风电场电气系统(朱永强)第7章2_风电场防雷

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防雷与接地
§7.3.6 电气系统的防雷保护
四种雷电保护带 LPZ0A 直接雷击,完全的雷电流,无衰减的电磁场
Baidu Nhomakorabea
LPZ0B
无直接雷击,完全的雷电流,无衰减的电磁场
LPZ1
无直接雷击,减小的雷电流,衰减的电磁场
LPZ2
进一步减小的雷电流,进一步衰减的电磁场
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§7.4 集电线路的防雷与接地
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§7.3.5 风机的接地
风机接地系统应包括一个围绕风机基础的环状导体,此环 状导体埋设在距风机基础一米远的地面下一米处,采用 50mm²铜导体或直径更大些的铜导体;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接点之一。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。如果风机放置在接地电阻率高的区域,要延 伸接地网以保证接地电阻达到规范要求。若测得接地网电 阻值大于要求的值,则必须采取降阻措施,直至达到标准 要求。 可以将多台风电机组的接地网进行互连,这样就可以 通 过延伸机组的接地网可进一步降低接地电阻,使雷电流迅 速流散入大地而不产生危险的过电压。
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§7.4.1 集电线路的感应过电压 §7.4.1.1 感应过电压的特点
① 感应过电压的极性与雷电的极性正好相反。
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② 感应过电压同时存在于三相导线,相间不存在电位差, 故一般只能引起相对地闪络,而不会产生相间闪络。 ③ 感应过电压的幅值不高,一般不会超过500kV,因此,它 对110kV及以上电压等级线路的绝缘不会构成威胁,仅在 35kV及以下的线路中可能会产生一些闪络事故。
雷击档中避雷线
雷击塔顶 绕击导线
图7-9 有避雷线线路发生直击雷的三种可能情况
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§7.4.2.1 雷击杆塔塔顶时的线路耐压水平
1. “反击”的概念
当雷击杆塔时,极大部分雷电流会通过杆塔接地装置流入大地。巨大的雷电 流会在杆塔电感和杆塔接地电阻上产生很高的电位,使原来电位为零的接地 杆塔带上了高电位,此时杆塔将通过绝缘子串对导线逆向放电,造成闪络。 由于这种闪络是由接地杆塔的电位升高所引起的,故又称为“反击”。
' gd
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§7.4.2 集电线路的直击雷过电压和耐雷水平
输电线路遭受直击雷可能出现下面三种不同的情况,如图7-9所示。 ① 雷击杆塔塔顶及塔顶附近避雷线(以下简称雷击杆塔),可能会造成“反 击”,使线路绝缘子发生冲击闪络。 ② 雷击档距中央的避雷线,可能会造成导、地线之间的空气间隙发生击穿。 ③ 雷绕过避雷线而击于导线,也称绕击,通常会造成线路绝缘子串发生闪络。
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2. 避雷线与导线之间的空气气隙s上所承受的最大电压。 雷击避雷线档距中央时,雷击处避雷线和导线之间的空气 气隙电压Us与雷电流陡度a成正比,与档距长度l成正比。 为了防止空气间隙被击穿,通常采取的办法是保证避雷线 与导线之间有足够的空间距离。根据理论分析和运行经验, 我国规程规定档距中央导线、地线之间的空气距离s (m) 可按下列经验公式选取
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§7.4.1.2 感应过电压的计算
• • • • 1. 当雷击点离开线路的距离s大于65m时 (1)导线上方无避雷线 (2)导线上方挂有避雷线 2. 雷击线路杆塔时 (1)导线上方无避雷线 (2)导线上方挂有避雷线
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1. 当雷击点离开线路的距离s大于65m时 (1)导线上方无避雷线
s 0.012l 1
(7-55)
式中 l——档距长度,m; s——导线与避雷线之间的距离,m。
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§7.4.2.3 绕击导线时的线路耐压水平
1. 雷击点的电压 绕击导线时雷击点的电压
