风电机组的外部防雷技术措施.pdf

风电机组电气控制 连接技术与雷电防护研讨会风电机组电气控制 连接技术与雷电防护研讨会 主办单位 中国可再生能源学会风能专业委 员会 支持单位 菲尼克斯电气中国公司风电机组的外部防雷技术措施风电机组的外部防雷技术措施 iec tc81 wg3 中国专家 关 象 石中国专家 关 象 石 e mail gxs 2 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 定义 1 定义 1 直接雷 直接雷 雷电直接击在大地上 建筑物上或其他物体 上 产生电效应 热效应 机械力 雷电直接击在大地上 建筑物上或其他物体 上 产生电效应 热效应 机械力 雷击电磁脉冲 雷击电磁脉冲 直击雷发生时 雷电流的电磁效应 含雷电 波侵入和空间磁场效应 俗称间接雷击或感应雷 直击雷发生时 雷电流的电磁效应 含雷电 波侵入和空间磁场效应 俗称间接雷击或感应雷 3 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 定义 2 定义 2 向下闪击 向下闪击 起始于雷云对大地产生的向下先导的闪击 由一次首次短时雷击组成 其后可能有多次后续 短时雷击 起始于雷云对大地产生的向下先导的闪击 由一次首次短时雷击组成 其后可能有多次后续 短时雷击 向上闪击 向上闪击 起始于一已接地的建 构 筑物对雷云产生的 向上先导的闪击 起始于一已接地的建 构 筑物对雷云产生的 向上先导的闪击 由其上可能有多次后续短 时雷击及一个长时间雷击组成 由其上可能有多次后续短 时雷击及一个长时间雷击组成 4 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 下行雷的可能组成部分下行雷的可能组成部分 选自iec62305 1 gb t21714 1 图a 3 选自iec62305 1 gb t21714 1 图a 3 5 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 上行雷的可能组成部分上行雷的可能组成部分 选自iec62305 1 gb t21714 1 图a 4 选自iec62305 1 gb t21714 1 图a 4 6 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 2 55 610w r 单位能量 单位能量 mj 5075100qs 电荷量 电荷量 c 350350350t2 半值时间 半值时间 s 101010t1 波头时间 波头时间 s 100150200i 幅值 幅值 ka 第三类第二类第一类 防雷建筑物类别 雷电流参数 第三类第二类第一类 防雷建筑物类别 雷电流参数 定义 3 定义 3 首次短时雷电流参量 首次短时雷电流参量 7 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 定义 4 定义 4 云地闪的形成过程 云地闪的形成过程 8 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 风电机组外部防雷相关参考标准风电机组外部防雷相关参考标准 gb 50057 建筑物防雷设计规范建筑物防雷设计规范 iec 62305 1 2006 雷电防护 第雷电防护 第1部分部分 总则总则 gb t 21714 1 2008 iec 62305 2 2006 雷电防护 第雷电防护 第2部分部分 风险管理风险管理 gb t 21714 2 2008 iec 62305 3 2006 雷电防护 第雷电防护 第3部分部分 建筑物的物理损坏建筑物的物理损坏 gb t 21714 3 2008 和生命危险和生命危险 iec 62305 4 2006 雷电防护 第雷电防护 第4部分部分 建筑物内电气建筑物内电气 gb t 21714 4 2008 和电子系统和电子系统 iec 61400 24 2002 风力发电机组 雷电防护风力发电机组 雷电防护 9 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 iec标准体系简介iec标准体系简介 在 iec tc 81 的标准 iec tc 81 雷击保护 iec 61024 建筑物防雷 系列 iec61312 防雷击电磁脉冲 lemp 系列 iec61663 通信线路防雷 系列 iec 61024 1 1990 03 建筑物防雷 第 1 部分 通则 iec 61312 1 1995 02 防 lemp 第 1 部分 通则 iec 61662 1995 04 雷击损坏危险度的评估 iec 61662 1996 05 补充评估 加入 lemp 后的危险度评估 iec 61819 ed 1 81 145 cdv 2001 模拟防雷装置 lps 各部件效应的测量参 量 iec 61663 1 1999 07 通信线路防雷 第 1 部分 光纤线路 iec 61663 2 81 164 fdis 2001 通信线路防雷 第 2 部分 金属导线 路线 iec 