风力发电机组的防雷问题

文章编号 :10072290 X (2001) 0520015204 风力发电机组的防雷问题 林志远1 , 黄聪2 (1. 广东省风力发电有限公司 , 广东 广州 510600 ; 2. 广东省揭阳电力工业局 , 广东 揭阳 522000) 摘　要 : 运行中的风力发电机组 , 遭受雷击屡见不鲜 , 损坏设备 , 造成巨大损失 , 甚至危及人身安全。为此 , 根据国外部分防雷研究成果及雷害统计资料数据 , 说明雷电危害风力发电机组的严峻性。同时 , 列举了国际著 名风力发电机组厂家的防雷标准要求 , 从中看出当前防雷设计的差异。指出要改善风力发电机防雷性能状 况 , 必须从设计标准、制造规范、建设质量等根本环节着手 , 并应尽快建立我国风电行业 (包括风机防雷) 技 术规范。 关键词 : 风力发电机组 ; 雷击率 ; 外部雷电 ; 内部雷电 ; 过电压保护 ; 保护水平 ; 地电阻 中图分类号 : TM614 : TM862 　　　　文献标识码 : A Lightning protection of aerogenerator sets L IN Zhi2yua n1 , HU AN G Con g2 (1. Guangdong Wind Power Generation Co1 , L t d1 , Guangzhou 510600 , China ; 2 . Guangdong J ieyang Power Bureau , J ieyang , Guangdong 522000 , China) Abstract : Based on some f oreign research results on light ning p rotection and statistics of light ning f ailures , t his p aper demonst rates t he severe imp act of light ning on aerogenerat or sets . The design standards f or light ning p rotection of some in2 te rnational f amous manuf acturers of aerogenerat or sets are listed t o show t he diff erences in light ning p rotection design. It is indicated t hat t o imp rove t he light ning p rotection perf ormance of aerogenerat or sets , radical links including design stan2 dards , manuf acture codes , const ruction qualit y , etc . should be st ressed , and technical codes f or wind p ower indust ry (in2 cluding light ning p rotection f or aerogenerat or sets) in China be established as soon as p ossible . Key words : aerogenerat or set ; light ning st roke rate ; external light ning ; interior light ning ; over2voltage p rotection ; p rotec2 tion level ; eart h resistance 1 　风机的防雷特点 电闪雷鸣释放的巨大能量 , 会造成风机叶片爆 裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁⋯⋯ 111 一般雷击率 在年均 10 雷电日地区 , 建筑物高度 h 与一般 雷击率 n 的关系见 1。 表 1 　建筑物高度 h 与一般雷击率 n 的关系 h/ m 20 50 100 200 n/ (次·a - 1) 0102 011 013 1 收稿日期 : 2000207208 112 　环境风力发电特点是 : 风机分散安置在旷野 , 大型风机叶片高点 (轮毂高度加风轮半径) 达 60～70 m ,易受雷击 ; 风力发电机组的电气绝缘低 (发电机电压 690 V 、大量使用自动化控制和通信元件) 。因此 , 就防雷来说 , 其环境远比常规发电机组的环境恶劣。113 　严重性风力发电机组是风电场的贵重设备 , 价格占风电工程投资 60 %以上。若其遭受雷击 (特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击) , 除了损失修复期间应该发电所得之外 , 还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。