風(fēng)電機(jī)組外部防雷技術(shù)措施

1、會計學(xué)1風(fēng)電機(jī)組外部防雷技術(shù)措施風(fēng)電機(jī)組外部防雷技術(shù)措施第1頁/共49頁向下閃擊：向下閃擊： 起始于雷云對大地產(chǎn)生的向下先導(dǎo)的閃擊。起始于雷云對大地產(chǎn)生的向下先導(dǎo)的閃擊。由一次首次短時雷擊組成，其后可能有多次后續(xù)由一次首次短時雷擊組成，其后可能有多次后續(xù)短時雷擊。短時雷擊。向上閃擊：向上閃擊： 起始于一已接地的建起始于一已接地的建( (構(gòu)構(gòu)) )筑物對雷云產(chǎn)生的筑物對雷云產(chǎn)生的向上先導(dǎo)的閃擊向上先導(dǎo)的閃擊。由其上可能有多次后續(xù)短。由其上可能有多次后續(xù)短時雷擊及一個長時間雷擊組成。時雷擊及一個長時間雷擊組成。第2頁/共49頁第3頁/共49頁第4頁/共49頁雷電流參數(shù)雷電流參數(shù)防雷建筑物類別防雷建

2、筑物類別 第一類第一類第二類第二類第三類第三類I：幅值（：幅值（kA） 200150100T1：波頭時間（波頭時間（s） 101010T2：半值時間（半值時間（s） 350350350Qs:電荷量（電荷量（C） 1007550W/R:單位能量（單位能量（MJ/） 105.62.5- - 首次短時雷電流參量首次短時雷電流參量第5頁/共49頁- - 云地閃的形成過程云地閃的形成過程第6頁/共49頁GB 50057 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范建筑物防雷設(shè)計規(guī)范IEC 62305-1: 2006 雷電防護(hù)雷電防護(hù) 第第1部分部分: 總則總則GB/T 21714.1-2008IEC 62305-2: 2006

3、雷電防護(hù)雷電防護(hù) 第第2部分部分: 風(fēng)險管理風(fēng)險管理GB/T 21714.2-2008IEC 62305-3: 2006 雷電防護(hù)雷電防護(hù) 第第3部分部分:建筑物的物理損壞建筑物的物理損壞GB/T 21714.3-2008 和生命危險和生命危險IEC 62305-4: 2006 雷電防護(hù)雷電防護(hù) 第第4部分部分: 建筑物內(nèi)電氣建筑物內(nèi)電氣GB/T 21714.4-2008 和電子系統(tǒng)和電子系統(tǒng)IEC 61400-24 ：2002 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雷電防護(hù)雷電防護(hù)第7頁/共49頁在 IEC TC 81 的標(biāo)準(zhǔn)IEC TC 81雷擊保護(hù)IEC 61024建筑物防雷（系列）IEC61312

4、防雷擊電磁脈沖（ LEMP） （系列）IEC61663通信線路防雷（系列）IEC 61024-1:1990-03建筑物防雷第 1 部分：通則IEC 61312-1:1995-02防 LEMP 第 1 部分：通則IEC 61662:1995-04雷擊損壞危險度的評估IEC 61662:1996-05補(bǔ)充評估：加入 LEMP后的危險度評估IEC 61819/Ed.1（81/145/CDV）2001模擬防雷裝置（LPS）各部件效應(yīng)的測量參量IEC 61663-1:1999-07通信線路防雷第 1 部分：光纖線路IEC 61663-2（81/164/FDIS）2001通信線路防雷第 2 部分：金屬導(dǎo)線

5、路線IEC 61312-2 TS:1999-08防 LEMP 第 2 部分：建筑物屏蔽、內(nèi)部等電位連接及接地IEC 61312-3 TS:2000-07（IEC 81/150/CD）防 LEMP 第 3 部分：電涌保護(hù)器（SPD）的要求IEC 61312-4 TS:199809防 LEMP 第 4 部分：已有建筑物的保護(hù)IEC 61312-5 TS:2000（81/165/CD）防 LEMP 第 5 部分：應(yīng)用指南IEC 61024-2建筑物防雷第 2 部分：建筑物高于 60m 的附加要求IEC 61024-3建筑物防雷第 3 部分：有爆炸危險和易發(fā)生火災(zāi)建筑物的附加要求IEC 61662/E

