机组防雷（精选3篇）
机组防雷 篇1
1 引言
双辽地区位于吉林省西南部东、西辽河汇流区,属于吉林省、内蒙古自治区和辽宁省的交界地带,松辽平原与科尔沁草原接壤带,素有鸡鸣闻三省之称。双辽市处于中温带亚湿润大区第二气候区,草原-森林性气候,属大陆季风性气候,年日照2714.9h,年降水量494.0mm。双辽市雷暴发生主要集中在6、7、8三个月,年平均雷暴日为30.4d,属于多雷区。2006年以来双辽市大力开展风力发电等新能源建设项目,截至2011年底,已建成3座大型风电场,并有1座在建中,2座正在规划。预计2015年可建成6座大型风电场。这些风电场大都矗立在旷野、草原、林地之中,地层结构较为简单,主要以沙地为主。根据勘察,其平均土壤电阻率约为120Ω·m。
2 风电机组防雷分区
根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》(GB50343)的防雷分区标准,可将风电机组的防雷分区按图1划分。
依照从外到内的空间顺序将风电机组分为若干防雷区的方式,作为风电机组的机组防雷设计方案,具有重要的现实意义:此方案可以有效对机组内、外部空间的雷电电磁环境做合理的空间分布描述,有利于更好的做好防雷击工作;通过防雷区的划分,能定性的反映机组内部不同空间区域内雷电脉冲电磁场的强弱程度,有利于提前做好防护;防雷区的划分能更好的促进对等电位连接位置的确定,即在各防雷区交界面上等电位连接导体的最小截面;防雷区的划分还有助于选定不同防雷区界面上电涌保护器技术指标以及高敏感微电子设备安全位置。
3 风电机组电涌保护
3.1 风电机组电涌保护设计思路
雷电对风电机组的危害是多方面的,不仅可以产生热效应和机械效应损坏机组部件,还可以产生暂态过电压损坏机组中的电气和电子设备。随着大量的电子电路元件广泛配备于现代大容量机组中,雷电暂态过电压对机组安全运行的威胁正日趋严重,目前已经成为机组雷电危害的主要根源。为此,需要在机组中采取对雷电暂态过电压的防护措施,以减小雷电对机组的危害作用,维护机组在雷电环境下的运行可靠性。
与电气设备相反,信号回路只能耐受几十伏的暂态电压。高灵敏电路中的信号,理想状况是,必须通过不带任何金属线的光纤传输。但是,许多风电机组生产厂家利用金属导体远距离传输低压信号,例如风电场的风电机组之间,从塔顶至塔基控制器的信号传输。这些电路,特别是在风电机组暴露的环境中易受暂态过电压的损害。根据被保护电路或设备的性质,必须选择正确的电涌保护器组合。
双辽属于多雷区,风机组又都安装在草原上,因此受雷击的可能性更大。且各相避雷器的吸收差异经常被忽视,然而雷电的侵入波通常又是加在各相上的,倘若各相吸收差异较大,就会使得在相间形成的突波在经过电源变压器时造成对控制系统的极大危害。
控制系统的主要防雷击保护措施:(1)在控制系统的主电路三相690V输入端(即供给偏航电机、液压泵等执行机构的前端)实施一级防雷保护措施;(2)在控制系统中用到的两相220V电压输出端(电磁阀、断路器、接触器等电子电路输入端)实施二级防雷保护措施;(3)在控制系统的电量采集通信线路上安装通信避雷器;(4)在控制系统的中心控制器的电源端口实施三级防雷保护措施。通过综合的雷电防护措施,可以有效的减少电涌对风机内各组件的破坏作用。
3.2 风电机组电涌保护设计
从具体情况来看,雷电电涌通过电压危害机组内电气和电子设备的主要途径为:(1)当机组的桨叶直接受到雷击时,会致使机组内电气和控制系统中某些部位的暂态电位快速升高,进而造成对机组内电气和电子设备的强烈反击,使机组受损;(2)雷电经过电力线路时,在其中感应出电涌过电压,就会沿电力线路侵入电气设备内,危害机组电气设备;(3)雷电经过信号线路而感应出电涌过电压,沿信号线路侵入电气设备,危害机组电气设备;(4)最后一种情况是,雷电电磁脉冲从空间直接辐射到电子设备内部,危害机组电子设备。
