畢業(yè)論文風力渦輪發(fā)電機雷擊風險評估方法和解決方案

1、風力渦輪發(fā)電機雷擊風險評估方法和解決方案羅佳俊1 張小石2（1 天津市防雷技術(shù)中心，天津 300074；2廣東省豐順縣氣象局，廣東 514300）摘要：本文論述了風力渦輪發(fā)電機的直擊雷風險評估方法，通過此方法得出風力渦輪發(fā)電機的直擊雷保護等級。依據(jù)防護等級，提出直擊雷保護的解決方案，該方案利用傳統(tǒng)空氣間隙型避雷器的工作原理和共地不共線的原則，為渦輪發(fā)電機的直擊雷保護提出了一種的新思路。關(guān)鍵詞：風險評估；改進方法；保護措施；Wind turbine lightning risk assessment methods and solutions (LUO Jia-jun Tianjin Light

2、ning protection TechnologyCenter, TianJin 300074) (ZHANG Xiao-shi FengShun Bureau of Meteorology, Guangdong 514300)Abstract: This paper discusses the wind turbine lightning risk assessment methods, through the method we get the lightning protection system levels for the wind turbine. Based on the le

3、vel of protection level, put forward the protection solution of direct lightning flash which used the theory of traditional air gap arrester and the principle of common earthing system but non-collinear, and bring forward new train of thought for the protection of wind turbineKeywords: Risk assessme

4、nt；Improving methods；Protection measures;1、前言風能做為當前最具開發(fā)潛能、最清潔的可再生資源，已經(jīng)被人們廣泛接受和利用。我國風力資源豐富，風力渦輪發(fā)電機的分布較廣，在我國電力事業(yè)和經(jīng)濟快速發(fā)展中，發(fā)揮著越來越重要的作用。但是，由于風力渦輪發(fā)電機是工作在露天的自然環(huán)境中，不可避免地受到自然災(zāi)害的影響，尤其是雷電的影響。隨著渦輪發(fā)電機技術(shù)的成熟，發(fā)電機組裝機容量不斷增加，為了獲得更多的風能，渦輪發(fā)電機的輪轂和葉片半徑隨著塔架的增高而增高，同時也增大了風力渦輪發(fā)電機葉片、機艙等重要部件遭受雷擊的概率，嚴重地影響了風力渦輪發(fā)電機的正常工作，大大增加了維護費用，

5、并對工作人員的人身安全造成安全隱患。為了最大限度的減少渦輪發(fā)電機遭受直接雷擊時損壞的概率，同時確保工作人員的人身安全，必須對風力渦輪發(fā)電機采取相應(yīng)的直擊雷防護措施。風力渦輪發(fā)電機的直擊雷電防護是一項系統(tǒng)性、復(fù)雜性的工程，必須在認真調(diào)查地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律以及了解風力渦輪發(fā)電機的組成、系統(tǒng)特點、重要性和損壞后產(chǎn)生的后果等基礎(chǔ)上，經(jīng)過雷擊風險評估后，合理地做出雷電防護要采取的措施，做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。2、風力渦輪發(fā)電機直擊雷風險評估和決絕方案本評估方法借鑒國內(nèi)外關(guān)于直擊雷風險評估的先進經(jīng)驗，并結(jié)合我國的實際情況，為風力渦輪發(fā)電機的雷擊風險評估提出一種方法和

6、程序，為防雷工程的實施提供一個科學的依據(jù)，最大限度地發(fā)揮防雷保護措施的效能，并提出一種直擊雷的解決方案。本評估將以一個輪轂高度為80米，葉片長度為40米的風力渦輪發(fā)電機為例。假設(shè)坐落在一個土壤電阻率為500·m的平原地區(qū)，與風力渦輪發(fā)電機組分開的操作間距離為500米。操作間尺寸：長5米，高3米，寬4米。該地區(qū)的雷暴日為56a/d。如圖1：2.1渦輪發(fā)電機直擊雷風險評估任何防雷保護系統(tǒng)在設(shè)計之前，都應(yīng)該考慮雷電對風力渦輪發(fā)電機破壞的風險問題。對雷擊風力渦輪發(fā)電機造成損害的風險評估將有助于防雷保護設(shè)計者是否建立防雷保護系統(tǒng)和選擇合適的保護措施。選擇足夠的保護等級是為了將直擊雷造成損壞的風