Zd Ud i (7-56) 4 考虑过电压情况下导线上会出现电晕,取Zd约为400Ω , 故有 U d 100i (7-57) 式中 i ——雷电流
1.钢制塔架
2.混凝土塔架
3.混合塔架
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§7.3.5 风机的接地
风电机组采用TN方式供电系统,可以较好的保护风机电 气系统及人员的安全。 TN系统,T:系统中有一点(一般是电源的中性点)直 接接大地,称为系统接地(System Earthing);N:用 电设备的外壳经保护接地即PE线(Protecting Earthing conductor)与系统直接接地点连接而间接接 地,称为保护接地(Protective Earthing)。 TT 系统,前一个T:系统接地是直接接大地;后一个T: 用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直接 接大地,与电源中的N线线路和系统接地点毫无关连。
集电线路上出现大气过电压主要有直击雷过电压和感应雷 过电压两种。一般直击雷过电压危害更严重。 集电线路防雷性能优劣主要用两个技术指标:耐雷水平和 雷击跳闸率来衡量。耐雷水平是指线路遭受雷击时,线路 绝缘所能耐受的不至于引起绝缘闪络的最大雷电流幅值, 单位为kA。耐雷水平愈高,线路的防雷性能愈好。雷击跳 闸率是指雷暴日数Td=40的条件下,每100km的集电线路每 年因雷击而引起的跳闸次数,它是衡量线路防雷性能的综 合指标。
§7.4.3.2 有避雷线线路雷击跳闸率n的计算
1.雷击杆塔时的跳闸率n1 每100km有避雷线的线路每年(40个雷暴日)落雷次数为
N = 0.28(b+ 4h s ) (7-62) 式中b为两根避雷线之间的距离,m;hs为避雷线的平均 对地高度,m。 若击杆率为g,则每100km线路每年雷击杆塔次数为 0.28(b+4hs)g次。若雷电流幅值大于雷击杆塔时的耐雷水 平I1的概率为P1,建弧率为η,则每100km线路每年因雷击 杆塔的跳闸次数n1为:
E Un 3l j
(7-60) 对非中性点非直接接地系统(中性点绝缘或经消弧线圈接地)
式中 Un——线路额定电压(有效值),kV; l j——绝缘子串闪络距离,m; l m——木横担线路的线间距离,m; 风电场电气系统
E
Un 2l j lm
(7-61)
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hb U U gd (1 k0 ) hd
' gd
式中
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k0——为避雷线与导线之间的几何耦合系数; hd——导线悬挂的平均高度; hb——避雷线悬挂的平均高度。
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2. 雷击线路杆塔时 (1)导线上方无避雷线
目前,规程建议对一般高度(约40m以下)无避雷线的线 路,此感应过电压最大值可用下式计算
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2. 耐压水平I2的计算 如果绕击时导线上的电压Ud超过绝缘子串的50%冲击闪络 电压U50%,则导线将发生冲击闪络。此时,绕击导线时的 线路耐压水平I2为
U 50% I2 100
(7-58)
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§7.4.3 集电线路的雷击跳闸率
雷电过电压引起集电线路直击雷跳闸需要同时满足以下两 个条件: (1) 雷电流超过线路耐雷水平,引起线路绝缘发生冲击闪 络; (2) 当极短暂的雷电波过去后,冲击闪络可能在导线上工 作电压的作用下转变成稳定的工频电弧。一旦形成稳定的 工频电弧,导线上将持续流过工频短路电流,从而造成线 路跳闸停电。
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雷击点A的电压为
Z 0 Zb i uA 2 ( Z0 ) i Zb 2 2Z 0 Zb Z0 2 Zb 2
(7-50)
Zb 。代入式 2
式中 (7-50)可得
i—雷电流。在计算中可以近似地取Z 0
Zb uA i 4
(7-51)
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2Lb Z0 utd
i
ib /2 igt ib /2
2Lb
i
(i/2)Z0
uhd
Zb
Lgt Lgt
Rch
igt
udx Zb Zgt
Lb
ib
Rch
(a) 雷击塔顶时的电位分布
(b) 雷击塔顶时的电流分布 图7-10 雷击塔顶
(c) 计算塔顶电位的等效电路
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§7.4.2.2 雷击避雷线档距中央
