风力发电系统通用防雷方案.doc

风力发电机电控系统防雷保护方案设计单位：南京菲尼克斯电气有限公司防雷部目录一、 菲尼克斯公司简介二、 提要三、 设计方案的原则建立现代防雷系统四、 设计方案的依据五、 风力发电系统电涌保护方案六、 电涌保护器性能参数表七、 电涌保护器的安装注意事项一、菲尼克斯电气公司简介德国PHOENIX CONTACT集团公司创建于1923年，现有职员近一万三千名，在全球81国家和地区设有分公司和办事处，年销售超过50亿德国马克。菲尼克斯的产品遍及所有的工业领域，取得了世界市场的领先地位。建立于ISO 9001和ISO 14001标准基础上的过程控制管理系统确保了产品的高质量。菲尼克斯是最早从事雷电电磁脉冲引起的瞬态浪涌吸收技术的企业之一。在总部Blomberg菲尼克斯全资拥有德国国家级EMC（电磁兼容）实验室，并且是欧洲联合试验室的核心成员，该实验室拥有的10/350S模拟雷电波测试能力，是世界范围内仅有不到10家同类试验室之一。该试验室拥有CE（欧盟安全认证） 和VDE(德国国家安全认证)双重认证资格。菲尼克斯公司是IEC TC-81(国际电工委员会-雷电防护专业委员会)的K成员（核心成员），并且多位专家成为TC81的执行委员，其中我公司的Dr.H.Altmaier多次担任TC-81的首席执委，先后有5个TC-81的WG（工作组）的组长为我公司的专家担任。菲尼克斯防雷产品主要的客户遍及通信领域，尤其是移动通信产品的供应商：如NOKIA、ERICSSON、ALCATEL、SIEMENS等。在世界范围内众多的GSM服务提供商，几乎全部采用了菲尼克斯的雷电防护产品。如：德国的D1、D2、E-PLUS和法国的SFR等等。1993年12月菲尼克斯在中国的子公司-原南京中德凤凰电气有限公司的成立，把享有世界级声誉的电连接技术连同世界级的服务体系一起带到了处于飞速发展中的中国。南京菲尼克斯电气有限公司先后被评为国家重点外商投资企业，江苏省重点外商投资企业，江苏省AAA级资信企业，南京市外商投资先进企业，南京市高新技术企业，南京市做出特殊贡献企业。现在南京菲尼克斯电气有限公司是德国菲尼克斯在海外的最大子公司。2001年中国公司总裁李慕松教授作为中德合作最成功的两家公司领导之一受到朱镕基总理和德国施罗德总理的会见，并出席参加2001年中德高科技论坛。2001年公司被定为国家级重点投资项目，德方增资1.5亿多元构建PHOENIX工业园，全面参与中国的现代化建设。中国国家建筑防雷标准起草人林维勇教授、以及信息产业部邮电设计院刘吉克先生等防雷界著名人士多次到公司访问和交流，并对公司的产品技术品质和服务水平给予高度赞赏。公司先后在包括清华大学、同济大学、南京大学等在内的七所著名院校设立奖学金和扶贫助学金，并与南京气象学院联合设立国内首个本科防雷专业，协助中国培养防雷专业人才，与南京大学等数所著名高校联合培养管理和自动化硕士研究生。2001年12月4日公司总裁李慕松教授到南京气象学院给防雷专业的8名优秀学子颁发“菲尼克斯防雷减灾奖学金”，再次受到中央电视台、报纸、网络媒体的强烈关注和连续报导。在中国公司的总部南京，我们有强大的技术支持队伍，同时在全国范围内拥有19个独资办事处和众多代理机构，确保提供最畅通的沟通渠道、最快速的技术支持、最完善的产品服务、最安全的售后保险。二、提要雷电是自然界中一种极其常见的自然现象，每个季节都可能出现，尤以夏季出现的频率最高。雷电是一种具有极强破坏力的自然现象，它能够造成建筑物倒塌、起火和人员伤亡，给人类的生产生活带来了很大的影响。当今世界，微电子技术、计算机通信网络系统、各种先进的信息系统得到了广泛的应用，而它们都工作在低电压和小电流状态下，绝缘强度低，耐过电压过电流的能力差，更易受到雷电电磁波冲击而损坏。