7、險降低到可接受的范圍之內(nèi)。任何建筑物的雷擊風險是一個與風力渦輪發(fā)電機的高度、所處的地理環(huán)境和當?shù)氐睦纂娀顒宇l率有關(guān)的一個函數(shù)。對于風力渦輪發(fā)電機的年預(yù)計雷擊次數(shù)，我們可以按照圖2的流程圖對防雷保護系統(tǒng)進行評估1。風力渦輪發(fā)電機的年預(yù)計雷擊次數(shù)應(yīng)按下列公式確定2：NdNg×Ad×Cd×10-6 （）式中Nd：風力渦輪發(fā)電機的年預(yù)計雷擊次數(shù)（次/a）；Ng：風力渦輪發(fā)電機所在地區(qū)雷擊大地年平均密度（次/km2·a）；Ad：與風力渦輪發(fā)電機截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）；Cd：環(huán)境因子，對于風力渦輪發(fā)電機，位于平地時取1.0，位于山丘時取2.0；Nd計算

8、中的各個參數(shù)，其中Ng為客觀存在的一個重要因子，因此對風力渦輪的年雷擊次數(shù)進行評估時，收集當?shù)氐睦讚舸蟮孛芏葦?shù)據(jù)是必要的，這些數(shù)據(jù)可以由當?shù)貧庀蟛块T的雷電監(jiān)測系統(tǒng)提供的。由于風力渦輪發(fā)電機的地理位置至關(guān)重要，在選址時，除對該地區(qū)的風能進行評估外，也要對該地區(qū)的雷電密度進行實時監(jiān)測，必要時，應(yīng)在選址范圍內(nèi)安裝雷擊大地密度監(jiān)測系統(tǒng)，以獲得更為準確的數(shù)據(jù)，為雷電風險評估提供科學的依據(jù)。下圖3為雷電監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的全國地閃監(jiān)測密度分布圖3。當雷擊大地密度無法確定時，可用下列公式進行估算：Ng0.04×Td1.25（）式中Ng：每平方公里的雷擊大地密度（次/km2·a）；Td：年雷暴

9、日，通常由當?shù)貧庀笈_站提供的實時資料為準。等效截收面Ae積定義為與風力渦輪發(fā)電機具有相同的年直接雷擊次數(shù)的大地表面積。對于孤立風力渦輪發(fā)電機，等效截收面積是以一條斜率為1：3的直線，與葉片的頂部相接觸，并繞塔筒旋轉(zhuǎn)，直線與地面相交得出的邊界線所包圍的大地面積。如圖4是關(guān)于平地上孤立建筑物的等效截收面積計算方法：AeLW+6H(L+W)+9H2建議所有的風力渦輪發(fā)電機都簡化成一個桅桿，其高度等于塔筒的高度加上葉片的半徑。圖5是關(guān)于平地上風力渦輪發(fā)電機等效截收面積的計算方法。很清楚，它是以風力渦輪發(fā)電機高度三倍為半徑的一個圓4。下列方程用于計算平地上風力渦輪發(fā)電機的年雷擊次數(shù)Nd，將公式（2）帶入

10、公式（1）得：Nd0.04×Td1.25×9H2×Cd×10-6 （）0.04×561.25×9×3.14×1202×1×10-62.5次/a式中H：風力渦輪發(fā)電機的有效高度；注：IEC6102411給出了風力渦輪發(fā)電機在復(fù)雜地勢下或接近其他建筑情況下等效面積的估算方法。一旦我們對風力渦輪發(fā)電機的年雷擊次數(shù)作出評估以后，我們將選擇一個合適的防雷保護系統(tǒng)。失敗的防雷保護系統(tǒng)會造成嚴重的事件，如果防雷保護系統(tǒng)的失敗對人的生命安全構(gòu)成威脅，那么可接受的雷擊事故的數(shù)量應(yīng)該由國家或地方法規(guī)和相關(guān)的監(jiān)管機構(gòu)

11、來確定。如果雷擊造成的損失僅僅是經(jīng)濟問題的話，那么，可接受的雷擊事故的數(shù)量則由風力渦輪發(fā)電機的所有者來確定?？山邮艿睦讚羰鹿实臄?shù)量c與建筑物的用途、位置、結(jié)構(gòu)和其內(nèi)部人員數(shù)量、特定的時間有關(guān)系。IEC61024-1-1聲明可接受的雷擊事故的數(shù)量（c）必須大于或等于建筑物的年預(yù)計雷擊次數(shù)（d）與1減去防雷保護系統(tǒng)保護效率E的乘積。對于風力渦輪發(fā)電機即cd（1E）（）式中：防雷保護系統(tǒng)的效能；d：建筑物年平均預(yù)計雷擊次數(shù)；c：年預(yù)計可接受的事故數(shù)量；防雷保護系統(tǒng)的保護效率是由兩個獨立的效率相乘得到的，一個是保護系統(tǒng)的攔截效率（攔截雷電的能力），一個是傳導(dǎo)效率（將雷電流泄放的能力）。這個概念由提出。