电气设备,如电动机、发电机、变压器以及开关装置等的设计必须能够耐受高压冲击。电气设备绝缘在正常情况下必须能耐受千伏范围的暂态电压。据此,须使用额定值高于操作线电压并且可能高于暂态过电压的火花间隙或电涌保护器。否则,火花间隙或电涌保护器可能在正常的线路电压变化时导通电流,并且大大降低设备使用寿命。
电涌保护器或避雷器限制电压并在某设定电压下改变其阻抗以转移冲击电流。一般情况下,暂态过后装置会恢复常态。改变其阻抗的电压必须足够大,以确保被保护装置安全与正常动作,但又不得过高,以避免超过绝缘击穿强度导致装置故障。
对风机的输电线路进行浪涌保护设计,根据输送电压和输电线路的不同,把风机的整个输电线路分为3部分。因为风电机组的输出电压为690V。按照Uc≥1.4Un,可计算出Uc至少取值1200V,所以采用动作电压为1200V的压敏电压。由于1、2号线路的输送电压都为690V,所以1、2号线路均采用1200V的压敏电压。通过变压箱的变压,电压从690V变到了10kV,三号线路的输送电压是10kV,由此可计算出变电站的输出端采用15kV的空气放电管。设计原理图如图2。
4 风电机组屏蔽技术措施
从上述雷电危害机组内电气和电子设备的途径了解到,当发生雷击时,雷电流产生的电磁脉冲会从空间直接辐射到电子设备内部,扰乱系统的正常运行,并危害电气和电子设备的性能。根据电磁场理论研究出的屏蔽措施,是利用屏蔽体削弱电磁场传输的技术,进而阻拦电磁脉冲的辐射。
此屏蔽技术实施的好处在于:一方面,通过此屏蔽技术,可以防止外来电磁能量进入机组的区域内,造成对电气和电子设备的干扰与危害;另一方面,通过此屏蔽技术,可以限制机组内部区域的电磁能量泄漏,影响和周围环境。
5 风电机组等电位连接
等电位连接主要是做好如下方面的连接:(1)将风速计、风标与避雷针进行等电位接地;(2)将风轮、机舱、水平轴、尾舵及塔身等进行等电位连接;(3)将主轴承、发电机、齿轮箱及液压站等机舱所有组件以合适尺寸的接地带,连接到机舱主框作为等电位;(4)将地面开关盘框由一个封闭金属盒,连接到地等电位。风电机组内的连接必须在风电机组部件之间建立等电位连接。这些等电位连接可在雷击时提供接触电压与跨步电压防护。
值得注意的是,风轮与机舱间、机舱与塔柱间以及尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接等连接方式进行安全可靠的电气连接,还可以通过单独的多股塑铜线(截面不小于16mm2)进行连接。连接过程中各连接过度电阻尽量小,一般不大于0.03Ω。
6 结语
通过本文对双辽地区风电机组内部防雷技术、屏蔽和等电位连接的论述,认识到雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的重要因素,必须加强对风电机组防雷技术的实施与优化,加强风电机组的安全生产,这样才能确保风电机组及风电场的安全稳定运行,减少财产损失及人员安全隐患,促进电力事业的发展。
摘要：指出了在风电行业迅速发展的形势下,风电机组单机容量不断增大,轮毂的高度及叶轮的直径也随之增高,从而增加了风电机组被雷击的可能。从双辽地区风力发电机组防雷分区入手,重点探讨了风电机组电涌保护的设计,介绍了屏蔽和等电位连接。
关键词：风电机组,雷电防护,浪涌保护
参考文献
[1]中国建筑标准设计研究院.建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2004[S].北京:中国建筑出版社,2004.
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[4]中华人民共和国国家技术监督局.交流电气装置的接地DL/T621-1997[S].北京:中国标准出版社,1998.
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[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.风力发电机组规范[R].北京:中国般级社,2008.