61312 2 ts 1999 08 防 lemp 第 2 部分 建 筑物屏蔽 内部等电位连 接及接地 iec 61312 3 ts 2000 07 iec 81 150 cd 防 lemp 第 3 部分 电 涌保护器 spd 的要求 iec 61312 4 ts 1998 09 防 lemp 第 4 部分 已 有建筑物的保护 iec 61312 5 ts 2000 81 165 cd 防 lemp 第 5 部分 应用指南 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 危险和易发生火灾 建筑物的附加要求 iec 61662 ed 2 ts 81 156 cd 2001 风险控制 风险控制的 环境和建筑物的风险评 估 iec 61024 1 ed 2 81 151 cdv 2001 防雷装置对人身的安 全保护 iec 61024 1 1 1993 08 建筑物防雷 第 1 部分 第 1 分部 分 指南 a 防雷装置 保护级别的选择 iec 61024 1 2 1998 05 建筑物防雷 第 1 部分 第 2 分部分 指南 b 防雷装置的设 计 施工 维护和检测 10 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 综合防雷系统综合防雷系统 外部防雷外部防雷 接 闪 器 接 闪 器 引 下 线 引 下 线 接 地 装 置 接 地 装 置 内部防雷内部防雷 等 电 位 连 接 等 电 位 连 接 防 闪 络 措 施 防 闪 络 措 施 电 涌 保 护 器 电 涌 保 护 器 屏蔽 法拉弟笼 屏蔽 法拉弟笼 综合防雷系统的组成综合防雷系统的组成 11 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 防雷的原理防雷的原理 利用外部防雷装置来拦截雷闪 利用引 下线把雷电流泄入地中 主要是防直击雷造 成的损害 同时为内部防雷打好基础 防雷如同防洪 其原理是为雷电流提供 一低阻抗的通道 同时采取内部防雷措施 降低或减少对电气 电子系统的损害 利用外部防雷装置来拦截雷闪 利用引 下线把雷电流泄入地中 主要是防直击雷造 成的损害 同时为内部防雷打好基础 防雷如同防洪 其原理是为雷电流提供 一低阻抗的通道 同时采取内部防雷措施 降低或减少对电气 电子系统的损害 12 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 bonding bar electric power line ring earth electrode metallic water pipe earth metallic gas pipe spd 17 17 50 17 4 3 iec 61643 1 annex a informative consideration for spds when class i tests are to be applied 雷电流的分配原则雷电流的分配原则 13 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 1 雷电对风电机组的损害 1 引自iec61400 24 表4 雷击损毁事件的发生频度 引自iec61400 24 表4 雷击损毁事件的发生频度 5 88614871784281992 1998 瑞典瑞典 3 98512200069828391990 1998 丹麦丹麦 8 0738920435214981991 1998 德国德国 每年每 百台风 力发电 机组故 障数 雷电 故障 每年风 力发电 机组数 发电 能力 每年每 百台风 力发电 机组故 障数 雷电 故障 每年风 力发电 机组数 发电 能力 mw 数据库 中风力 发电机 组数 时间国家 数据库 中风力 发电机 组数 时间国家 14 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 2 雷电对风电机组的损害 2 引自iec61400 24 表5 雷击损毁风力发电机组的地区效应 德国 引自iec61400 24 表5 雷击损毁风力发电机组的地区效应 德国 间接雷击意味着损毁不是因雷电直接击中风力发电机组而引起 间接雷击意味着损毁不是因雷电直接击中风力发电机组而引起 70 6 29 1 8 073992043521498总数总数 69 3 30 3 14 0277197386363低山低山 76 5 23 4 7 4239321388519北部 低地 北部 低地 65 9 33 6 5 62234018178616沿海 间接 雷击 沿海 间接 雷击 直接 雷击 直接 雷击 每年每百台 风力发电机 组故障数 雷电 故障 每年风 力发电 机组数 发电 能力 每年每百台 风力发电机 组故障数 雷电 故障 每年风 力发电 机组数 发电 能力mw 数据库中 风力发电 机组数 设置 位置 数据库中 风力发电 机组数 设置 位置 15 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 