風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承的雷電防護(hù)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承的雷電防護(hù)分析摘要：風(fēng)力發(fā)電在受到雷擊之后，雷電流會(huì)經(jīng)由主軸承泄散，甚至還會(huì)損害發(fā)電機(jī)以及軸承。所以，需要及時(shí)的做好主軸承的防雷保護(hù)工作，應(yīng)用EMTP軟件構(gòu)建接地體、塔筒以及軸承模型等，分析采取火花間隙的方式對(duì)于主軸承保護(hù)的效果，合理的增加滑動(dòng)接觸器，探究接地電阻以及波頭時(shí)間二者分流比的影響單一性應(yīng)用火電間隙進(jìn)行防護(hù)時(shí)，雷電流在軸承位置的幅度數(shù)值會(huì)比較高，增加滑動(dòng)接觸器之后，幾乎所有流過(guò)的雷電流都能夠進(jìn)行泄散，并且其分流比數(shù)值會(huì)隨著雷電流幅值的變大而變大，其和波頭時(shí)間會(huì)以反比的關(guān)系為主，同時(shí)風(fēng)電接地電阻也會(huì)影響到分流比，接地電阻越大，那么分流比數(shù)值就會(huì)越小。本文主要就風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸承的雷電防護(hù)進(jìn)行探究，供給良好的旁路分流路徑，切實(shí)的保護(hù)好發(fā)電機(jī)以及風(fēng)機(jī)主軸承。關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；主軸承；雷電防護(hù)引言：風(fēng)能是一類(lèi)可再生性能源，同時(shí)其具備較強(qiáng)的清潔性?xún)?yōu)勢(shì)，所以風(fēng)能受到了社會(huì)各界的關(guān)注和重視。我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的規(guī)模也在持續(xù)性的擴(kuò)展，風(fēng)電逐漸演變成了我國(guó)第三大電源，但是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)在發(fā)展的過(guò)程中會(huì)受到雷電災(zāi)害的侵?jǐn)_和威脅。我國(guó)當(dāng)前對(duì)于風(fēng)機(jī)主軸承所設(shè)定的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一性，且大多數(shù)的做法都會(huì)以其自身所具備的經(jīng)驗(yàn)為主，缺少理論依據(jù)的支撐。所以在該種情況下，一旦出現(xiàn)了風(fēng)機(jī)雷擊的事件，則會(huì)使得其設(shè)施的使用年限變得極短，甚至還會(huì)使得雷電流沒(méi)有經(jīng)由軸承持續(xù)性的傳導(dǎo)到風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)，使得風(fēng)電發(fā)電機(jī)組不能正常的運(yùn)行，所以科學(xué)合理的開(kāi)展主軸承防雷保護(hù)工作十分的關(guān)鍵。軸承防雷現(xiàn)階段，防雷保護(hù)風(fēng)機(jī)通常會(huì)在葉片上部位置增設(shè)防雷裝置或者實(shí)行機(jī)艙接閃桿接閃的處理，把雷電流由雷擊點(diǎn)的位置，安全的過(guò)渡并傳輸至塔筒點(diǎn)，之后再由幾組接地裝置設(shè)施謝泄散入地。其實(shí)際泄流的路徑主要分為兩類(lèi)，首先是從機(jī)艙接閃桿之后，由機(jī)艙罩引出下線，流經(jīng)主機(jī)架過(guò)渡至偏航軸承，最后再由塔筒流經(jīng)塔基接地裝置之內(nèi)。