12、因此，防雷保護系統(tǒng)的最低保護效率可由下面的公式確定：1c/d (5)對于可接受的雷擊損壞風險（c）是一個不確定的值，每個國家或風力渦輪發(fā)電機的所有者可以根據(jù)不同的要求自行擬定。IEC62305-2則規(guī)定可承受的風險表現(xiàn)在雷電引起人的死亡或社會、文化價值的損失。并列舉了代表性值5：如人員死亡：10-5，為大眾服務(wù)的公共設(shè)計的損失：10-3，文化遺產(chǎn)的損失：10-3。而希臘標準化組織給出的NC值是5×10-5（對風力渦輪發(fā)電機）6。美國給出的值是10-5，對于沒有人員傷亡的情況下，NC值是10-34。我國GB5005794（2000版） 則規(guī)定可接受的最大雷擊次數(shù)Nc按下式確定7：Nc1

13、0-5/(PrWr)對于風力渦輪發(fā)電機PrWr取8·10-4，經(jīng)計算，Nc1.2·10-2。該值也可以由風力渦輪發(fā)電機的所有者提供。通過上述的計算，我們已經(jīng)能夠得出可接受的雷擊次數(shù)NC與年預(yù)計雷擊次數(shù)Nd，然后對其比較，當NdNC時，防雷保護系統(tǒng)不必要。當NdNC時，應(yīng)該按照下列表格確定防護等級，并根據(jù)相應(yīng)的防護等級采取相應(yīng)的防護措施。IEC610241將防雷保護系統(tǒng)劃分為四個等級，從等級到等級，下面的表格是防雷保護效率E與防護等級劃分的關(guān)系，當已知NC和Nd時我們就可以利用公式（5）求出相應(yīng)的保護效率。保護等級攔截效率（E1）傳導(dǎo)效率(E2)效率(E)0.990.990.

14、980.970.980.950.910.970.900.840.970.80從上面表格可以看出，當E0.98時，保護等級為，帶附加的防護措施。 0.95E0.98時，保護等級； 0.90E0.96時，保護等級； 0.80E0.90時，保護等級； 0E0.80時， 保護等級；將上述計算出的c、d值帶入公式（5）得：1c/d 11.2·10-2/2.5 0.995因此，該風力渦輪發(fā)電機防雷保護系統(tǒng)應(yīng)用的保護等級為級。附加的保護措施是指包括減小接觸電壓和跨步電壓的措施、避免火災(zāi)蔓延的措施、減小雷電在敏感裝置中的感應(yīng)電壓的措施等。一般地，防雷保護系統(tǒng)的效率越高，則需要的避雷針直徑和接地系統(tǒng)越

15、大（為了提高傳導(dǎo)效率），而且需要附加的保護或者減小雷擊點的范圍（為了提高直接攔截效率）。各防雷保護系統(tǒng)傳導(dǎo)效率對應(yīng)的雷電流峰值、比能量、平均陡度和各保護等級的總電荷量見圖保護等級雷電流峰值kA比能量kJ-1雷電流陡度kA/s總電荷量C2001000020030015056001502251002500100150例如，對級防雷保護系統(tǒng)來說，必須能夠承受最大200KA的雷電流而不被損壞。2.2 風力渦輪發(fā)電機直擊雷防護方案通過直擊雷風險評估得出保護等級以后，就可以根據(jù)防護等級采取相應(yīng)的防護措施。直擊雷對風力渦輪發(fā)電機構(gòu)成的威脅表現(xiàn)為4：1 跨步電壓和接觸電壓、碎片、爆炸、火災(zāi)造成的人身傷害；2

16、機械部件之間的火花放電造成火災(zāi)或爆炸；3 過電壓對對風力渦輪發(fā)電機內(nèi)部電氣設(shè)備造成的損壞；4 對葉片的損壞；因此，風力渦輪發(fā)電機的直擊雷保護措施應(yīng)從以上四點出發(fā)給予考慮，對風力渦輪發(fā)電機采取接閃器、引下線、接地裝置、等電位裝置措施。傳統(tǒng)的直擊雷保護雖然也采取了此類措施，但是效果不好，容易發(fā)生反擊現(xiàn)象，對設(shè)備的安全構(gòu)成隱患。為了防止因直擊雷對葉片造成損壞，為了防止因直擊雷而引起的跨步電壓和接觸電壓，為了避免各部件之間因火花放電造成火災(zāi)和爆炸，為了避免地電位發(fā)生反擊，提出下列改進方法，對接閃、引下、接地裝置進行隔離安裝。直擊雷的防護主要是對暴露于LPZ0區(qū)（該區(qū)內(nèi)的物體可能遭到直接雷擊，因此可能傳