6、d.2 TS（81/156/CD）2001風(fēng)險控制風(fēng)險控制的環(huán)境和建筑物的風(fēng)險評估IEC 61024-1/Ed.2（81/151/CDV）2001防雷裝置對人身的安全保護(hù)IEC 61024-1-1:1993-08建筑物防雷第 1 部分第 1 分部分：指南 A防雷裝置保護(hù)級別的選擇IEC 61024-1-2:1998-05建筑物防雷第 1 部分第 2 分部分：指南 B防雷裝置的設(shè)計、施工、維護(hù)和檢測第8頁/共49頁綜合防雷系統(tǒng)綜合防雷系統(tǒng)外部防雷外部防雷接接閃閃器器引引下下線線接接地地裝裝置置內(nèi)部防雷內(nèi)部防雷等等電電位位連連接接防防閃閃絡(luò)絡(luò)措措施施電電涌涌保保護(hù)護(hù)器器屏蔽（法拉弟籠）屏蔽（法拉弟

7、籠） 綜合防雷系統(tǒng)的組成綜合防雷系統(tǒng)的組成第9頁/共49頁防雷的原理防雷的原理 利用外部防雷裝置來攔截雷閃，利用引利用外部防雷裝置來攔截雷閃，利用引下線把雷電流泄入地中。主要是防直擊雷造下線把雷電流泄入地中。主要是防直擊雷造成的損害，同時為內(nèi)部防雷打好基礎(chǔ)。成的損害，同時為內(nèi)部防雷打好基礎(chǔ)。 防雷如同防洪，其原理是為雷電流提供防雷如同防洪，其原理是為雷電流提供一低阻抗的通道，同時采取內(nèi)部防雷措施，一低阻抗的通道，同時采取內(nèi)部防雷措施，降低或減少對電氣、電子系統(tǒng)的損害。降低或減少對電氣、電子系統(tǒng)的損害。第10頁/共49頁Bonding BarElectric power lineRing Ear

8、th ElectrodeMetallicwaterpipeEarthMetallicgaspipeSPD17%17%50%17%4.3%IEC 61643-1 / Annex A (informative)Consideration for SPDs when Class I Tests are to be applied雷電流的分配原則雷電流的分配原則第11頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（1 1）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 表表4 4 雷擊損毀事件的發(fā)生頻度雷擊損毀事件的發(fā)生頻度 國家國家時間時間數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫中風(fēng)力中風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)

9、組數(shù)組數(shù)發(fā)電發(fā)電能力能力 MW每年風(fēng)每年風(fēng)力發(fā)電力發(fā)電機(jī)組數(shù)機(jī)組數(shù)雷電雷電故障故障每年每每年每百臺風(fēng)百臺風(fēng)力發(fā)電力發(fā)電機(jī)組故機(jī)組故障數(shù)障數(shù)德國德國1991-1998149835292047388.0丹麥丹麥1990-19982839698220008513.9瑞典瑞典1992-19984281781487865.8第12頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（2 2）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 表表5 5 雷擊損毀風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的地區(qū)效應(yīng)雷擊損毀風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的地區(qū)效應(yīng)( (德國德國) )設(shè)置設(shè)置位置位置數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)庫中風(fēng)力發(fā)電風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)機(jī)組

10、數(shù)發(fā)電發(fā)電能力能力MW每年風(fēng)每年風(fēng)力發(fā)電力發(fā)電機(jī)組數(shù)機(jī)組數(shù)雷電雷電故障故障每年每百臺每年每百臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障數(shù)組故障數(shù)直接直接雷擊雷擊%間接間接雷擊雷擊%沿海沿海61617840182235.633.6%65.9%北部北部低地低地5198832132397.423.4%76.5%低山低山36386197327714.030.3%69.3%總數(shù)總數(shù)149835292047398.029.1%70.6%間接雷擊意味著損毀不是因雷電直接擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而引起。間接雷擊意味著損毀不是因雷電直接擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而引起。第13頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（3 3）-

