 kV內(nèi);塔身和主控系統(tǒng)塔基柜之間連接C級SPD,將殘壓控制在2.5 kV內(nèi);機(jī)艙內(nèi)外連接D級SPD,將殘壓控制在1.5 kV內(nèi);在塔底的控制柜內(nèi)主進(jìn)線處安裝B+C級SPD,達(dá)到泄放每相 50 kA雷電流的能力,將殘壓控制在2.5 kV內(nèi)。

(4) 通信信號線路的保護(hù)。風(fēng)機(jī)塔筒與機(jī)艙控制柜之間的通信建議采用光纖進(jìn)行通信。由于光纖不導(dǎo)電,無需使用SPD,但光纖外部覆蓋光纖鎧裝金屬層,內(nèi)部穿過加強(qiáng)金屬芯,應(yīng)對鎧裝金屬層、加強(qiáng)金屬芯做接地處理;如果主控室內(nèi)外采用RS-485通信或CAN信號線進(jìn)行通信,需根據(jù)具體的連接方式加裝通信接口SPD進(jìn)行保護(hù)[11]。

(5) 測控信號線路的保護(hù)。測控線路和測控設(shè)備是數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。風(fēng)機(jī)上測控線路和測控設(shè)備眾多,其中測控線路包括風(fēng)向標(biāo)的線路、風(fēng)速儀的線路、加熱器的線路和環(huán)境溫度傳感器的線路等,測控線路從機(jī)艙外部的各種測控設(shè)備連接到機(jī)艙內(nèi)部控制系統(tǒng),如果電流通過測控線路進(jìn)入控制系統(tǒng),對風(fēng)機(jī)的打擊是致命的。因此,為保護(hù)控制系統(tǒng),需在控制柜內(nèi)安裝PT 1X2-24DC防雷器和PT 2X1-24DC防雷器。

(6) 確定接地方式。測量土壤電阻率,并確定接地方式。通過文納四極法等距布置4個探針,使用土壤電阻率測試儀測量土壤電阻率,確定最低接地電阻。如果風(fēng)電場的土壤電阻率≤500 Ω·m,最低接地電阻宜保證在2 Ω左右;如果風(fēng)電場的土壤電阻率≥3 000 Ω·m,最低接地電阻值宜保證在10 Ω左右。為了保證最低接地電阻,需結(jié)合風(fēng)電場的土壤結(jié)構(gòu),選擇合適的接地方式,當(dāng)土壤電阻率隨深度變化小時(shí)宜采用水平接地體,增大接地面積,減小接地電阻,否則宜采用垂直接地體。

3 結(jié) 語

雷電能量巨大,雷擊方式復(fù)雜,且高原地區(qū)雷擊頻繁,風(fēng)機(jī)高度較高,遭受雷擊的概率較大,要阻止設(shè)備毀壞,只能迅速將雷電引到地下。對風(fēng)電場的選址提出建議,對風(fēng)機(jī)遭雷擊的過程開展分析,從風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝方面給出具體防雷措施。

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