关于风力发电机组的防雷必要性和其雷电防护措施

毕业设计报告论文题目关于风力机组的防雷重要性和防雷措施所属系新能源系专业风能与动力技术学号姓名指导教师起讫日期2011122012毕业设计（论文）任务书I、毕业设计（论文）题目关于风力发电机组的防雷必要性和其雷电防护措施II、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）风力发电机的型号、规格南通市年平均雷暴日为356次/A平均土壤电阻率60MIII、毕业设计（论文）工作内容对风力发电机组进行勘测和雷电风险评估,收集资料后进行设计方案的编写IV、主要参考资料建筑物防雷设计规范GB500572010电子计算机机房设计规范GB5017493计算机机房场地安全要求GB936188雷电电磁脉冲的防护通则、IE131211995电信专用房屋设计规范YD500394民用建筑电气设计规范YGJ/T1692计算机信息系统防雷保安器CA1731998电力系统通信站防雷运行管理规程DL54894目录一、概述3二、防雷方案设计依据及防护措施6三、雷暴对风力发电机的危害7四、防雷设备的选型和应用13五、风机勘测情况16六、雷电综合防护设计20七、参考文献34八、致谢35风力发电机组的雷电防护设计方案一、概述虽然已经步入了高科技时代，但是仍然在受到能源、环境和安全这三个因素的困扰，随着通信设备的高度集成化、通信网络的系统化、通信设备管理的集成中央化，广泛使用在各类通信系统中的大量精密电子设备，其耐过电压过电流水平的下降，雷电灾害事故常常发生，已经成为我们“网络化时代、电子化时代”的一大公害。智能系统在工作时可能受到过电压的侵袭，过电压可能以电压或电流波形侵入电源系统和信号系统，并通过其电气连接线传播。施加在电子设备上浪涌过电压分为纵向过电压和横向过电压，纵向冲击主要损坏跨接在接地线与地间的元器件或绝缘介质，击穿线路和设备间起阻抗匹配作用的变压器匝间、层间或线对地绝缘等；横向冲击则同信息一样，可在线路中传输，损坏内部电路的电容、电感及耐冲击能力较差的固体元件。风能是当前技术最成熟、最具开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。中国的古训深切的告知我们“福莫大于平安”，安全是维持人们正常生活和工作的基本条件，造成不安全的因素很多，但不外乎天灾和人祸两大类。在不考虑人为因素的情况下，从古至今人类始终以积极探索的精神对自然灾害进行着顽强的抵抗，尤其是对雷电的保护。2000年是全球的“国际减轻自然灾害的十年”，由联合国国际十年减灾委员会公布的对人类造成的最严重的十大自然灾害中，雷暴由于其对人类生命、财产的巨大侵害，被列在显著地位。024681012141618197819801982198419861988199019921994过电压及雷击（直接、间接）造成的损失雷电灾害已不容忽视二、防雷方案设计依据及防护措施1、防护依据建筑物防雷设计规范GB500572010电子计算机机房设计规范GB5017493计算机机房场地安全要求GB936188雷电电磁脉冲的防护通则、IE131211995电信专用房屋设计规范YD500394民用建筑电气设计规范YGJ/T1692计算机信息系统防雷保安器CA1731998电力系统通信站防雷运行管理规程DL54894GB5005495低压配电设计规范GB5017493电子计算机机房设计规范GB3482348383电子设备雷击试验GL指导文件1V1风力发电系统TEC6140024风力发电系统防雷保护建设单位提供的资料，及设计人员现场勘察和收集的资料。2、主要防护措施在易受直击雷侵害的风机部位安装直击雷防护（接闪器、接闪带）。使其免受直击雷损害即LPZB在风机底座实施接地保护在风机底部配电箱内，安装第一级电涌保护。在风机控制内部区域，安装第二级电涌保护。在总计算机控制区域，安装第三级电涌保护。具体方案，看风机现场。三、雷电对风力发电机组的危害风力发电通常位于开阔地带，而且很高，所以整个风力发电机是暴露在直击雷的威胁下，被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150M以上，因此风机的叶片位置特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备，可以说，我们平时用到的几乎每一件电子元件和电气设备，都可以在一台风机组中找到其应用，例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构、以及相应的总线系统等。这些设备都集中在一个很小的区域内。毫无疑问，雷电电涌可以给风机组带来相当严重的损害。1、雷电危害的途径雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造成直击雷；雷电波侵入；雷电感应；过电压。