11、- 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖7 7 各部件的故障（德國）各部件的故障（德國）第14頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（4 4）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖8 8 各部件的故障（丹麥）各部件的故障（丹麥）第15頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（5 5）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖9 9 各部件的故障（德國）各部件的故障（德國）IEC 1855/02電氣系統(tǒng)機(jī)械制動器故障率%403020100控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)齒輪箱風(fēng)輪葉片偏航系統(tǒng)液壓系統(tǒng)傳感器

12、傳動系統(tǒng)輪轂結(jié)構(gòu)部件 舊450KW, 故障數(shù)：909新450KW, 故障數(shù)：123第16頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（6 6）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖10 10 各部件的故障（德國）各部件的故障（德國）IEC 1855/02故障率%6040200電氣系統(tǒng)機(jī)械制動器控制系統(tǒng)發(fā)電機(jī)齒輪箱風(fēng)輪葉片偏航系統(tǒng)液壓系統(tǒng)軸承塔架整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組其它舊450KW, 故障數(shù)：988新450KW, 故障數(shù)：29第17頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（6 6）德國斯圖加特人報德國斯圖加特人報 1995.3.251995.3.

13、25 在黑爾戈藍(lán)在黑爾戈藍(lán)( (德國西北部一島德國西北部一島) )的大型風(fēng)力發(fā)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能供應(yīng)島上電機(jī)，能供應(yīng)島上1/41/4電量，但去年冬天因雷擊電量，但去年冬天因雷擊損壞了風(fēng)葉，它不再發(fā)電。損壞了風(fēng)葉，它不再發(fā)電。 去年冬天，雷擊使丹麥的去年冬天，雷擊使丹麥的8 8臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)臺大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)中中6 6臺損壞。臺損壞。第18頁/共49頁直擊雷防護(hù)的要點(diǎn)直擊雷防護(hù)的要點(diǎn)接閃接閃引下引下接地接地第19頁/共49頁風(fēng)電機(jī)組接閃狀況風(fēng)電機(jī)組接閃狀況第20頁/共49頁風(fēng)電機(jī)組接閃狀況風(fēng)電機(jī)組接閃狀況第21頁/共49頁帕德博恩帕德博恩 / /德國德國 直接損失直接損失 150150萬歐元萬

14、歐元Source: GDV風(fēng)電機(jī)組接閃狀況風(fēng)電機(jī)組接閃狀況第22頁/共49頁The left picture contains a mistake!Have you found it?風(fēng)電機(jī)組接閃狀況風(fēng)電機(jī)組接閃狀況第23頁/共49頁接閃（接閃（1 1）塔架（鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋或金屬支撐體）塔架（鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋或金屬支撐體）葉片（把雷電流引導(dǎo)輪轂）葉片（把雷電流引導(dǎo)輪轂）材料（材料（GRPGRP玻璃鋼）玻璃鋼） （CRPCRP碳纖維）碳纖維）第24頁/共49頁接閃（接閃（2 2）葉片接閃的可能性最大葉片接閃的可能性最大- - 位于風(fēng)機(jī)塔制高點(diǎn)上位于風(fēng)機(jī)塔制高點(diǎn)上- - 有效高度有效高度h100

15、mh100m，上行閃擊增大，上行閃擊增大- 3- 3葉片葉片20rpm20rpm速度旋轉(zhuǎn)時，每個葉片以速度旋轉(zhuǎn)時，每個葉片以 120/s 120/s旋轉(zhuǎn)，可能多片接閃旋轉(zhuǎn)，可能多片接閃第25頁/共49頁接閃（接閃（3 3）A A型型- - 在葉片前緣外部的一個折板（副翼）用于制動。有用于才做折板的鋼在葉片前緣外部的一個折板（副翼）用于制動。有用于才做折板的鋼絲可接閃。雷擊點(diǎn)常出現(xiàn)在鋼折板的鉸板處。絲可接閃。雷擊點(diǎn)常出現(xiàn)在鋼折板的鉸板處。B B型型- - 由彈簧夾持的葉尖剎車，雷擊點(diǎn)主要發(fā)生在距葉尖點(diǎn)幾十厘米處，或由彈簧夾持的葉尖剎車，雷擊點(diǎn)主要發(fā)生在距葉尖點(diǎn)幾十厘米處，或在變漿軸最外端的的表面