美国研究报告AD722675指出：当雷电发生时，磁场强度达到0.07GS，计算机将发生误动作；磁场强度达到1.96GS，计算机发生假性损坏现象；磁场强度达到2.4GS，计算机发生永久性损坏。由此可见，伴随着雷电产生的雷电电磁脉冲对微电子设备的危害是非常严重的，而一个信息系统遭到雷击后所产生的间接损失和影响要远远高于雷击事故所造成的直接损失。由于风力发电设备都是安装在野外的广阔的平原地区，再加上风力发电设备高达几十米，导致其极易被雷击并直接成为雷电的接闪物。虽然风力发电设备的机舱外部已经安装了避雷针，可以起到一定的外部防护作用，但由于现在发电系统内部塔底控制柜和机舱内大量电子兼容性较弱的含有大规模集成电路的电子设备的集中应用，使得国内外的风力发电设备因雷击和过电压冲击而严重损坏的现象时有发生。这不但对风力发电设备的自身硬件造成了一定的损失，而因其损坏造的供电的不确定对国民经济造成了更大的影响。所以对风力发电设备的完善的雷电及过电压的防护就显的十分重要。以下我司就根据沈阳工大风机研究所所开发的风力发电设备的系统结构并依据国内外相应的防雷标准设计了以下的防雷及过电压保护方案。三、设计方案的原则建立现代防雷系统一）为什麽要进行雷击电磁脉冲（LEMP）的防护近些年来由雷电引发的灾害频繁发生，并呈上升的趋势，由雷害所造成的严重破坏作用和巨大的经济损失，引起了人们的忧虑和关注。虽然从世界上人类活动区域的范围内进行的有关的统计结果表明雷电现象发生的绝对值并没有多大增加，但为什么雷电引起的灾害的频度却日趋增多，而且造成的破坏程度也日趋严重呢？近些年来由于高新技术的发展，尤其是电子技术的飞速发展，推动了电子用电设备的普及和应用，其中借助计算机系统进行信息处理、数据处理、自动化控制、网络通讯、设计开发等，大大提高了人们的工作质量和效率，但随之而来的问题是，先进的电子设备包括电子计算机耐受过电压、过电流的能力相对较低，同时也缺乏必要的雷害防护技术措施，另外，在现代高新技术电子产品的生产中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术，且集成的程度越高，内部的线间距离越小，则元器件的耐压程度也就越低，受到过电压后即损坏，更经受不起雷电强烈冲击的破坏；另一方面，当今电子设备、计算机系统的网络化程度越来越高，如通讯系统、视频、信号、工业自动化控制网络、计算机网络系统等，它们的传输线路，特别是暴露在室外的长距离输送线，以及动力电源输送线路等，都有可能遭受雷击，产生雷击过电压，并侵入设备，将设备击毁。1971年美国通用研究公司RD希尔用仿真试验建立模式证明：由于雷电干扰，对无屏蔽的计算机当磁感应强度Bm=0.07GS时，计算机会误动作；当Bd=2.4GS时，计算机设备会永久性损坏。随着人类在1973年将1万个元件安置在1cm2面积上标志图1着进入信息时代，这个数值在逐渐变小。特别是电子技术从本世纪六十年代的电子管元器件发展到八十年代大型集成电路以来，元件的耐受能量已由0.110J降至108106J，因而设备损坏率骤然升高。各种设备、元件摧毁能量参见图1。图1由上图可见，尽管雷击干扰数十年变化不大，但电子设备的抗冲击水平在下降，间接导致雷击干扰灾难系数增加。下图更加形象的表达了这个意思。图2另一方面，从传统的建筑物防雷和避雷的观念和认识上也容易把人们对雷害防护的认识引向一个误区。在传统观念上人们普遍认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好建筑物的防雷措施，如安装好建筑物的防雷装置(避雷针、引下线和接地装置的总称)均压环等，建筑物内外的所有防雷工作就“万事大吉”了。但实际情况是怎样的呢？