直击雷雷电直接击中建筑物，雷电的不到50的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地，其中接近40的能量将通过建筑物的供电系统分流，其中5左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通建筑物的其他金属管道、缆线分流。这里的能量分配比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。直击雷波形为10/350US雷电波侵入在更大的范围内（几公里甚至几十公里），雷电击中电力或信息通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备。其中地电位反击也是传导雷中的一种雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面，导致地电压升高，并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵雷电延建筑物内部设备形成地电位反击。3图50电源系统14通信网络系统左右管道系统3雷电感应在周围1000M左右范围内（有资料为500M或1500M，距离应随着雷击大小和屏蔽措施而变化）。发生雷击时，LEMP在上述有效范围内，在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会感应雷电而对设备造成危害。过电压过电压是指对电气设备绝缘有危害的突然升高的电压，按产生原因可分为大气过电压和内部过电压两大类。大气过电压也叫雷电过电压，它分为直击雷过电压、感应雷过电压和雷电侵入波三种而内部过电压可分为操作过电压、弧光接地过电压及谐波过电压等。随着现代高科技的发展，精密仪器，通讯设备，数据网络的应用越来越广泛，因而感应雷造成的雷击事故也越来越多，除直接造成了巨大的经济损失外，因重要设备损坏使系统网络陷入瘫痪后造成间接的损失更是惊人。1、风力发电机组的雷电损害雷电危害、最容易被人捕捉到得也是危害最明显的就是直击雷直接雷击危害雷电直接击到建筑物顶部，如果没有适当的泄流途径，雷电流的能量以极高的温度、极大的热量、强力冲击波、极大的电动力对建筑物顶部的其它设施造成严重的损害。直击雷蕴含极大的能量，电压峰值可达500KV，具有极大的破坏力。如建筑物直接被雷电击中，巨大的雷电流沿引下线入地，会造成以下三种影响A、巨大的雷电流在数微秒时间内流下地，使地电位迅速抬高，造成反击事故，危害人身和设备安全。B、雷电流产生强大的电磁波，在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压。C、雷电流流经电气设备产生极高的热量，造成火灾或爆炸事故。风电场雷灾统计数据（1）丹麦、德国、瑞士等国家的雷击频率。国家期间风机数容量MW风机年雷击数雷击数/年德国199119991498352920473880丹麦1990199928396892200085139瑞士1992199942817814878658（2）地理条件对风机雷害的影响地形风机数容量（MW）风机年雷击数每百风机年雷击数直击雷非直击雷海岸616178401822356336689低地51988321323974234766低山363861973277140303693总和1498352920473980293706风力发电机组个部件的雷电损坏比率风力发电机组各部件的雷电损坏比率传感器,12轮毂,3控制系统,36电子系统,26桨叶,20其它,3传感器轮毂控制系统电子系统桨叶其它风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损坏的分析和后续的维修，会有一段时间的停工期。对于风机电场营销者来说，设备长时间停机是负担不起的。风机高昂的首次投资费用必须在有限的时间内收回，因此必须采取措施保证设备的长期稳定运行。从广泛使用的雷暴活动水平这一指标中，我们可以知道某一地区一年中对地闪击次数。在欧洲，海岸地区和较低海拔的山区每年每平方公里发生的云地闪击一般按照1次到3次来估算。平均每年的预计落雷数可以按照下列公式来计算N24X105NGXH205NG每年每平方公里的云地闪击数H为物体的高度假设每平方公里年平均云地闪击数是2，一个高75M高的物体，其雷击概率大约是每三年一次。兆瓦级风机（H150M）的落雷数可以达到每12个月一次。在设计防雷装置时，还要考虑的是当暴露在雷电直击范围内的物体高度超过60M时，除了云地闪击之外，地云的闪击也称做向上闪击，它从地面先导，伴随更大的雷击能量。地云闪击的影响对风机叶片的防雷设计和第一级防雷器的设计非常重要。根据长期观察，雷电造成的损坏中除了机械损坏之外，风机的电子控制部分也经常损坏，主要是变频器、过程控制计算机、转速表传感器、测风装置。四、防雷设备的选型和应用防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。