风电机组振动监测仪防雷设计 篇2
随着风力发电的迅猛发展, 风电机组的安全运行日益受到重视, 风力发电机组振动监测系统应用也越来越广泛。国家已出台相关标准, 2 MW及以上机组要求安装风电振动故障监测系统, 风电振动故障监测系统在实际运行中遭受雷击损害的案例也越来越多, 防雷成了风电振动监测仪设计的一个重要方面。风电振动监测仪的防雷设计必须与风力发电机组本体的防雷系统相结合, 才能更有效地防止雷击的损害。
1 风电机组防雷系统简介
1.1 防雷保护区域划分
根据风电机组和风场各部分空间受雷击电磁脉冲的严重程度不同, 将需要保护的空间划分为不同的防雷区, 图1 为防雷区示意图, 通常防雷区序号越高, 其电磁环境参数越低。
LPZ0:本区内物体易受直接雷击, 必须传导全部的雷电流, 电磁场没有衰减。
LPZ1:本区内物体不易遭受直接雷击, 所有导电部件上的雷电流都比LPZ0小, 电磁场被衰减。
LPZ2:本区内物体所有导电部件的电流和电磁场进一步减少。
1.2 风电防雷方案
风电机组防雷系统包括叶片防雷、避雷针、轮毂与机架连接、齿轮箱与发电机绝缘、发电机与机架绝缘、各电气设备接地, 控制柜屏蔽、电气线路加装电涌保护器和接地系统等。
当叶片受雷击后, 将雷击电流从雷击点安全地传导到轮毂, 经由碳刷、偏航轴承、塔架至接地网 (图2) 。在雷电流通过主轴承的地方增加抵抗层或设置绝缘层, 齿轮箱和发电机组与支架绝缘, 齿轮箱和发电机组就不会有雷电流直接通过, 但会有较大雷击感应电磁场。
电气系统和控制系统处于LPZ2区, 主要的防护措施有等电位连接、电涌防护、屏蔽等。
2 风电振动监控系统防雷设计
风电振动监控系统由主机、传感器、通讯模块等组成。主机位于控制箱内, 属于LPZ2区。传感器安装于齿轮箱和发电机组上, 属于LPZ1区域。通讯模块由网线、光纤收发器、光纤组成。网线和光纤收发器均在控制箱内, 属于LPZ2区;光纤从控制箱内引出, 经由塔筒至塔底控制柜, 处于LPZ1区。
2.1 风电振动监测仪受雷击分析
风电振动监测仪受雷击损害主要通过以下几个途径: (1) 通过电源的地电位反击; (2) 通过雷电产生的电磁场对风电振动监测主机进行损害; (3) 通过雷电产生的电磁场影响传感器线路信号, 产生感应电流, 损害风电振动监测系统的主机。
2.2 风电振动监测系统的电源防护策略
风电振动故障监测仪电源端需防止地电位反击对主机造成的伤害。目前大多数风电振动监测主机采用220V供电, 在设备内部再进行交直流转换。这种做法直接把交流干扰引入设备内部, 另外交直转换会释放大量热能, 提升电路内部工作温度, 降低了安全性。
建议风电振动监测仪采用外部直流源供电。在电源进线处进行多级SPD防护。开关电源前端220V接入SPD, 开关电源选用内部配置有SPD的产品, 设备内部电源接口做电源限压分流电路。同时需做好开关电源、风电振动监测仪与风电机组电控系统的等电位连接, 这样就可以最大限度地降低地电位反击对风电振动故障监测主机的损害。
2.3 风电振动监测系统的雷电电磁干扰防护策略
目前的风电振动监测仪外壳一般是和电源地连接在一起的, 这种设计雷击时外壳产生的电流会直接影响到内部电路板, 容易对主机内部电路板造成损害。
本文介绍了一种特殊的设计来实现雷电电磁干扰的防护。图3为风电振动监测仪主机的结构简图, 电路板装在一个全铝机壳上, 电路板电源地与内层机壳相连, 内层机壳通过绝缘装置安装在一个全铝封闭机壳上。
首先采用双全铝机壳设计, 外层机壳厚度3mm, 内层机壳厚度4mm。雷电电磁脉冲为高频脉冲, 在通过金属时会严重衰减, 经过7mm的衰减, 可极大地减少雷电电磁干扰。
另外, 这种设计外层机壳连地, 内层机壳连接电路板电源地, 形成了机壳接地、其他悬浮的理想抗干扰状态。
2.4 风电振动监测仪的信号端防雷策略