当雷击现象发生时，建筑物的外部防雷装置确实有效的抵御了雷击对建筑物结构的破坏，同时均布的避雷引下线与建筑物的均压坏也形成和起到了稀疏法拉第网笼的作用，保证了建筑物内的人员不致因跨步电压升高而导致跨步死亡。但这时建筑物的防雷装置却非但不能保护好建筑物内的各种用电设备免遭雷击，反而使其遭受雷击的可能性增大，而且建筑物的避雷装置接闪能力越强，遭雷击的侵入的可能性就越大，这是因为当雷电击中建筑物避雷装置的避雷针上或击中附近其它建筑物的避雷针时，避雷针引下线就承担起了使雷击入侵电流入地释放的作用，在雷击电流快速的由引下线导入大地时，瞬时间内在引下线上自上而下的产生了一强力的变化磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有用电器、信号、电源及它们的传输线路都因相对地切割了这个强力变化磁场的磁力线而产生出感应高压，进而在与地线的低电位之间产生电压差，从而迅速将用电设备击毁。下图中建筑物的内部会受到地电位抬升以及雷电感应的干扰。图3二）雷电流与耦合途径1、知已知彼，百战不殆。在防雷工程设计中要达到技术先进，安全可靠和经济合理首先依赖于对雷电流的科学认识。国际电工委员会（IEC）于1992年在IEC61024-1-1和1995年的IEC61312-1中相继公布了雷电波参数（表1）和典型雷电流波形（图4）。首次雷击的雷电流参量 表1雷电流参数防雷保护级别（防雷建筑物类别）（一类）（二类）-（三类）I 幅值 （kA）200150100T1 波头时间 （s）101010T2 半值时间 （s）350350350QS 电荷量 （C）库仑1007550W/R 单位能量 （MJ/）兆焦/欧105.62.5注：1）因为全部电荷量QS的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的电荷量。2）由于单位能量W/R的本质部分包括在首次雷击中，故所规定的值考虑合并了所有短时间雷击的单位能量。3）保护级别为IEC规定的防雷装置保护级别；类别为国标规定的建筑物防雷类别。I：峰值电流（幅值） T1：波头时间 T2：半值时间图4 雷电流测试波形 对那些处于旷野、或较高的建筑物，即使进户线埋地进入，但因可能直接击接闪雷击，均应按10/350s波形来考虑防护。因进户线截面、用电器级别、保护区界面决定，在低压主配电柜位置应加装通流量大、焦耳量高的符合I级测试要求（Iimp、10/350s）的开关型SPD。GB50057-94（2000）第6.4.7条有具体要求。以利于在入户处将大部分雷电流转移入地，保障后续设备安全。2、耦合途径A、电阻性耦合： 当建筑物遭到直接雷击时，引下线入地的雷电流通常在防雷装置（均压接地排）与从远处供电线路之间产生几百 KV量级的瞬态过电压，此电压值取决于接地电阻值。该情况又称地电位反击。下图左边又称直击雷，右边又称传导雷。图5 对该情况以及下述耦合方式造成雷害防护的方法就是进行均压等电位连接和加电涌保护器转移雷电流，从而限制过电压发生。当然，当上图两建筑距离较远时，图中的均压等电位连接是无法也不必连接的，这里仅为表达方便。B、电感耦合（电磁场作用）发生雷击时除了会发生电流耦合，当引下线快速泻流时，建筑物内的设备和线路处于快速变化的磁场内，会因切割磁力线而感应数千伏的过电压。这个过压是由雷电流的快速变化引起的，与雷电流的上升斜率有关。U=L*di/dt (di/dt可参见表一由I/T1得到)图6C、电容耦合（电场作用） 除以上两种耦合方式外，还有因静电场作用的电容性耦合。空间电场决定了建筑物会带与雷云相反的电荷（绝大部分为正点荷），当雷击于其他建筑接闪器时，失去电场束缚的电荷会快速向大地移动而产生过电流和过电压。这解释了为什麽不遭直击雷击的独立建筑物毁坏的另一种原因。图7 搞清楚上面的原因后，我们就可以针对雷电波入侵的路径进行系统的防护。