它是一种对结构空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容环境,如图直击雷非防护区（LPZOA）本区内的各物体都可能遭到直接雷击和导走全部雷电流；本区内的电磁场强度没有衰减。本区内的各类物体完全暴露在外部防雷装置的保护范围之外，都可能遭到直接雷击；本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。LPZ0A天空、没有避雷针保护的大楼外部、面没有顶棚等覆盖物的地面等等雷电可能会直接击中的的空间。如大楼顶部避雷针保护范围之外的空间。直击雷防护区（LPZ0B）本区内的各物体不可能遭到大于所选滚球半径对应的雷电流直接雷击，但本区内的电磁场强度没有衰减。本区内的各类物体处在外部防雷装置保护范围之内，应不可能遭到大于所选滚球半径雷电流直接雷击；但本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷防护区。LPZ0B没有避雷针保护的非屏蔽大楼内部、有避雷针保护的大楼天台受保护部分、避雷线下的电缆等等雷电不易直接击中的LEMP没有衰减空间。如大楼顶部避雷针保护范围之内的空间和没有屏蔽的大楼内部或有屏蔽大楼内部的窗口附近。第一屏蔽防护区（LPZ1）本区内的各物体不可能遭到直接雷击，流经各类导体的电流比LPZ0B区进一步减小；且由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场强度也已得到了初步的衰减。LPZ1雷电不易直接击中，但LEMP因屏蔽而衰减的空间。如上述屏蔽大楼内部（不包含窗口附近）。第二屏蔽防护区（LPZ2）为进一步减小所导引的电流或电磁场而增设的后续防护区。LPZ2在LPZ1区内，再次屏蔽的空间。如上述屏蔽大楼的另外设立的屏蔽网络中心。第三屏蔽防护区（LPZ3）需要进一步减小雷击电磁脉冲，以保护敏感设备的后续防护区。LPZ3在LPZ2区内，再次屏蔽的空间。如上述屏蔽网络中心内的机器金属外壳内部，或接地的机柜内部。其雷电防护的具体器件装置按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括1）外部防雷保护系统接闪器、引下线、接地系统。2）内部防雷保护系统防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽措施。五、风机勘测情况风力发电机组多位于海岸地区和较低海拔的山区等空旷地带，土地阻值各不相同。具体考察南通如东区兆瓦级风力发电机组。南通如东风力发电机组多建筑在沿海区域、地势较平坦、风机周围无有效遮挡物，南通市年平均雷暴日为356次/A属于多雷区。平均土壤电阻率60M风机很容易受到雷电侵害。依据GB50343雷电区域分类地区雷暴日等级宜划分为少雷区、多雷区、高雷区、强雷区，应符合下列规定1少雷区年平均雷暴日在20天及以下的地区；2多雷区年平均雷暴日大于20天，不超过40天的地区；3高雷区年平均雷暴日大于40天，不超过60天的地区；4强雷区年平均雷暴日超过60天以上的地区。依据GB50343雷电防护等级分类按雷击风险评估确定雷电防护等级1按建筑物年预计雷击次数N1和建筑物入户设施年预计雷击次数N2确定N（次/年）值NN1N22建筑物电子信息系统设备，因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数NC可按下式计算NC581015/C（次/年）。3将N和NC进行比较，确定电子信息系统设备是否需要安装雷电防护装置1当NNC时，可不安装雷电防护装置；2当NNC时，应安装雷电防护装置。424按防雷装置拦截效率E的计算式EINC/N确定其雷电防护等级1当E098时定为A级；2当090E098时定为B级；3当080E090时定为C级；4当E080时定为D级。具体计算如下1防雷类别计算（应该按照整个风机组）建筑物年预计雷击次数为N1N1KNGAEK0024TD13AE次/AK为校正系数（如东风力发电机组位于临海位置、且地势空旷，故K取2（依据GB50343）NG建筑物所处地区雷击大地的年平均密度（356）AE与建筑物截收相同雷击次数的面积。H120M，L5M,W5M代入以上数据得出AE【LW2LWH200HH200H】1060016M2N10085次/A（二）雷电电磁脉冲拦截效率划分1）建筑物入户设施预计雷击次数N2NGAENG（AE1AE2）AE1电源线入户设施的截收面积AE12DSL106DS200，L500MAE102AE2信号线入户设施的截收面积AE22DSL106DS200ML500MAE202N2089次/A2）NN1N20975次/A3）NC581015/CCC1C2C3C4C5C6C1建筑物的材料结构建筑物为金属材料05建筑物为钢筋混凝土材料10建筑物为砖混结构15建筑物为砖木结构20建筑物为木结构25C2信息系统重要程度因子等电位接地及屏蔽较完善的