3 雷电对风电机组的损害 3 引自iec61400 24 图7 各部件的故障 德国 引自iec61400 24 图7 各部件的故障 德国 16 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 4 雷电对风电机组的损害 4 引自iec61400 24 图8 各部件的故障 丹麦 引自iec61400 24 图8 各部件的故障 丹麦 17 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 5 雷电对风电机组的损害 5 引自iec61400 24 图9 各部件的故障 德国 引自iec61400 24 图9 各部件的故障 德国 iec 1855 02 电气系统 控制系统 机械制动器 故障率 40 30 20 10 0 发电机 齿轮箱 风轮叶片 偏航系统 液压系统 传感器 传动系统 轮毂 结构部件 旧 450kw 故障数 909 新 450kw 故障数 123 18 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 6 雷电对风电机组的损害 6 引自iec61400 24 图10 各部件的故障 德国 引自iec61400 24 图10 各部件的故障 德国 iec 1855 02 整个风力发电机组 故障率 60 40 20 0 电气系统 机械制动器 控制系统 发电机 齿轮箱 风轮叶片 偏航系统 液压系统 轴承 塔架 其它 旧 450kw 故障数 988 新 450kw 故障数 29 19 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 雷电对风电机组的损害 6 雷电对风电机组的损害 6 德国斯图加特人报 1995 3 25 在黑尔戈蓝 德国西北部一岛 的大型风力发 电机 能供应岛上1 4电量 但去年冬天因雷击 损坏了风叶 它不再发电 去年冬天 雷击使丹麦的8台大型风力发电机 中6台损坏 德国斯图加特人报 1995 3 25 在黑尔戈蓝 德国西北部一岛 的大型风力发 电机 能供应岛上1 4电量 但去年冬天因雷击 损坏了风叶 它不再发电 去年冬天 雷击使丹麦的8台大型风力发电机 中6台损坏 20 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 直击雷防护的要点直击雷防护的要点 接闪 引下 接地 接闪 引下 接地 21 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 c wagenerc wagener protected volume 风电机组接闪状况风电机组接闪状况 22 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 风电机组接闪状况风电机组接闪状况 23 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 帕德博恩 德国 直接损失 150万欧元 帕德博恩 德国 直接损失 150万欧元 source gdv 风电机组接闪状况风电机组接闪状况 24 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 the left picture contains a mistake have you found it 风电机组接闪状况风电机组接闪状况 25 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 1 塔架 钢筋混凝土内钢筋或金属支撑体 叶片 把雷电流引导轮毂 材料 grp 玻璃钢 crp 碳纤维 接闪 1 塔架 钢筋混凝土内钢筋或金属支撑体 叶片 把雷电流引导轮毂 材料 grp 玻璃钢 crp 碳纤维 26 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 2 叶片接闪的可能性最大 位于风机塔制高点上 有效高度h 100m 上行闪击增大 3叶片20rpm速度旋转时 每个叶片以 120 s旋转 可能多片接闪 接闪 2 叶片接闪的可能性最大 位于风机塔制高点上 有效高度h 100m 上行闪击增大 3叶片20rpm速度旋转时 每个叶片以 120 s旋转 可能多片接闪 27 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 3 接闪 3 a型 在叶片前缘外部的一个折板 副翼 用于制动 有 用于才做折板的钢丝可接闪 雷击点常出现在刚折板的 铰板出 b型 由弹簧夹持的叶尖刹车 雷击点主要发生在距叶尖 点几十厘米处 或在变浆轴最外端的的表面 a型和b型叶片通常用于100kw大的老式风力发电机组 a型 在叶片前缘外部的一个折板 副翼 用于制动 有 用于才做折板的钢丝可接闪 雷击点常出现在刚折板的 铰板出 b型 由弹簧夹持的叶尖刹车 雷击点主要发生在距叶尖 点几十厘米处 或在变浆轴最外端的的表面 a型和b型叶片通常用于100kw大的老式风力发电机组 