当然，主要原理就是尽可能实施均压等电位连接。对那些有源线路加电涌保护器使之瞬态实现均压等电位，防止过电压的出现，保证设备安全。三）绝缘配合和防雷保护区在加电涌保护器之前，还必须满足下面两个规定，1、绝缘配合在低压供（配）电系统装置中的设备均应具有一定的耐受浪涌能力（耐冲击过电压能力）。当无法获得400/690V（或220/380V）三相系统各种设备的耐冲击过电压值时，可按IEC60664-1和GB50057-94（2000）的给定指标选用。见表2。表2 三相系统各种设备耐冲击过电压额定值设备的位置 三相系统电源处的设备配电线路和最后分 支线路的设备用电设备特殊需要保护的设备耐冲击过电压类别类类类类耐冲击电压额定值（kV）230/380642.51.5400/6908642.5下图也体现了绝缘配合要求与电涌保护器安装点的关系。图82、防雷保护区上面的表格和图形出自IEC61312-1（雷击电磁脉冲防护）和GB50057-94（2000版）。由图可知，在建筑物由外到内的过程中，电磁场被衰减的程度加大，直击遭雷击的风险减少；同时，进入建筑物的导线的截面也会相应变小，抗过压抗过流的等级相应降低。所以要求在不同的保护区界面上将导电体做均压等电位连接，有源导体加电涌保护器连接，同时应在LPZ0区到LPZ1区处加装通过I级（10/350us）测试的开关型电涌保护器，以在进入建筑物内开始的地方将主要的雷电流泻放入地，且满足残压要求和导线载流能力。图8 3、风力发电系统防雷分区图： 图9由图9可知，根据相应的防雷标准，我们将风力发电系统的内外部分分了多个电磁兼容性保护区。其中，在机舱、塔身和主控室内外可以分为LPZ0、LPZ1和LPZ2三个区。根据IEC61024、61312和61400和国标GB50057-1994的相关规定，在不同的保护区的交界处，必须通过SPD（防雷及电涌保护器）对有源线路（包括电源线、数据线、测控线、天馈线等）进行等电位连接。这时才可以说，保护圈内的电子设备处在较为安全的范围内。其中在LPZ0区和LPZ1区的交界处，需采用通过I类测试的B级SPD将通过电流、电感和电容耦合三种耦合方式侵入到系统内部的大能量的雷电流（10/350s波形）泄放并将残压控制4KV的范围。而对于LPZ1区与LPZ2的交界处，需采用通过II类测试的C级SPD并将残压控制在小于2.5KV的范围。在LPZ2区与LPZ3区的交界处，采用D级SPD将残压控制在小于1.5KV的范 围内。四、设计方案依据1、IEC61024 建筑物防雷2、IEC61312 雷电电磁脉冲的防护3、IEC61400-24 风力发电系统的防雷4、GERMANISCHER LIOYD-IV-1 风力发电系统 5、IEC60364-5-534 建筑物的电气设施 第五部分：电气设备的选择与安装；第534节：过电压保护器件 6、IEC61643-1 接至低压配电系统的浪涌保护器7、GB50057-1994 建筑物的防雷设计规范 五、风力发电系统电涌保护方案一） 电源系统的保护1、发电系统电源线的保护：根据以上分析的对不同电磁兼容性保护区的划分和应用SPD的原理。应在塔底的控制柜内主进线安装B+C级SPD。由于主配电采用的是TN-C制式，线电压690VAC，相电压400VAC。根据IEC60364-5-534的要求，用在其上的SPD的最大工作耐压为Uc=1.10U(U=400V)。故选用三相分别对PEN线间分别并联一只FLT PLUS CTRL-2 .5和一只VAL-MS 500的保护模式。具体用法如下图10所示。此保护模式可以达到泄放每相50KA（10/350s）雷电流的能力，并将残压限制在2.5KV。使其后端的设备处在安全的状态下。 