16、。在變漿軸最外端的的表面。A A型和型和B B型葉片通常用于型葉片通常用于100kW100kW大的老式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大的老式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第26頁/共49頁接閃（接閃（4 4）C C型型- - 由一鋼絲控制的葉尖剎車。雷擊點(diǎn)主要發(fā)生在距葉由一鋼絲控制的葉尖剎車。雷擊點(diǎn)主要發(fā)生在距葉 片端點(diǎn)幾十厘米片端點(diǎn)幾十厘米處，或在變漿軸最外端的的表面。與處，或在變漿軸最外端的的表面。與B B型葉片對比，由于雷擊而在雷擊點(diǎn)型葉片對比，由于雷擊而在雷擊點(diǎn)和軸最外端形成的電弧會引起和軸最外端形成的電弧會引起C C型葉片的損壞更嚴(yán)重。型葉片的損壞更嚴(yán)重。 D D型型- - 葉片由非導(dǎo)體材料制成，雷擊點(diǎn)隨意分布。葉片由

17、非導(dǎo)體材料制成，雷擊點(diǎn)隨意分布。第27頁/共49頁接閃（接閃（5 5）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖17 17 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片形式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片形式第28頁/共49頁接閃（接閃（5 5）- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖1818 現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的雷電防護(hù)現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片的雷電防護(hù)第29頁/共49頁接閃（接閃（6 6）葉片葉片- - 利用可導(dǎo)電的物體利用可導(dǎo)電的物體- - 加裝接閃導(dǎo)線（可能會影響葉片的空氣動力學(xué)特性加裝接閃導(dǎo)線（可能會影響葉片的空氣動力學(xué)特性 和產(chǎn)生噪聲）和產(chǎn)生噪聲）- - 粘貼金屬箔

18、（可能剝離）粘貼金屬箔（可能剝離）- - 分段避雷帶（尚未成熟）分段避雷帶（尚未成熟）- - 葉片上接閃點(diǎn)葉片上接閃點(diǎn)第30頁/共49頁P(yáng)rotected volumeAir-termination rod接閃（接閃（7 7）第31頁/共49頁接閃與引下線的連接接閃與引下線的連接- - 在葉片根部將接閃導(dǎo)線連接至葉片法蘭或輪轂上在葉片根部將接閃導(dǎo)線連接至葉片法蘭或輪轂上- - 葉片的槳距可調(diào)時（如葉片的槳距可調(diào)時（如D D型），可用軟編織銅帶與型），可用軟編織銅帶與 過軸承搭接過軸承搭接- - 帶葉尖剎車的葉片（如帶葉尖剎車的葉片（如C C型），要采用跨接保護(hù)控型），要采用跨接保護(hù)控 制鋼絲的

19、液壓系統(tǒng)制鋼絲的液壓系統(tǒng)第32頁/共49頁- - 在葉片根部，引下線系統(tǒng)通常連接在葉片法蘭上或輪轂上。在葉片根部，引下線系統(tǒng)通常連接在葉片法蘭上或輪轂上。- - 如果葉片的漿距是可調(diào)的（如果葉片的漿距是可調(diào)的（D D型葉片），雷電流既可以從漿距軸承不型葉片），雷電流既可以從漿距軸承不 加控制的通過，也可以從過軸承的一些搭接加控制的通過，也可以從過軸承的一些搭接( (如滑套如滑套) )或柔性連接電纜或柔性連接電纜 通過。過軸承的柔性連接要與葉片的引下線的最里面的部分相連。通過。過軸承的柔性連接要與葉片的引下線的最里面的部分相連。- - 帶葉尖剎車的葉片（帶葉尖剎車的葉片（C C型葉片），控制鋼絲