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§7.3.3 机舱的防雷保护
现代大多数风力机的机舱罩是用金属板制成,本身就有良 好的防雷保护作用。机舱主机架除了与叶片相连,在机舱 罩顶上后部设置一个(数目可多于一个)高于风速、风向 仪的接闪杆,保护风速计和风向仪免受雷击。
图7-8 机舱的防雷设计
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Ugd ahd
式中 α ——感应过电压系数(kV/m),其数值等于以kA/ 计的雷电流平均陡度,即 α = I / 2.6 。
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2. 雷击线路杆塔时 (2)导线上方挂有避雷线
有避雷线时,由于其屏蔽效应,应按下式计算
hb U ahd (1 k0 ) hd
1. 等值电路图及雷击点电压
雷击避雷线档距中央如图7-11(a)所示,根据彼得逊法则可画出它的的等值电 路,如图7-11(b)所示。
(½)iZ0
Z0 uA 1 Zb 2(1/2iZ0) 2 l Zb Zb A Z0
uA Zb
As
(a)线路示意图
(b)等值电路图
图7-11 雷击避雷线档距中央及其等值电路图 1——避雷线;2——导线; i ——雷电流; Z0 ——雷道波阻抗;b ——避雷线波阻抗; ——避雷 Z s 线与导线之间的空气气隙;
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制作人:朱永强, 田军
华北电力大学
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§7 风电场的防雷和接地
7.1 雷电的产生机理、危害及防护
7.2 接地的原理、意义及措施 7.3 大型风力机的防雷保护 7.4 集电线路的防雷与接地 7.5 升压变电站的防雷与接地
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§7.3 大型风力机的防雷保护 §7.3.1 风机防雷保护的必要性
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§7.4.3.1 建弧率
建弧率是指冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率,用η(%)来表示。 根据试验运行经验,建弧率η(%)可用下式表示
4.5E0.75 14(%) (7-59) 式中 E——绝缘子串的平均运行电压梯度,kV(有效值)/m。 对中性点直接接地系统
导线上的感应电压最大值 (kV)为
U gd
式中
I hd 25 s
s——雷击点与线路的垂直距离,m; hd——导线悬挂的平均高度,m; I——雷电流幅值,kA。
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1. 当雷击点离开线路的距离s大于65m时 (2)导线上方挂有避雷线
当雷电击于挂有避雷线的导线附近大地时,则由于避雷线 的屏蔽效应,导线上的感应电荷就会减少,从而降低了导 线上的感应过电压。导线上的感应过电压最大值(kV)为
§7.3.4 塔架的防雷保护
•钢制部件之间的过渡段,采用并行路径方式设置三个 彼此相间120°的间隙作为雷电路径 •连接处不允许雷击沿紧固的螺栓进行传导 •塔基处在三个彼此相间120°的位置上接到公共结点上 •雷电通过塔架内的铜电缆在三个彼此相间120°的位置 上被散流 •塔基处连接到与接地环和电极相连的电压公共结点上 •不允许雷击电流沿钢拉线进行传导 •钢制连接适配法兰与钢制区法兰在附有不锈钢盘的法兰 面上选择三个彼此相间120°的位置用螺栓固定 •钢制适配器依次接于三个彼此相间120°的接地电缆, 后者接于塔基的公共结点
对于风力机而言,直接雷击保护主要是针对叶片、机舱、 塔架防雷,而间接雷击保护主要是指过电压保护和等电位 连接。 电气系统防雷则主要是间接雷击保护。
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§7.3.2 叶片的防雷保护
位置最高是雷电袭击的首要目标
叶片防雷重要性
叶片是风力发电机组中最昂贵的部件
叶片防雷
雷击造成叶片损坏
雷电击中叶尖后释放大量能量,雷电 流使叶尖结构内部温度急骤升高,造 成叶尖结构爆裂破坏甚至开裂; 雷击造成的巨大声波,对叶片结构造 成冲击破坏
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§7.3.2.1 叶片防雷系统
叶片防雷系统连于叶片根部的金属环处,包括雷电接闪器 和引下线(雷电传导部分),如图7-7所示。
图7-7 叶片防雷系统示意图
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