图102、在机舱内发电机的前端安装的三个C级防雷器VAL-MS 500，它采用“3+0”的保护模式（如下图11所示），可以达到泄放每相20KA（8/20s）浪涌电流的能力，并将残压限制在2.5KV。这就可以使得当雷击发生时由电源线串入机舱内的雷电流被有效的泄放并将过压限制的发电设备允许的范围内。保证发电机的正常工作。 图113、在塔底控制柜中UPS的 单相220VAC电源输出端和机舱控制中UPS的输入端分别安装一套C级电源防雷器VAL-MS 230/1+1。可以达到泄放每相20KA（8/20s）浪涌电流的能力，并将残压限制在1.35KV。这就可以使得当雷击发生时串入的雷电流被有效的泄放并将过压限制的用电设备允许的范围内。4、在塔筒主开关柜230/400VAC电源输出端和机舱的控制柜的进线处在三L-N线之间和N-PE间安装一大套C级电源防雷器VAL-MS 230/3+1。可以达到泄放每相20KA（8/20s）浪涌电流的能力，并将残压限制在1.35KV。这就可以使得当雷击发生时串入的雷电流被有效的泄放并将过压限制的用电设备允许的范围内。5、在机舱控制柜内三相400/690V供电线路进线侧安装三只VAL-MS500防雷器。用以保护从塔底主开关柜上供来的电源线。安装图如上图11。6、在机舱内部控制柜内PLC或开关电源前分别加装一只D级电源防雷器PT 2-PE/S-230AC。用以对开关电源进行三级保护。8、对于从主控柜到整流器的1000VDC直流母线，可以在整流器输出侧和变频器输入侧关联加装由两只VAL-MS 500和一只FLT 50 N/PE组成有全保护模式进行保护。9、对于从塔筒主控柜到150VDC励磁电流线路正负极间，可在以主控柜输出端和发电机的输入端分别并联加装一只VAL-MS 230进行保护。10、由机舱控制柜输出到轮毂控制柜内的400/690V配电线路。可以在轮毂控制柜内并联加装三只VAL-MS 500进行保护。安装如图11。二）通讯信号线路的保护：1、 从塔筒到机舱控制柜内采用西门子Profibus总线系统进行控制。如两端间采用金属导线进行传输。则在线路的两端（靠近D-SUB接口处）分别安装PT 3-PB进行信号保护。安装示意图如图12。如从机舱内控制柜到塔筒主控柜中用的是光纤传输。由于光纤不导雷。所以两端不用加装防雷器。但应对光纤铠装金属层或内部加强金属芯进行接地处理。 图122、 对于经LPZ0区进入LPZ1区的通讯信号线路，必须在线路的两端终端设备处中装信号防雷器。如塔内到外界主控室的RS485通讯线路的两端分别加装一只信号保护器PT 5-HF-12DC进行保护。确保护重要信号的传输。3、 在轮毂控制柜内的Profibus信号线路D-SUB接口处加装PT 3-PB进行保护。如图12所示。三）测控信号线路的保护：1、对于从LPZ0区进入LPZ1区的测控信号线路，如在机舱外部的风向标、风速仪、加热器和环境温度传感器的线路，可采用PT 1X2-24DC（模拟量信号）和PT 2X1-24DC（开关量信号）安装在控制柜内进行保护。2、对于从主控柜到机舱控制柜间的安全链路。可在两端柜内分别加装一只PT 1X2-24DC进行保护。六、电涌保护器性能参数表一）电源产品1、FLT PLUS CTRL：雷击电涌保护器FLT PLUS CTRL- 2.5是为在低阻抗电源网中的应用设计的，其特别的性能是具有极大的消除电网后续电流的能力。因此，FLT PLUS CTRL-2.5可直接应用于低压变压器的附近。它的显著的“电流制动器”的特征使得即使具有较小标称值的保险丝由于在FLT PLUS CTRL-2.5中极小的电网后续电流也不会被熔断。其优势为应用于具有较小的电流值及其较小的输入端保险丝的设备。FLT PLUS CTRL-2.5由角型火花隙和撞击板组成，作为灭辅助在壳体中装有灭弧金属片，这些金属片将在放电过程后产生的电弧分成许多极小的分电弧。