风机用加速度传感器的有效电压一般是10V以内。目前大多数风电振动主机的采集系统量程一般设计为±10V, 超过10V, 就很容易烧坏内部采集电路。
本文介绍的风电振动监测系统采用±30V的大量程设计, 并在主机信号接口板上对信号做防浪涌电路, 如图4所示。第一级电路采用气体放电管作为高能量泄放元件, 能够泄放较大的浪涌电流。大部分的雷击浪涌首先在第一级电路上泄放, 但是第一级电路存在残压高、响应慢等缺陷。为了避免由此带来的影响, 图4中采用了逐级降低残压、逐级提高响应速度的复合浪涌抑制办法。
另外, 雷击对传感器线路的影响与线路长度有关。通过合理走线, 传感器至主机的距离控制在10 m以内。选择有屏蔽线的传感器, 屏蔽线接到主机机壳上。
3 结语
本文主要结合风电机组的整体防雷系统, 分析了雷击影响风电振动监测系统的三个主要途径———地电压反击、雷击电磁干扰、传感器信号接口, 并从这三个方面分析了现有防雷策略, 提出了不足之处和改进方案。风电振动监测仪的工作环境恶劣, 防雷措施必须结合现场实际情况来合理实施。
参考文献
[1]王莹, 赵燕峰, 袁乐.大型风电机组的防雷系统解析[J].风能, 2014 (3) .
[2]赵喜军, 邹伟华, 王小进.地电位反击的机理及继电保护产品的防雷设计[J].船电技术, 2010, 30 (3) .
[3]陈棋, 罗勇水, 刘伟江, 等.风电机组防雷保护和接地设计[J].能源工程, 2014 (2) .
机组防雷 篇3
随着能源危机的凸显, 节能减排和低碳社会的发展, 新能源、可再生能源、新材料等新兴战略性产业迅猛发展。中卫市香山地区群山连绵, 风大雨稀, 靠天吃饭。硒沙瓜产业的落地, 这里的经济发生了翻天覆地的变化, 生态环境明显改善;风力发电站的建立, 使过去的不毛之地, 变成了缓解中卫用电压力, 促进中卫经济快速发展的主战场。风力发电站要保证正常运行, 风塔、集控室、升压站及其电力系统的防雷防静电工作十分重要。针对中卫市香山地区特殊的地质、地理、气象环境条件, 结合国内外风力发电站所采取的防雷措施, 研究中卫市香山风力发电站重点部位的防雷技术, 减少自然灾害的危害和损失, 保证风力发电站安全生产, 意义重大。
一、香山风力发电机组防雷设计情况
香山风力发电站计划分九期建设。风力发电机组主要分布在中卫红泉和香山一带。每个风塔高76米。
1.1防雷分区设计。风力发电机组雷电保护方法基于EMC的定向分区保护原理。整个系统在安全分类确定后, 必须再分成各种防雷区。LPZ0A:本区域内的各物体都可能遭到直接雷击, 并承受所有雷电流造成的伤害;.LPZ0B区:本区内的各物体极少可能遭到直接雷击, 但本区内的电磁场强度没有衰减;LPZ1区:本区内各物体极少可能遭到直接雷击, 流经各导体的电流比LPZ0B区和LPZ0A区更小;本区内的电磁场强度可能衰减, 取决于所提供屏蔽措施;LPZ2区:为减少流入的电流和电磁强度 (干扰级别) , 比LPZ1区内的设备需要增加提供屏蔽措施;LPZ3区:为减少流入的电流和电磁强度 (干扰级别) , 比LPZ2区内的设备需要增加提供屏蔽措施;防雷分区的有效设计, 对风力发电机组雷电保护十分重要。
1.2风塔外部防雷设计。利用风塔叶片 (3个) 做为接闪器, 采取绝缘电缆和镀锌扁铁做为引下线, 通过 (3处) 连接到接地体上。风力发电机组的接地系统是从塔基接地体到塔底部法兰至少要安装三根接线, 这三根连线分布在整个塔基法兰的周围, 并牢固进行电气连接。中转站或变电站的接地系统连接到风力发电机组的接地系统。如果整个系统的接地电阻超过10Ω, 接地系统通过额外的镀锌接地极来扩展, 它们可以连接到终端镀锌接地扁钢上。这样设计如遇到闪电, 人接近塔筒基础时, 靠环形接地电机减少跨步电压和接触电压;镀锌接地极确保可靠, 且整个接地系统的远方接地体为低电阻。从而保证了强大的雷电流畅通快速安全可靠转移到大地之中。