丹麦 L M 公司资料介绍 : 1994 年 ,在雷电活动少的丹麦境内注册的运行风机 , 受到雷 　第 14 卷 第 5 期 广 东 电 力 V ol114 N o15 　 　2001 年 10 月 GUANGDONG ELECTRIC POWER Oct12001 　 害损坏超过 6 % , 修理费用估计至少1 500万克朗 (当年丹麦装机 540 M W , 平均 218 万克朗/ M W ) 。 按 L M 公司估计 , 世界每年有 1 %～2 %的转轮叶 片受到雷电袭击。叶片受雷击的损坏中 , 多数在叶 尖是容易被修补的 , 但少数情况则要更换整个叶 片。雷击风机常常引起机电系统的过电压 , 造成风 机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电 气设备损坏等事故。所以 , 雷害是威胁风机安全经 济运行的严重问题。 2 　叶片防雷研究 雷击造成叶片损坏的机理是 : 雷电释放巨大能 量 , 使叶片结构温度急剧升高 , 分解气体高温膨 胀 , 压力上升造成爆裂破坏。 美国瞬变特性研究院用人工电晕发生器 , 在全 复合材料的叶片做雷击试验 , 高电压、长电弧冲击 (315 M V , 20 kA ) 加在无防雷设置的叶片上 , 结 论是叶片必须加装防雷装置。 TAC KE 公司设计了玻璃钢防雷叶片 (图 1) , 叶 片顶端铆装一个不锈钢叶尖 , 用铜丝网贴在叶片两 面 , 将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网一方面可 将叶尖的雷电引导至大地 , 也防止雷击叶片主体。 图 1 　TACKE公司风力叶片防雷设计 丹麦 L M 公司于 1994 年获得叶片防雷的科研 项目 , 由丹麦能源部资助 , 包括丹麦研究院雷电专 家、风机生产厂、工业保险业、风电场和商业组织 在内 , 目的在于调查研究雷电导致叶片损害 , 开发 安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行一系 列的仿真测试 , 电压达 116 M V , 电流到 200 kA , 进行雷电冲击 , 验证叶片结构能力和雷电安全性。 研究表明 : 不管叶片是用木头或玻璃纤维制成 , 或 是叶片包导电体 , 雷电导致损害的范围取决于叶片 的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险 , 而且 会增加损害的次数。研究还表明 : 多数情况下被雷 击的区域在叶尖背面 (或称吸力面) 。在研究的基础 上 , L M 叶片防雷性能得到了发展 , 在叶尖装有接 闪器 (图 2) 捕捉雷电 , 再通过叶片内腔导引线使 雷电导入大地 , 约束雷电 , 保护叶片 , 设计简单和 耐用。如果接闪器或传导系统附件需要更换 , 只是 机械性的改换。 图 2 　LM 公司的防雷叶片 3 　雷害资料数据 311 　我国个别案例 1995 年 8 月 , 浙江苍南风电场 1 台 FD16 型 55 k W 风机受雷击 , 从叶尖到叶根开裂损坏报废。 我国各风场的雷害 , 没有统计资料。 312 　丹麦和德国统计的雷击数据 31211 　风机雷击率 丹麦 1 200 台、德国 1 400 台风机遭雷击数据 见表 2。 表 2 　丹麦、德国风机遭雷击数据 国家 统计值/ (台·a) 雷击事故/ 次 雷击率/ (次·台 - 1·a - 1) 德国 6 699 425 01063 丹麦 4 888 150 01031 德国雷击率比丹麦高出 1 倍。除了地点不同 , 收集时间短 (一般认为需要 15 a) , 或许有德国的风 机平均总高度 4413 m 比丹麦的 3515 m 高等因素。 31212 　雷击地区分布 德国 1992～1995 年雷击地区分布数据见表 3。 表 3 　德国 1992～1995 年雷击地区分布 地点 地区统计值/ (台·a) 雷击事故/ 次 雷击率/ (次·台 - 1·a - 1) 海岸 1 827 116 0106 低地 1 446 110 0108 高地 786 167 0121 61 广 东 电 力 第 14 卷 　 31213 　受雷击损坏部位 德国和丹麦风机受雷击损坏部位数据见表 4。 表 4 　风机受雷击损坏不同部位所占份额 % 控制系统 电气系统 叶片 发电机 40～50 15～25 15～20 5 31214 　影响利用率 德国和丹麦因风机受雷击损坏造成损失的天数 见表 5。 表 5 　风机受雷击损坏不同部位造成损失的天数 d 控制系统 电气系统 叶片 发电机 3～415 115～3 515～6 615～9 31215 　影响发电量 因风机受雷击损坏不同部位所影响的发电量 (丹麦) 见表 6。 