由此产生的燃烧电压可消除极大的电网后续电流。这是基本的优点。它使被保护设备的安全性和无中断的运行得到了显著的提高。FLT PLUS CTRL-2.5应用主动能量控制技术，把保护电平降低到2.5kV以下，且无须解耦器。其外型和参数如下：图132、二级电涌保护器VAL-MS 500(230)VALVETRAB MS是单相导轨安装式过电压放电器（阀门式放电器），根据不同的应用场合可分别作为粗保护和中间保护。为保护在许多电线上产生的过电压VALVETRAB可以并行地安装在一起并在接地端通过桥接件连接在一起，根据目前技术准则的要求，VALVETRAB MS中装有热敏分离装置。当太频繁的或能量极大的过电压造成的过载出现时，热敏分离装置将电网与保护元件高效率的压敏电阻分开。在插头正面的故障显示器将会提供信号。当保护元件与电网分离时，使用带有FM标记的插座元件可作远程报警。远程报警关在模块中是转换触点并可通过附带的三针MINI-COMBICON与外部连接。VALVETRAB MS由两部分组成：插头和插座。其优点是：做绝缘试验时带保护元件的插头可拔出，或当保护元件超载后无需中断供电即可更换保护元件。插头具有六种工作电压的类型，通过机械编码系统使得插头与插座工作电压相配。中级保护VALVETRAB MS的安装位置根据不同的应用分别在建筑物或工业装置的主配电或二次配电处。为实现全面的电网保护应安装雷击电涌保护器及仪器电涌保护器配合使用。其外型图及参数如下：图143、PT 2-PE/S-230ACPT 2-PE/S-230AC,它能更好的限制残压,其保护水平小于1100V,负载电流可达26A,其通流量达10KA,并且具备声光告警和遥信功能,插头可在线插拔.其外型图及参数如下：图144、PT 5-HF-12DC PT 5-HF-12DC是用以保护二线或四线RS485信号线的防雷击电涌保护器。它是由保护插头PT 5-HF-12DC ST 和基座PT2X2-BE组成。可以有效泄放高达20KA（8/20s）的浪涌电流。并可通过金属安装与导轨的卡接而可靠接地。其外型图及参数如下： 图15 5、PT 1X2-24DC PT 1X2-24DC保护未在安装地点处接地的一对模拟量信号线。分为保护插头PT 1X2-24DC ST和基座PT 1X2-BE两部分。支持热插拨。可以有效地泄放高达20KA（8/20s）的浪涌电流。并可通过金属安装脚与导轨的紧密连接而可靠接地。其外型图及参数如下： 图16 6、PT 3-PB PT 3-PB用于Profibus和现场多器的浪涌电压保护。分为保护插头PT 3-PB ST和基座PT 1X2+F-BE两部分。支持热插拨。可以有效地泄放高达20KA（8/20s）的浪涌电流。并可通过金属安装脚与导轨的紧密连接而可靠接地。其外型图及参数如下： 7、PT 2X1-24DCPT 2X1-24DC保护未在安装地点处接地的一对开关量信号线。分为保护插头PT 2X1-24DC ST和基座PT 2X1-BE两部分。支持热插拨。可以有效地泄放高达20KA（8/20s）的浪涌电流。并可通过金属安装脚与导轨的紧密连接而可靠接地。其外型图及参数如下： 七、电涌保护器安装说明1、考虑到所使用配电系统为400/690V系统，要求在系统中所使用的电源防雷器第一、二级模块间的爬电距离和电气间隙必须达到安全要求。即在安装时任两个防雷模块间一定要满足或大于17.5mm以上的距离。建议使用我司所提供两片E/UK进行间隔。如下图17所示。 - 防雷器间的安装距离最小17,5mm - FLT-PLUS.应安装在绝缘箱内， -箱内的导轨应绝缘，建议使用塑料导轨。- 防雷器应采用上进线方式进行安装。（如图例所示） 图17 2、在第一级