兆瓦級的風力渦輪機的雷電和浪涌保護_兆瓦級_風力渦輪機

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應用設計

兆瓦級的風力渦輪機的雷電和浪涌保護

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2009/7/15 11:38:00

人類對可再生能源的索取獲取，一直都是有增無減的。獲取的途徑主要有：風力發電、太陽能/光伏發電，以及利用沼氣或地熱發電。在德國，現今約有19000個風電設備供應商，總功率近21000兆瓦，已經超出了對能源總需求的百分之三。

據德國風能研究所的預言，至2030年，在公海上將安裝約4000個風電設備。這樣，離岸風力發電場產生的額定功率約為2萬兆瓦，風電設備防雷保護的重要性由此顯而易見。

雷擊的危害

風電設施的經營者是無法承受停機所造成的損失的。與此相反，對風電設備的高額投資往往是相當巨大的。

每個風電設備都在極小空間里集中了完備的電氣、電子裝置，所有在電氣、電子工程中能夠提供的裝置，都可以在這里找到，如：開關柜，馬達和驅動器、變頻器、總線系統及其傳感器和驅動器。毋庸置疑，電涌的出現會給系統帶來相當大的損害。雷擊的風險與設備高度的平方成正比，而兆瓦級的風力渦輪機的葉片總高度達150米，因此遭受雷擊的風險極大，對該設備進行全面的防雷擊及浪涌保護是十分必要的。

雷擊頻率

某地區每年的云地閃電的數量可從知名的等雷頻線（ isokeraunic level）中得到。在歐洲，海岸地區和中等高度的山脈地區的雷擊頻率為每年每平方公里1至3個云地閃電。

此外，還應考慮防雷裝置的空間尺寸。如果物體的高度大于60米，并暴露在雷擊的風險下，那么，除了云地閃電外，還存在地云閃電，即所謂的上行先導。這就造成了實際值比上述公式計算所得理論值要大。

地云閃電的發生，起始于高空的暴露物體, 雷電流的泄放強度一般都很大，因而這對轉子槳葉的保護和雷電流保護器的設計都提出了更高的要求。

標準化保護措施

德國勞埃德 (Lloyd)準則是雷電保護概念設計的基礎。

德國保險協會（ GDV ）在其出版物 VdS 2010《風險導向的雷電和浪涌保護》中建議，風力發電設備應實施二級以上的防雷保護，以滿足保護這些設施的最低要求。

在這一科技文獻中，更主要關注是如何實施防雷保護措施，尤其是對風電設備中的電氣和電子儀器，如何采取保護措施，防止電涌的干擾。

對轉子的槳葉和旋轉部件實施保護是十分復雜的，需要分別針對不同的生產商及其特定的產品類型，進行詳細地考察。

通過在沖擊電流實驗室進行的這些試驗，可驗證所選保護措施的有效性，并有助于優化“整體保護方案” 。

圖 1 德和盛公司（ DEHN + SÖHNE）的沖擊電流實驗室 – 最大的雷電沖擊電流是200 kA, 波形為10/350μs

德和盛公司（DEHN+ SÖHNE)可以充分利用它的先進的雷電流沖擊實驗室，針對每個客戶的特殊需求，尋找最佳的解決方案。它能夠提供以下工程和測試服務：

=> 為保護電氣裝置，為客戶測試特定的預接線單元

=> 測試軸承的雷電流承載能力

=> 對引下線和轉子槳葉上的傳感器進行相關的雷電流測試

防雷分區概念

防雷分區概念是在某一界定范圍內，為了創造一個特定的抗電磁干擾的環境 (抗EMC環境)所采取的結構性的措施。特定的抗EMC環境，是通過所使用電氣設備的抗電磁干擾的能力來衡量的（圖2 ）。

圖2 風電設備的防雷分區概念

防雷分區概念作為一個保護措施，它限定了其所定義的邊界上的傳導及電磁干擾，并力求降至最低。出于這個目的，我們將被保護的物體劃分在不同的保護分區內。在劃分風電設備的防雷分區時，應充分考慮其結構上的特征。重要的是，要將從外部進入雷電保護區 LPZ 0A 區的、起直接作用的雷電參數，通過屏蔽措施以及配置相應的浪涌保護裝置，盡可能地減小，以確保風電設備中的電力和電子系統能夠無干擾地正常運行。

屏蔽措施

機艙應設計為一個自閉的金屬屏蔽。相對于外部，機艙內的電磁場應得到極大的衰減。機艙中的，以及可能存在于在操作間中的開關柜和控制柜，都應由金屬制成。與其相連接的電纜也應配備相應的外部連接和屏蔽，并具有雷電流承載能力。從抗干擾保護的角度出發，只有當屏蔽線的兩端都連接到等電位連接中，屏蔽電纜才能有效地隔離電磁干擾。屏蔽接觸必須為圓形連接端子，以避免不利的電磁干擾（EMC），不允許長的接線端子“ Pigtails ”留存于設備側。

接地系統

在任何情況下，風電設備的接地系統都應利用鐵塔的鋼筋架構。在鐵塔的塔基以及在操作間的基礎中設立基礎接地體，首要應地考慮接地體的腐蝕風險。

塔基和操作間的接地裝置（圖3 ）應通過接地網相互連接，以盡可能地獲得最大面積的接地系統。

塔基周圍多大的范圍內敷設額外的控制等電位的環形接地體，取決于在發生雷擊時，最終可能形成的跨步電壓和接觸電壓的高低，以及如何能達到保護生命的目的。