28 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 4 接闪 4 c型 由一钢丝控制的叶尖刹车 雷击点主要发生在距叶 片端点几十厘米处 或在变浆轴最外端的的表面 与b 型叶片对比 由于雷击而在雷击点和轴最外端形成的电 弧会引起c型叶片的损坏更严重 d型 叶片由非导体材料制成 雷击点随意分布 c型 由一钢丝控制的叶尖刹车 雷击点主要发生在距叶 片端点几十厘米处 或在变浆轴最外端的的表面 与b 型叶片对比 由于雷击而在雷击点和轴最外端形成的电 弧会引起c型叶片的损坏更严重 d型 叶片由非导体材料制成 雷击点随意分布 29 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 5 接闪 5 引自iec61400 24 图17 风力发电机组叶片形式 引自iec61400 24 图17 风力发电机组叶片形式 30 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 5 接闪 5 引自iec61400 24 图18 现代大型风力发电机组叶片的雷电防护 引自iec61400 24 图18 现代大型风力发电机组叶片的雷电防护 31 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪 6 接闪 6 叶片 利用可导电的物体 加装接闪导线 可能会影响叶片的空气动力学特性 和产生噪声 粘贴金属箔 可能剥离 分段避雷带 尚未成熟 叶片上接闪点 叶片 利用可导电的物体 加装接闪导线 可能会影响叶片的空气动力学特性 和产生噪声 粘贴金属箔 可能剥离 分段避雷带 尚未成熟 叶片上接闪点 32 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 protected volume air termination rod 接闪 7 接闪 7 33 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 接闪与引下线的连接接闪与引下线的连接 在叶片根部将接闪导线连接至叶片法兰或轮毂上 叶片的桨距可调时 如d型 可用软编织铜带与 过轴承搭接 带叶尖刹车的叶片 如c型 要采用跨接保护控 制钢丝的液压系统 在叶片根部将接闪导线连接至叶片法兰或轮毂上 叶片的桨距可调时 如d型 可用软编织铜带与 过轴承搭接 带叶尖刹车的叶片 如c型 要采用跨接保护控 制钢丝的液压系统 34 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 在叶片根部 引下线系统通常连接在叶片法兰上或轮毂上 如果叶片的浆距是可调的 d型叶片 雷电流既可以从浆距轴承不 加控制的通过 也可以从过轴承的一些搭接 如滑套 或柔性连接电缆 通过 过轴承的柔性连接要与叶片的引下线的最里面的部分相连 带叶尖刹车的叶片 c型叶片 控制钢丝的液压系统必须进行防护 闪络会从活塞杆传到缸体而使标准液压缸损坏 通常 液压缸的雷电 防护是通过柔韧的有足够间距的连接带来转移雷电流 还有一种方法 是利用滑动空气间隙结构 一定要注意减小这种连接带的驰度 因为连接带松弛部分两端的感应 电压降会变得很高而影响液压缸的防护 在叶片根部 引下线系统通常连接在叶片法兰上或轮毂上 如果叶片的浆距是可调的 d型叶片 雷电流既可以从浆距轴承不 加控制的通过 也可以从过轴承的一些搭接 如滑套 或柔性连接电缆 通过 过轴承的柔性连接要与叶片的引下线的最里面的部分相连 带叶尖刹车的叶片 c型叶片 控制钢丝的液压系统必须进行防护 闪络会从活塞杆传到缸体而使标准液压缸损坏 通常 液压缸的雷电 防护是通过柔韧的有足够间距的连接带来转移雷电流 还有一种方法 是利用滑动空气间隙结构 一定要注意减小这种连接带的驰度 因为连接带松弛部分两端的感应 电压降会变得很高而影响液压缸的防护 叶片与轮毂的连接 叶片与轮毂的连接 1 35 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 碳刷或放电间隙碳刷或放电间隙 叶片与轮毂的连接 叶片与轮毂的连接 2 36 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 内部的等电位连接内部的等电位连接 各金属物之间电阻 不宜大于0 2 轴承由于不完全的电气连接 可能会因电位差而 发生闪络 造成凹瘪 各金属物之间电阻 不宜大于0 2 轴承由于不完全的电气连接 可能会因电位差而 发生闪络 造成凹瘪 齿轮箱内也会发生闪络 目前其防护方法尚在 研究中 齿轮箱内也会发生闪络 目前其防护方法尚在 研究中 37 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 引下线引下线 金属塔架 金属钢管塔身 均可作为雷电流的引下线 金属塔架 金属钢管塔身 均可作为雷电流的引下线 38 风电机组研讨会 关象石 风电机组外部防雷技术错丝毫 7月7日 20kv 690v invert