表 6 　因风机受雷击损坏不同部位所影响的发电量 kWh 控制系统 电气系统 叶片 发电机 1 400 700 4 200 2 300 31216 　修理费用 用在修复受雷击损坏的风机上的费用 (德国) 见 表 7。 表 7 　用在修复受雷击损坏的风机上的费用 马克 控制系统 电气系统 叶片 发电机 3 000 750 34 000 8 750 31217 　德国资料记录 雷击停机后可再次顺利启动的大约占 1015 % , 说明防雷保护的作用。 31218 　统计资料分析 通过上述统计资料分析 , 可以认为 : a) 德国、丹麦统计数据说明风机遭雷击概率 高 , 估计我国多雷地区会更严重 ; b) 安装在高山的风机 , 比在低地和海边更容 易受雷击 ; c) 控制系统损坏率最高 , 是雷害薄弱环节 , 电气系统和发电机损坏概率也不低 , 说明雷电造成 的过电压必须引起重视 ; d) 叶片损坏造成损失电量最多、修理费用最 大 ; e) 德国记录雷击停机后有大约 1015 %可再次 顺利启动 , 很值得进一步研究。 4 　防雷标准及地电阻要求 现代的雷电保护 , 可分为外部雷电保护和内部 的雷电保护两部分。按照 I EC 102421 标准 , 以雷 电 5 个重要参数 , 确定保护水平分 I～ IV 级 (表 8) 。 表 8 　雷电保护水平等级 闪 电 参 数 保 护 水 平 Ⅰ Ⅱ Ⅲ～Ⅳ 电流峰值 I max/ kA 200 150 100 电荷总量 Q tot/ C 300 225 150 电荷冲量 Q imp/ C 100 75 50 特定能量 W·R - 1/ ( kJ·Ω- 1) 10 000 5 600 2 500 平均陡度/ ( kA·μs - 1) 200 150 100 如今 , 风机叶片 (如 L M 叶片) 的防雷 , 是按 照 I EC 102421 的 Ⅰ级保护水平设计 , 并通过有关 型式试验 , 所以 , 叶片避免直击雷的破坏大有改 善。当外部直击雷打到叶片 , 将雷电引导入大地也 不难。但是 , 风力发电机组在离地 40～50 m 机舱 内的设备 , 和地面控制框设备都与雷电引下系统有 某种相连 , 雷电流引起过电压 , 造成这些设备的损 坏是面广而棘手的问题。 雷电流引起过电压 , 取决引下系统和接地网。 目前 , 国际风机厂家对地电阻值的要求 (表 9) 很不 一样 : 丹麦 ( Vestas 、Micon ) 允许较大 ; 美国 ( Zond) 西班牙 ( Ma de ) 次之 ; 德国 ( N ordex、J a2 cobs ) 要求地电阻值最小。 我国尚没有风力发电机组防雷和过电压保护 (包括地电阻值)的行业标准 , 这是风机国产化和风 电场设计急需解决的问题。 71　第 5 期 林志远等 : 风力发电机组的防雷问题 表 9 　各风机厂家对地电阻值的要求 厂家 设计标准 地电阻值/Ω Vestas I EC2102421/ 2 10 Micon I EC2102421/ 2 6 N T K I EC21027421/ 2 4 Zond I EC21027421/ 2 6 Made I EC26102421 I EC260364254 4 Nordex I EC21027421/ 2 2 J acobs 德国导则 2 5 　防雷和过电压保护设计 511 　外部直击雷的保护设计 51111 　叶片 如上所述 , 包含接闪器和敷设在叶片内腔连接 到叶片根部的导引线 , 叶片的铝质根部连接到轮 毂、引至机舱主机架、一直引入大地。叶片防雷系 统的主要目标是避免雷电直击叶片本体 , 而导致叶 片本身发热膨胀、迸裂损害。 51112 　机舱 机舱主机架除了与叶片相连 , 还连接机舱顶上 避雷棒 , 见图 3。避雷棒用作保护风速计和风标免 受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。 图 3 　机舱防雷设计 51113 　塔架及引下线 专设的引下线连接机舱和塔架 , 减轻电压降 , 跨越偏航环 , 机舱和偏航刹车盘通过接地线连接 , 因此 , 雷击时将不受到伤害 , 通过引下线将雷电顺 利地引入大地。 51114 　接地网 接地网设在混凝土基础的周围 , 见图 4。接地 网包括 1 个 50 m m2 铜环导体 , 置在离基础 1 m 地 下 1 m 处 ; 每隔一定距离打入地下镀铜接地棒 , 作为铜导电环的补充 ; 铜导电环连接到塔架 2 个相 反位置 , 地面的控制器连接到连点之一。有的设计 在铜环导体与塔基中间加上两个环导体 , 使跨步电 压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域 , 地网 将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接 地系统 , 应保证雷电入地 , 为人员和动物提供最大 限度的安全 , 以及保护风机部件不受损坏。 