處于靜止?fàn)顟B(tài)下的軸承以及重載軸承可以傳導(dǎo)雷電流其所產(chǎn)生的損壞度會(huì)比較微弱，但是站在安全的立場(chǎng)上來(lái)考量，主軸承和偏航軸承需要進(jìn)行一系列的保護(hù)處理，供給與軸承保持并行狀態(tài)的低阻抗通道，同時(shí)依據(jù)沿軸傳來(lái)的雷電流進(jìn)行旁路分流的處理，這樣就可以有效的降低流過(guò)軸承的雷電流數(shù)值。在以往的工作中，會(huì)實(shí)行碳刷的形式進(jìn)行作業(yè)，摩擦接觸的過(guò)程中，會(huì)形成電弧，這就會(huì)使得其摩擦磨損程度變得更加的嚴(yán)重，同時(shí)還可以提高接觸電阻數(shù)值，減小實(shí)際的分流效應(yīng)，并且保護(hù)性能也會(huì)比較微弱。所以碳刷已經(jīng)被取代，會(huì)選擇銅質(zhì)的電刷進(jìn)行作業(yè)，銅質(zhì)電刷的耐磨性能會(huì)比較強(qiáng)，接觸電阻會(huì)處在較低的數(shù)值范疇內(nèi)，這就會(huì)對(duì)磨損的狀況進(jìn)行改善和調(diào)整。不管是電刷還是碳刷均可分組部分的雷電流，但是仍舊會(huì)有一些雷電流流經(jīng)軸承，所以要在機(jī)艙底板以及齒輪箱等位置加裝絕緣墊，提高軸承結(jié)構(gòu)的阻抗數(shù)值，防止雷電流經(jīng)過(guò)此處。與此同時(shí)，發(fā)電機(jī)以及齒輪箱位置要安裝絕緣軸器，防止阻斷雷電流由高速軸進(jìn)入到發(fā)電機(jī)內(nèi)部。仿真模型雷電流模型雷電流波形采用Heidler函數(shù)表示為：l+U/町式中：I為峰值電流；t和t分別為波頭時(shí)間和波尾時(shí)間常數(shù)；n為電流陡m12度因子，取10。雷電流波形取2.6/50口s,幅值取50kA，對(duì)應(yīng)雷電通道等值波阻抗取700Q。葉片、塔筒及接地模型考慮到雷電流在葉片和塔筒上傳播中波過(guò)程，葉片采用波阻抗模型表示，葉片波阻抗采用下式計(jì)算：

式中，l為葉片長(zhǎng)度；r為葉片等效半徑。風(fēng)機(jī)塔筒模型采用分布參數(shù)電路bb來(lái)等效，計(jì)算分布電路參數(shù)時(shí)，將塔筒等效成一個(gè)空心圓柱體，塔筒等值阻抗。式中，h為塔筒高度；P為塔筒材料的電阻率；S為塔筒截面積。t塔筒縱向電感：式中，r為塔筒等效半徑；c為塔體內(nèi)徑與外徑之比；口為真空磁導(dǎo)率；口eq 0 r為塔筒相對(duì)磁導(dǎo)率。軸承和保護(hù)電路模型相關(guān)試驗(yàn)表明：雷電流在通過(guò)主軸承時(shí)會(huì)產(chǎn)生油膜放電現(xiàn)象，主軸承呈現(xiàn)出明顯的容性特征，因此電容來(lái)表征軸承的電氣特性。式中：￡是潤(rùn)滑油介電常數(shù)；l為主軸承的長(zhǎng)度；D為軸承環(huán)軸線到滾子軸線的距離；R為滾子半徑；R為軸承環(huán)的半徑。12仿真結(jié)果3.1未安裝防雷保護(hù)系統(tǒng)舉例來(lái)說(shuō)，金風(fēng)GW77-1500kW風(fēng)機(jī)的葉片長(zhǎng)度為77米，實(shí)際葉片半徑數(shù)值為1.6米，塔架的高度為65米，塔筒半徑為2米，圖一為未安裝火花間隙時(shí)流經(jīng)軸承的雷電流波形圖，觀察圖一，沒(méi)有安裝裝軸承防雷保護(hù)系統(tǒng)，流經(jīng)軸承的雷電流幅值非常高。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，造成軸承損傷的雷電流密度的下限值大約是4kA/mm2。過(guò)高的雷電流幅值肯定會(huì)造成損傷，增加軸承磨損和減少其壽命。圖一3.2安裝防雷保護(hù)系統(tǒng)圖二為并聯(lián)安裝火花間隙之后，軸承以及火花間隙的雷電流波形，由其圖二能夠觀測(cè)到，在導(dǎo)通火化間隙之前，一些雷電流會(huì)先流過(guò)主軸承，在其達(dá)到火花間隙擊穿電壓節(jié)點(diǎn)時(shí)，大多數(shù)雷電流會(huì)流經(jīng)火花間隙，這就會(huì)減小通過(guò)軸承的電流峰值。