设备25使用架空线缆的设备10集成化程度较高的低电压微电流设备30C3电子信息系统设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力一般05较弱10相当弱30C4电子信息系统设备所在雷电防护区设备在LPZ2或更高区域05设备在LPZ1区10设备在LPZ0B区内1520C5电子信息系统发生雷击事故的后果因子信息系统业务中断不会产生不良后果05信息系统业务原则上不允许中断，但中断后无严重后果10信息系统业务不允许中断，中断后会产生严重后果1520C6区域雷暴等级因子少雷区08多雷区10高雷区12强雷区14NC003次/A按建筑物年预计雷击次数N1和建筑物入户设施年预计雷击次数N2确定N（次/年）值NN1N2N0975次/A建筑物电子信息系统设备，因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数NC可按NC581015/C（次/年）NC003次/A按防雷装置拦截效率E的计算式EINC/N确定其雷电防护等级NC003次/AN0975次/A解得其结果E为09691当E098时定为A级；2当090E098时定为B级；3当080E090时定为C级；4当E080时定为D级。按GB50343计的中国航天科工集团8511研究所当090E098时定为B级防雷设施应做三级雷电保护按照建筑物电子信息系统防雷技术规范GB503432004第5417条B级雷电防护等级的建筑物电子信息系统防雷设备选型数据参数应符合下列表5417参数表5417电源线路浪涌保护器标称放电电流参数值LPZ0区与LPZ1区交界处LPZ1与LPZ2、LPZ2与LPZ3区交界处第一级标称放电电流（KA）第二级标称放电电流（KA）第三级标称放电电流（KA）第四级标称放电电流（KA）直流电源标称放电电流（KA）雷电保护分级8/20S8/20S8/20S8/20S8/20SA级8040201010B级604020C级5020D级5010直流配电系统中根据线路长度和工作电压选用标称放电电流10KA适配的SPD注SPD的外封装材料应为阻燃型材料。六、雷电综合防护设计1、外部防雷保护系统、外部防雷保护系统由接闪器、引下线和接地系统组成。它的作用是防止雷击对风力发电机组结构的损坏以及火灾危险。具体介绍1）接闪器雷击风力发电机的落雷点一般在风机的桨叶上因此、接闪器应预先布置在桨叶的预计雷击点处以接闪雷击电流。为了以可控制的方式传导雷电流入地，桨叶上的接闪器应通过金属连接带连接到中间部位，金属连接带可采取30X35MM镀锌扁钢。如下图对于机舱内的滚动轴承，为了避免雷电在通过轴承时引起焊接效应，应将其两端通过碳刷或者放电间隙桥接起来。对于位于机舱顶部的设施（如风速计）的防雷保护，采用避雷针的方式安装在机舱顶部，保护该设备不受直接雷击。2）引下线如果是金属塔，可以直接将塔架作为引下线来使用；如果是混凝土塔身，那么应采用内置引下线（镀锌圆钢810MM，或镀锌扁钢30X35MM）3）接地系统风力发电机的接地由塔基的基础接地极提供，塔基的基础接地网应与周围的操作室的基础接地极相连接构成一个网状接地体如图这就形成了一个等电位连接区，当雷击发生时就可以消除不同点的电位差。但如果土壤电阻过大活接地系统不完善就会产生电位反击由于强大的雷电流在接地电阻和引下线上产生的很高的电阻和电感电压降，使无雷击时处于低电位的接地装置或与之相连的设备接地端出现很高的电位。如果邻近的物体没有作好等电位连接，形成巨大的电位差就会发生击穿。由于这种击穿是由看来似乎是地（低）电位体引起的，故称为反击。2、内部防雷保护系统内部防雷保护系统是由所有在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施、和电涌保护。1）防雷击等电位连接防雷击等电位连接是内部防雷系统的重要组成部分。等电位连接可以有效的抑制雷电引起的电位差。在防雷击等电位连接系统内，所有导电的部件都被相互连接，以减少电位差。在设计等电位连接时，应按照标准考虑其最小连接横截面。一个完整的等电位连接网络也包括金属管道好电源、信号线路的等电位连接，这些线路应通过雷电流保护器与主接地汇流相连接等电位连接分S星形连接和M网型连接具体如图一般用M型连接视情况而定亦可以S型M型并存2）屏蔽措施屏蔽装置可以减少电磁干扰。由于风力发电机结构的特性，如果能在设计阶段就考虑到屏蔽措施，那么屏蔽装置就可以较低成本实现。机舱应该制成一个封闭的金属壳体，相关的电气和电子器件都装在开关柜，开关柜和控制柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在塔基和机舱的不同设备之间的线缆应带有外部金属屏蔽层。对于干扰的抑制，只有当线缆屏蔽的两端都连接到等电位连接带时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才是有效的。