图 4 　接地网 512 　内部防雷 (过电压)保护系统 51211 　等电位汇接 风速计和风标与避雷针一起接地等电位 ; 机舱 的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等 以合适尺寸的接地带 , 连接到机舱主框作为等电 位 ; 地面开关盘框由一个封闭金属盒 , 连接到地等 电位。 51212 　隔离 在机舱上的处理器和地面控制器通信 , 采用光 纤电缆连接 ; 对处理器和传感器 , 分开供电的直流 电源。 51213 　过电压保护设备 在发电机、开关盘、控制器模块电子组件、信 号电缆终端等 , 采用避雷器或压敏块电阻的过电压 保护。 6 　分析及结论 a) 不论从实际统计或理论分析都表明 , 雷害 是威胁风力发电机组安全生产和风场效益的严峻问 题。风力发电是新兴的行业 , 至今从防雷研究成果 看 , 风力发电机组的外部直击雷保护 , 重点是放在 改进叶片的防雷系统上 ; 而内部的防雷 ———过电压 保护则由风机厂家设计完成。此外 , 各个国际风机 厂家实际设计所依据标准和参数 (包括地网电阻)就 有很大差别。所以 , 这样形成的风机制造不能不在 (下转第 81 页) 81 广 东 电 力 第 14 卷 　 提高数据的安全性。执行管理工具中的备份 ( back2 up ) 时应注意 : a) 决定哪些文件和目录需备份。关键性的文 件、目录及域控制器 ( PD C 或 BD C) 中的登记项 ( regist ry) 必须备份。 b) 决定备份类型和备份间隔 , 以制定适当的 能确保恢复丢失数据的备份策略和恢复策略。 c) 在较低和中等安全性的网络中 , 赋予用户 备份及恢复备份的权力 ; 在较高安全性的网络中 , 只有 A dminist ra t ors 才能恢复数据。 d) 经常备份整个卷 , 以防万一出现整个硬盘 被破坏的情况 , 可以高效地在一次操作中恢复整个 卷。 e) 最好是在网络空闲的时段备份 , 提高网络 效率。 f ) 为每一次备份创建并打印备份日志 , 并将 备份日志装订成册以便查找。 g) 准备多个磁带拷贝 , 并放置在不同的严格 管理的安全地方。 h) 周期性地进行试恢复操作 , 确保文件已被 正确地备份。试恢复操作还能揭示一些用软件校验 所不能发现的硬件故障。 5 　系统策略 (syste m p olicy) 系统策略是一个规则列表 , 用系统策略编辑器 (syste m p olicy edit or) 制定 , 让系统管理员控制和 管理网络上的计算机环境 , 决定一台计算机上用户 的工作环境和可执行的操作。可以限制控制面板的 基本选项 , 定制桌面环境 , 控制网络登录和访问。 这在一定程度上也提高了网络系统的安全性。 总之 , 应充分利用计算机网络操作系统的功 能 , 制定适当的安全策略 , 为网络系统的安全、稳 定运行提供保障。 作者简介 : 赖翠君 (1967 —) , 女 , 广东新会人 , 信息管理工程师 , 工学学士 , 从事信息管理工作。 (上接第 18 页) 产品上就留下某些薄弱环节。为了改进风机的防雷 性能 , 首先要确定合理统一的防雷设计标准 , 明确 防止外部雷电和内部雷电 (过电压) 保护的制造工艺 规范 , 这是提高风力发电机组防雷性能的基础。在 我国要发展风电 , 就必须尽快建立我国风电行业 (包括风机防雷) 技术规范 , 是非常急迫和非常必要 的。 b) 地域不同的雷电活动有所差别 , 我国北方 和南方的雷电活动强度也不一样。如上所列的丹麦 和德国雷害统计资料对我国很有参考价值 , 但是 , 他们都是雷电活动少的北欧地区 , 在我国将来的规 范标准中 , 应该考虑到地域的不同、我国北方和南 方的差别等。 c) 风机的一般外部雷击路线是 : 雷击 (叶片 上) 接闪器 →(叶片内腔) 导引线 →叶片根部 →机舱 主机架 →专设 (塔架) 引下线 →接地网引入大地。但 是 , 从丹麦和德国统计受雷击损坏部位中 , 雷电直 击的叶片损坏占 15 %～20 % , 而 80 %以上是与引 下线相连的其他设备 , 受雷电引入大地过程中产生 过电压而损坏 , 就是说 , 雷电形成的过电压必须引 起充分重视。 d) 风场微观选点中 , 地质好的风机基础和低 电阻率地网点是有矛盾的 ; 而风机设备耐雷性能的 设计和要求现场地电阻值的高低也是有矛盾的。所 以 , 必须充足考虑各方面因素 , 进行技术经济的优 化。 e) 我国正在实施风机国产化 , 而国外风机防 雷和过电压设计也不是很完善。所以 , 在引进吸收 过程中 , 改进风机防雷和过电压设计是必要的。 作者简介 : 林志远 (1936 —) , 男 , 广东湛江人 , 高级工程师 , 现 任广东省电机工程学会水电风电专委会副主任委员 , 广东省风力发 电有限公司总工程师 , 研究方向是电网调度、水力发电和风力发 电。 18　第 5 期 赖翠君 : 计算机网络系统的安全策略