但是實(shí)際流過(guò)軸承的峰值仍舊會(huì)超過(guò)數(shù)千安，單一性運(yùn)用火花間隙的保護(hù)處理會(huì)取得相應(yīng)的作業(yè)效果，但是這種作業(yè)方式仍舊會(huì)存在著缺陷。舉例來(lái)說(shuō)在導(dǎo)通火花間隙時(shí)，通常會(huì)采取高電壓的形式，這就會(huì)使得其處于電弧放電的狀態(tài)，實(shí)際導(dǎo)通的時(shí)間比較慢，一些電流會(huì)先流過(guò)軸承的位置。火花間隙擊穿電壓會(huì)受到大氣條件的影響，通常情況下，擊穿電壓數(shù)值約為3至4kv，若風(fēng)場(chǎng)所處的大氣環(huán)境較為惡劣，那么就會(huì)使得其增加擊穿電壓值。這一現(xiàn)象的存在，會(huì)讓火花間隙的電機(jī)出現(xiàn)腐蝕或者退化等的問(wèn)題，這些問(wèn)題的出現(xiàn)，均會(huì)減小火花間隙的防護(hù)效果，想要防止其產(chǎn)生這部分問(wèn)題，就需要增設(shè)一組滑動(dòng)接觸器。

H'^d/psin)軸朮I盤(pán)w丑mo;h：'kdi-(L|；jj([uGiH'^d/psin)軸朮I盤(pán)w丑mo;h：'kdi-(L|；jj([uGi圖二圖三為安裝火花間隙并聯(lián)滑動(dòng)接觸器之后，流經(jīng)火花間隙以及滑動(dòng)接觸器等的雷電流波形圖。就圖三能夠觀察出，安裝火花間隙的同時(shí)并聯(lián)活動(dòng)接觸器之后流過(guò)軸承的雷電流數(shù)值相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)比較小，幾乎全部的雷電留在流過(guò)滑動(dòng)接觸器以及火花間隙之后，就能夠被完全的泄散。這主要是由于雷電在導(dǎo)通火花間隙之前，通過(guò)的維護(hù)，先通過(guò)滑動(dòng)變阻器，并不是主軸承，所以大多數(shù)雷電流仍舊會(huì)流過(guò)火花間隙。1=-1■一1=-1■一.—i%;■①￡1■心50占*e.&77.?hfi5.甘海比=火她恂除1血/們胡投抽辭lilVJit2 1J5 6ifl-'l/MS圖三火花間隙和滑動(dòng)接觸器分流比圖四是火花間隙以及滑動(dòng)變阻器分流比受到波頭時(shí)間所產(chǎn)生的變化，由圖四能夠觀察出，分流比和雷電流波頭時(shí)間為反比關(guān)系，雷電流波頭時(shí)間越長(zhǎng)，那么分流比數(shù)值就會(huì)越小，并且分流比受到波頭時(shí)間變化的影響比較顯著。這主要是因?yàn)榉蛛娏鞑^時(shí)間較短，那么火花間隙兩側(cè)電壓變化率的幅度就會(huì)變大，火花間隙導(dǎo)通時(shí)延也會(huì)變得越短。圖四結(jié)語(yǔ)：綜上所述，借助ATP-EMTP軟件，探究安裝火花間隙并且增加滑動(dòng)接觸器對(duì)于風(fēng)機(jī)軸承雷電防護(hù)所起到的作用效果。一般情況下，火花間隙防護(hù)時(shí)，大多數(shù)的雷電流會(huì)經(jīng)由火花間隙去泄散，但是實(shí)際流過(guò)軸承的雷電流幅值會(huì)比較高，采取增加滑動(dòng)接方式進(jìn)行作業(yè)，流過(guò)軸承的雷電流幅值會(huì)比較小，且分流會(huì)受到風(fēng)機(jī)接地電阻的影響而產(chǎn)生變化。參考文獻(xiàn)：風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真方法研究[J].燕智敏?科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力.2020(12)海上中速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與分析[J].叢嘯桀，李丹，王曉明，俞文斌,