20、的液壓系統(tǒng)必須進(jìn)行防護(hù)。型葉片），控制鋼絲的液壓系統(tǒng)必須進(jìn)行防護(hù)。 閃絡(luò)會從活塞桿傳到缸體而使標(biāo)準(zhǔn)液壓缸損壞。通常，液壓缸的雷電閃絡(luò)會從活塞桿傳到缸體而使標(biāo)準(zhǔn)液壓缸損壞。通常，液壓缸的雷電 防護(hù)是通過柔韌的有足夠間距的連接帶來轉(zhuǎn)移雷電流。還有一種方法防護(hù)是通過柔韌的有足夠間距的連接帶來轉(zhuǎn)移雷電流。還有一種方法 是利用滑動空氣間隙結(jié)構(gòu)。是利用滑動空氣間隙結(jié)構(gòu)。- - 一定要注意減小這種連接帶的馳度，因?yàn)檫B接帶松弛部分兩端的感應(yīng)一定要注意減小這種連接帶的馳度，因?yàn)檫B接帶松弛部分兩端的感應(yīng) 電壓降會變得很高而影響液壓缸的防護(hù)。電壓降會變得很高而影響液壓缸的防護(hù)。 葉片與輪轂的連接（葉片與輪轂的連接（

21、1）第33頁/共49頁碳刷或放電間隙碳刷或放電間隙葉片與輪轂的連接（葉片與輪轂的連接（2）第34頁/共49頁內(nèi)部的等電位連接內(nèi)部的等電位連接- - 各金屬物之間各金屬物之間直流過度電阻？直流過度電阻？，不宜大于，不宜大于0.20.2- - 軸承由于不完全的電氣連接，可能會因電位差而軸承由于不完全的電氣連接，可能會因電位差而 發(fā)生閃絡(luò)，造成凹癟。發(fā)生閃絡(luò)，造成凹癟。- - 齒輪箱內(nèi)也會發(fā)生閃絡(luò)，目前其防護(hù)方法尚在齒輪箱內(nèi)也會發(fā)生閃絡(luò)，目前其防護(hù)方法尚在 研究中。研究中。第35頁/共49頁引下線引下線金屬塔架金屬塔架金屬鋼管塔身金屬鋼管塔身均可作為雷電流的引下線均可作為雷電流的引下線第36頁/共4

22、9頁20KV / 690VinverterG.230230Generator Stnderspannung 690VGenerator Rotorspannung 690VUSV 230V230V /400VBus, Kommunikation, Signale, etcFlugbefeuerungWindfahneAnemometerKommunikation, Signale, USV-Vers., AC oder DCRBRALightning event acc. VDE 0185 acc 200kALightning event acc. IEC 61400 T24 30kAEart

23、h resistance RB & RA : 0,5 Ohm/50HzEarth resistance RB & RA: 3-8 Ohm/25kHzCable inductance: 1H/m u= L*di/dtVoltage drop: 30kA x 0,5 Ohm = 15kV 30kA x 8 Ohm = 240kV第37頁/共49頁接地裝置接地裝置- - 引自引自IEC61400-24 IEC61400-24 圖圖2828典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地排列典型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地排列第38頁/共49頁接地裝置接地裝置第39頁/共49頁接地裝置接地裝置第40頁/共49頁接地裝置接

24、地裝置- - 接地電阻值不大于接地電阻值不大于1010- - 土地電阻率很大（如土地電阻率很大（如2000 2000 .m - 3000 .m ） 的地區(qū)，可通過擴(kuò)大環(huán)形接地包圍的面積（如的地區(qū)，可通過擴(kuò)大環(huán)形接地包圍的面積（如 80m 80m2 2或等效半徑或等效半徑5m5m）的方法解決，不必一味的去）的方法解決，不必一味的去 降低地阻。降低地阻。第41頁/共49頁謝謝 謝謝Thanks第42頁/共49頁向下閃擊：向下閃擊： 起始于雷云對大地產(chǎn)生的向下先導(dǎo)的閃擊。起始于雷云對大地產(chǎn)生的向下先導(dǎo)的閃擊。由一次首次短時雷擊組成，其后可能有多次后續(xù)由一次首次短時雷擊組成，其后可能有多次后續(xù)短時雷擊。短時雷擊。向上閃擊：向上閃擊： 起始于一已接地的建起始于一已接地的建( (構(gòu)構(gòu)) )筑物對雷云產(chǎn)生的筑物對雷云產(chǎn)生的向上先導(dǎo)的閃擊向上先導(dǎo)的閃擊。由其上可能有多次后續(xù)短。由其上可能有多次后續(xù)短時雷擊及一個長時間雷擊組成。時雷擊及一個長時間雷擊組成。第43頁/共49頁第44頁/共49頁雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（雷電對風(fēng)電機(jī)組的損害（