1.3风塔内部雷防护设计。在每个叶片末稍端安装封闭的避雷器, 通过内部的叶片轴承电气连接到轮毂。雷电电流从轮毂传导到转轴的保持盘上, 通过碳刷和平行的瞬间放电间隙, 越过旋转轴承转移到主载体。另外的两个碳刷和瞬间放电间隙联合使雷电电流从主载体传导到偏航轴承齿轮。这个联合作用包括碳刷和瞬间放电间隙, 因为碳刷是在两个接触区域通过电气连接的, 而瞬间放电间隙设置为短时间内是不能点燃的直到电压达到一个不允许的高位。偏航轴承牢固的装在塔上, 它能进一步的传导雷电电流。塔基的法兰连接到基础建筑的三个接地电极点上, 因此它能确保雷电电流安全的导入大地。
二、香山风力发电机组防雷防静电的重点部位
中卫市香山地区海拔高度一般在1735米左右, 香山寺最高海拔高度2325米。中卫的雷闪期主要集中在每年的6-9月。香山风力发电机组安装在相对较高的山脉处, 遭受直击雷的概率较大。因此, 风机叶片是雷电防护的重点部位;雷击会产生巨大的雷电流, 这些雷电流经由外部防雷装置的接闪器、引下线通过接地装置泄放到大地中。而与外部防雷装置不直接相连的邻近金属导体, 也会通过各种耦合机制, 感应产生一定能量的雷击电磁脉冲。微电子设备抗雷击电涌的能力十分脆弱, 所以电源进线接口, 控制接口便成了LEMP侵入的主要渠道, 电源进线接口, 控制接口也雷电防护的重点部位;另据德国某公司统计, 风力发电机组各部件遇雷害的概率如下表所示:
风力发电机组各部件遇雷害的概率表
所以, 风力发电机组防雷防静电的重点部位主要是控制系统, 叶片、发电机。
三、中卫香山风力发电站防雷电技术措施
3.1叶片雷电防护技术措施:雷电释放巨大的能量, 会使叶片温度急剧升高, 分解气体高温膨胀, 压力瞬间上升造成爆裂破坏。所以我们应该对各叶片顶部设计安装电子设备专用浪涌保护器, 达防雷到装置与叶片实现高度的绝缘连接。通过接闪针承接雷电流, 以避免雷电流直击击中叶片。同时加强雷电分流, 加强引下线屏蔽措施, 将雷电流尽快地泄放到大地, 有效地避免直击雷对叶片的冲击, 也减少雷电感应对电子设备的冲击。叶片接闪针的设计安装必须符合《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010的要求, 其滚球半径按45M设计。为了保证叶片在不同位置时的直击雷防护, 提高雷电在土壤中的分散能力, 应将风力发电机组的整个基础作为接地装置, 接地电阻应小于4Ω, 在接地电阻未满足要求时, 应增加人工接地装置, 在高壤电阻率大于3000的地区, 接地电阻可以适当放宽, 但不可超过10Ω。
3.2控制系统、电气系统的雷电防护技术措施:电气系统通过安装浪涌保护器) 实现有源线路对地的等电位连接。按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010第6.4.4条规定“浪涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流, 并应符合以下两个附加要求:通过浪涌时的最大钳位电压, 有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。”即浪涌保护器的最大钳位电压应至少大于1.15U0 (其中, U0为相线对中性线的标称电压) 。并应根据在不同的防雷区, 按照不同雷击电磁脉冲的严重程度和等电位连接点的位置, 决定位于该区域内的电子设备采用何种浪涌保护器, 实现与共用接地体等电位联结。控制系统在叶片舱内叶片控制装置的4-20mA控制信号线缆的信号输出处、机舱、塔架内主控制盘的控制信号等处安装数据信号浪涌保护器, 每对线1只;在每个风力发电机组接入的远程控制通信接口处安装相应的浪涌保护器。
四、结论