兆瓦级的风力涡轮机的雷电和浪涌保护_兆瓦级_风力涡轮机

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兆瓦级的风力涡轮机的雷电和浪涌保护

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2009/7/15 11:38:00

人类对可再生能源的索取获取，一直都是有增无减的。获取的途径主要有：风力发电、太阳能/光伏发电，以及利用沼气或地热发电。在德国，现今约有19000个风电设备供应商，总功率近21000兆瓦，已经超出了对能源总需求的百分之三。

据德国风能研究所的预言，至2030年，在公海上将安装约4000个风电设备。这样，离岸风力发电场产生的额定功率约为2万兆瓦，风电设备防雷保护的重要性由此显而易见。

雷击的危害

风电设施的经营者是无法承受停机所造成的损失的。与此相反，对风电设备的高额投资往往是相当巨大的。

每个风电设备都在极小空间里集中了完备的电气、电子装置，所有在电气、电子工程中能够提供的装置，都可以在这里找到，如：开关柜，马达和驱动器、变频器、总线系统及其传感器和驱动器。毋庸置疑，电涌的出现会给系统带来相当大的损害。雷击的风险与设备高度的平方成正比，而兆瓦级的风力涡轮机的叶片总高度达150米，因此遭受雷击的风险极大，对该设备进行全面的防雷击及浪涌保护是十分必要的。

雷击频率

某地区每年的云地闪电的数量可从知名的等雷频线（ isokeraunic level）中得到。在欧洲，海岸地区和中等高度的山脉地区的雷击频率为每年每平方公里1至3个云地闪电。

此外，还应考虑防雷装置的空间尺寸。如果物体的高度大于60米，并暴露在雷击的风险下，那么，除了云地闪电外，还存在地云闪电，即所谓的上行先导。这就造成了实际值比上述公式计算所得理论值要大。

地云闪电的发生，起始于高空的暴露物体, 雷电流的泄放强度一般都很大，因而这对转子桨叶的保护和雷电流保护器的设计都提出了更高的要求。

标准化保护措施

德国劳埃德 (Lloyd)准则是雷电保护概念设计的基础。

德国保险协会（ GDV ）在其出版物 VdS 2010《风险导向的雷电和浪涌保护》中建议，风力发电设备应实施二级以上的防雷保护，以满足保护这些设施的最低要求。

在这一科技文献中，更主要关注是如何实施防雷保护措施，尤其是对风电设备中的电气和电子仪器，如何采取保护措施，防止电涌的干扰。

对转子的桨叶和旋转部件实施保护是十分复杂的，需要分别针对不同的生产商及其特定的产品类型，进行详细地考察。

通过在冲击电流实验室进行的这些试验，可验证所选保护措施的有效性，并有助于优化“整体保护方案” 。

图 1 德和盛公司（ DEHN + SÖHNE）的冲击电流实验室 – 最大的雷电冲击电流是200 kA, 波形为10/350μs

德和盛公司（DEHN+ SÖHNE)可以充分利用它的先进的雷电流冲击实验室，针对每个客户的特殊需求，寻找最佳的解决方案。它能够提供以下工程和测试服务：

=> 为保护电气装置，为客户测试特定的预接线单元

=> 测试轴承的雷电流承载能力

=> 对引下线和转子桨叶上的传感器进行相关的雷电流测试

防雷分区概念

防雷分区概念是在某一界定范围内，为了创造一个特定的抗电磁干扰的环境 (抗EMC环境)所采取的结构性的措施。特定的抗EMC环境，是通过所使用电气设备的抗电磁干扰的能力来衡量的（图2 ）。

图2 风电设备的防雷分区概念

防雷分区概念作为一个保护措施，它限定了其所定义的边界上的传导及电磁干扰，并力求降至最低。出于这个目的，我们将被保护的物体划分在不同的保护分区内。在划分风电设备的防雷分区时，应充分考虑其结构上的特征。重要的是，要将从外部进入雷电保护区 LPZ 0A 区的、起直接作用的雷电参数，通过屏蔽措施以及配置相应的浪涌保护装置，尽可能地减小，以确保风电设备中的电力和电子系统能够无干扰地正常运行。

屏蔽措施

机舱应设计为一个自闭的金属屏蔽。相对于外部，机舱内的电磁场应得到极大的衰减。机舱中的，以及可能存在于在操作间中的开关柜和控制柜，都应由金属制成。与其相连接的电缆也应配备相应的外部连接和屏蔽，并具有雷电流承载能力。从抗干扰保护的角度出发，只有当屏蔽线的两端都连接到等电位连接中，屏蔽电缆才能有效地隔离电磁干扰。屏蔽接触必须为圆形连接端子，以避免不利的电磁干扰（EMC），不允许长的接线端子“ Pigtails ”留存于设备侧。

接地系统

在任何情况下，风电设备的接地系统都应利用铁塔的钢筋架构。在铁塔的塔基以及在操作间的基础中设立基础接地体，首要应地考虑接地体的腐蚀风险。

塔基和操作间的接地装置（图3 ）应通过接地网相互连接，以尽可能地获得最大面积的接地系统。

塔基周围多大的范围内敷设额外的控制等电位的环形接地体，取决于在发生雷击时，最终可能形成的跨步电压和接触电压的高低，以及如何能达到保护生命的目的。