3）电涌保护除了使用屏蔽措施来抑制辐射干扰源以外，对于防雷保护区边界处的传导性干扰也需要有相应的保护措施，这样才能电气和电子设备可靠的工作。在防雷保护区域LPZOALPZO1的边界必须使用浪涌保护器（用I级浪涌保护器、开关型浪涌保护器如图）它可以导走大量的雷电流而不会损坏设备，它们可以限制接地的金属设施和电源、信号线之间的由于雷引起的高电位差，将其限制在安全范围内。雷电流保护器的最重要的特性是按照10/350S脉冲波形测试，可以承受雷击电流。对风机组来说，电源线路LPZOALPZO1边界处的防雷保护是在400/690V电源侧完成的技术参数UC255V440VIB35KA10/3501POLE100KA10/35024POLEUSP35KV12/50在防雷保护区以及后续防雷区，仅有能量较小的脉冲电流存在，这类脉冲电流是有外部的感应过电压产生，或者是从系统内部产生的电涌。对于这一类脉冲电流的保护设施叫做II级浪涌保护器如图。用8/20S脉冲电流波形进行测试。从能量协调的角度来说，浪涌保护器需要安装在I级开关型浪涌保护器下游。技术参数UC385VISN30KA8/20IMAX60KAUSP20KV如情况需要，可安装III级保护甚至IV级保护雷电电流的波形电流示意图当数据处理系统安装浪涌保护器时，与电源系统上安装的浪涌保护器不同的是浪涌保护器与测控系统的兼容性以及测控系统本身的工作特性需要特别注意。这些保护器与数据线串联连接，而且必须将干扰水平限制在被保护设备的耐受能力内。如下图信息系统通用保护器件通信系统自动化控制系统信号系统仪器及控制工程重要的安全线路YKSRE24/2S控制信号电涌保护器四、风电机组内部电气，电子设备的浪涌保护根据风机内设备的不同以及浪涌保护器安装位置的不同，将风机内设备的浪涌保护分为7个部分，以下具体介绍电涌保护器在各个不同设备中的配置。分别为1）发电机的保护2）机舱开关柜的保护3）变桨系统的保护4）塔基变频柜的保护5）塔基控制柜的保护6）变压器端的保护7）变电站具体防护实施措施1、发电机的保护发电机的保护采用I级浪涌保护器YKI35/4P产品主要技术参数冲击通容量（10/350S）50KA/线；限制电压25KV；响应时间50NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护2、机舱开关柜的保护采用21浪涌保护器YK1B60产品主要技术参数冲击通容量（10/350S）30KA/线；限制电压20KV；响应时间50NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护22浪涌保护器YK2C40/4产品主要技术参数冲击通容量（8/20S）；20KA/线；限制电压18KV；响应时间25NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护23YKSRE24V/2S系列控制线路浪涌保护器符合IEC及国际标准GB规定的入户电涌保护器要求，适用于各个信息、通信系统，标称放电电流5KA，最大放电电流10KA，额定负载电流500MA，最大传输率2MBPS。24YKRJ45/E100系列控制线路浪涌保护器符合IEC及国际标准GB规定的入户电涌保护器要求，适用于各个信息、通信系统，标称放电电流3KA，最大放电电流5KA，额定负载电流500MA，最大传输率155MHZ，限制电压15V3、变桨系统的保护31浪涌保护器YK2C40/4产品主要技术参数冲击通容量（8/20S）；20KA/线；限制电压18KV；响应时间25NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护4，塔基变频柜的保护采用I级浪涌保护器YKI35/4P产品主要技术参数冲击通容量（10/350S）50KA/线；限制电压25KV；响应时间50NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护5、塔基控制柜的保护浪涌保护器YK2C40/4产品主要技术参数冲击通容量（8/20S）；20KA/线；限制电压18KV；响应时间25NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护6、变压器端的保护采用I级浪涌保护器YKI35/4P产品主要技术参数冲击通容量（10/350S）50KA/线；限制电压25KV；响应时间50NS；无插入损耗产品技术满足GB1880202002低压配电系统的浪涌保护附有关人员安全注意和警告1）第一项、电击，适用于任何处于风力发电机内的人员及风力发电场接地地网附近的人员。虽然电击可能不致命，但它可产生危险，如致使正在爬梯的人员失手等。线缆爆炸效应的威胁仅与风力发电场的人员有关。风力发电机所使用的所有线缆的尺寸应该能够安全地承载雷击所产生的电涌电流。最后，来自叶片材料的威胁可以通过使用叶片雷电防护系统的方式来避免。2）风力发电机周边人员的第一项原则是如果风力发电电场区域预测