17、到全部雷電流。該區(qū)域內(nèi)的電磁場沒有衰減）的部位采取措施。位于LPZ0區(qū)的部位有：葉片、測風裝置的傳感器、金屬機艙、無金屬機艙內(nèi)的所有設(shè)備。接閃器作為風力發(fā)電機組中位置最高的部件，葉片是雷電襲擊的首要目標，同時葉片又是風力發(fā)電機組中最昂貴的部件，因此葉片的防雷擊保護至關(guān)重要。葉片的保護可以在葉尖加裝一個特殊設(shè)計的不銹鋼螺桿，即葉片最可能被襲擊的部位，接閃器可以經(jīng)受多次雷電的襲擊，損壞后也可以方便地更換。接閃器的另一端與葉片內(nèi)做為引下線的鋼絲或銅導(dǎo)線連接。機艙的保護在機艙上部周圍敷設(shè)避雷帶，為了防止對機艙內(nèi)的設(shè)備造成影響，避雷帶應(yīng)用絕緣子與機艙隔離。測風設(shè)備的傳感器保護測風設(shè)備的傳感器可以用避雷針

18、保護。為了防止雷擊時產(chǎn)生繞擊和側(cè)擊，加裝屏蔽型的避雷環(huán)給予保護6。如圖因此位于LPZ0區(qū)的部件，可以采用避雷針、避雷帶相結(jié)合的方式進行保護，并將避雷針與避雷帶連為一體。引下線雷電流的引下是一個復(fù)雜的過程，為了減少和避免雷電流經(jīng)過的地方對機艙內(nèi)設(shè)備造成干擾和損壞，引下線越短越好，經(jīng)過的途徑要少越好。傳統(tǒng)的引下線方式是葉尖葉片輪轂發(fā)電機的碳刷，因此發(fā)生雷擊時，碳刷等部件極易損壞。為了改進傳統(tǒng)的引流方法，利用放電間隙的原理，我們可以在機艙的下端安裝一個橫向齒輪，在葉片的根部安裝一個縱向齒輪，兩個齒輪與塔架絕緣，這樣無論輪轂怎樣旋轉(zhuǎn)，兩個齒輪之間都會有一個間隙，這類似于最初用在變電站的空氣間隙型避雷器

19、，一端連著接閃器，一端連著接地體。這樣，在發(fā)電葉片接閃雷電流時，雷電流就沿圖6的路徑入地，從而有效地避免了雷電流通過其它途徑接閃器在接閃電流以后可以沿著下列途徑泄放入地，該方法是利用放電間隙的原理，如圖6。引下線在經(jīng)過齒輪2時，也應(yīng)該與塔筒用絕緣子與塔架進行隔離。為了將雷電流盡快泄放入地，同時減小雷電流在經(jīng)過引下線是產(chǎn)生的電場對塔架內(nèi)電子信息設(shè)備造成損壞，采用三根引下線同時引下，每個葉片對應(yīng)一根引下線。引下線的截面積與接閃器一樣。引下線在其整個長度范圍內(nèi)，應(yīng)至少具有如下截面積8，當用圓做鋼避雷針、避雷帶時，其截面積不小于78mm2；用銅或鋁合金時，截面積不小于50mm2。接地系統(tǒng)從防雷觀點出發(fā)

20、，風力發(fā)電機組宜設(shè)一共用接地體，即避雷針與塔架共用接地系統(tǒng)。接地體的布置一般可采用基礎(chǔ)接地體或人工環(huán)形接地體。其包圍的面積的平均半徑應(yīng)不小于6m8。為了防止地電位反擊，引下線與接地裝置連接時，應(yīng)連接到接地裝置的邊緣部分，形成共地不共線，接地系統(tǒng)的工頻接地電阻應(yīng)小于4，在土壤電阻率很大的地方可放寬到10以下8根據(jù)IEC TR 61400-24要求，對于級防護等級來說，除了上述的直擊雷措施外，還應(yīng)采取附加的保護措施減小跨步電壓、接觸電壓的措施和減小感應(yīng)電壓對設(shè)備損壞的措施，即要做好等電位措施。塔架、所有金屬設(shè)備，如開關(guān)柜、電動機、發(fā)電機，應(yīng)連接到局部等電位連接帶。同時應(yīng)將金屬設(shè)備的等電位接地與電源系統(tǒng)、