风电系统防雷保护

丹 1990- 2839 689 22000 851 3.9 麦 1998
瑞 1992- 428 178 1487 86
5.8
士 1998
2. 雷电危害途径机组部件损坏比例
(1)危害途径
(2) 风电机组各部件的雷电损坏比率
传感器 轮毂 12% 3%
桨叶 20%
其他 3%
电子系统 26%
控制系统 36%
机组位置
3 倍机组高度h
等值受雷面积
2. 雷击对桨叶的损坏
(1) 放电路径 叶外表面
叶内表面
叶壳体材料叠层界面
向叶尖 沿面闪 络路径
(2) 表面效应
击穿至 内置引 下导体 路径
侧击
表面光滑度 表面污染
向叶根 沿面闪 络路径
注入单位电荷时常用金 属的熔化体积当量
铝：１２mm3/C 铜： 5.4mm3/C 钢： 4.4mm3/C
1.8
二、机组直接雷击防护
(一) 桨叶防雷
接闪器
接闪器
碳纤维轴
内置引下导体
接闪器 引下线
引下线
兼作引下 导体的刹 车控制线(缆)
金属网
钢丝
引下线
接闪器 接闪器
顶端接闪器
(二) 轴承防雷与疏通电流通道
轴承
齿轮箱
绝缘联 轴器
发电机
电刷或滑块
绝缘支垫
偏航轴承
希望 的雷 电路 径
电刷或滑块
电刷与滑 块设置
风电机组防雷技术
• 雷电损坏特性 •直接雷击防护 •雷电电涌防护 • 接地设计
一. 风电机组的雷电损坏特性
(一） 风电机组雷电灾害的严重性
1. 风电场雷灾统计数据 (1) 德国
统计年 风机台数/台
1993 1058
1994 1329
1995 1475
1997 1509
1998 1490
风机年数/台·年 898 1185 1409 1504 1489
2．对信号保护器的要求指标
插入损 耗(dB)
≤0.5
电压驻 波比
≤1.3
响应时 间(ns)
≤10
平均功 率(W)
≥1.5系 统功率
特性阻 传输速 工作频 抗(Ω) 率(bps) 率
(二) 雷击破坏作用 1. 机组的雷击特性
(1) 雷击部位
dsq
易出现雷击点
▼
▼ ▼
▼
▼
▼
(2）雷击上行先导机制
上行先导
上先上行导 行先导
高结构体引雷效应
h
(3) 单台机组年雷 击率(N)估算
1：3 斜度
N Ng 9h2 106
h 机组高度，m; Ng 地面落雷密度，
1/km2 a 。
晶
ZnO
晶
晶粒
尖晶石 界
界
层
层
u
泄漏区
限压区
过载区
O 参考电压
i
(3) 暂态抑制二极管
i
i
正
正向 +
—
向
反向 —
+
区
UZ
O
反向区
u
―Uz
O
击 穿 区
Uz
u
(4) 正温度系数电阻(PTC)
１．保护原理 正温度系数电阻有一个动作温度TS，当电阻的 本体温度低于TS时，其电阻值保持在很低的数值 上，这时的电阻值称为冷电阻值。当电阻本体温 超过TS后，其阻值会迅速增大，电阻对温度的变 化率dR/dT,即温度系数为正值，因此这种电阻器 件被称为正温度系数电阻。
6. 雷电流对轴承的损坏
(1) 损坏机制
轴承 发电机 雷电流
主轴承
齿轮箱
发电机
0.8 0.6 0.8
0.8
0.8
0.1 0.05
轴承圆周
0.8 0.3
0.01
0.3 4
负载
0.03
1.8
A
2
0.01
0.3
B
0.3
0.4
4
0
1.3 1.8 1.3
C
0.5
2
0
0.01
0.8
0
0.2
D
0.07
0.07
PTC
被保 护设 备
PTC实际器件
3. 电气系统防护
(1) 机组变压器保护
高压侧
低压侧
避 雷 器
高压侧
变压器外壳
避 雷 器 低压侧
避
避
雷
雷
器
器
(2) 电力线路 (3) 交流电源系统
线路
电涌保护器
690V
220V 电涌保护器
控制单元 电涌保护器
～3×690V
完整全模保护
非完整全模保护
L1 L
M1
N
C2
M2
PE L2
C5
C1
M3
C6
(4) 直流电源保护
稳压 电路
4. 信号线路保护
1．基本保护电路
(1) 单级保护
(2) 两级保护 GDT
R
D1 D2
平衡线路两级信号保护电路
R
ＧDＴ
D1
D2
D5
D3
D6
R
D4
(3) 三级保护器
电阻或电感
输入
输出
进出电子电路、传感器、控制调节单元等线缆应 安装单级或多级信号保护器
M
di dt
di i dt t
ui
M
i t
i Im t T1
ui
M
Im T1
M1
0.2b ln
a r
Ui
b
a
M1
0.2b
ln
c s
Ui
i t
b
i t
s
a
c 2r
5. 暂态电位抬高 (1)暂态电位传递
(2) 跨步电压与接触电压
US3 1～1.4m
US1
US2
0.8m 0.8m
UC
3. 雷电流的机械效应
(1) 电磁力
i1
i2
A
B
(2) 内压力
4.电磁感应 雷云
雷云
(1)静电应
下行 先导
过电压波
+ ++++ +++++ + 线路
++++
回击 过电压波
++++线路
h
h
s
s
S 65m
Ui
25 hI S
( kV)
（2） 在导体回路中的感应电压
B u
S
u d(BS) dt
ui
低山 363 86 1973 277 14.0 30.3% 69.3%
总和 1498 352 9204 739 8.0 29.3% 70.6%
(3)德国、丹麦、瑞士等国的雷击频率
期间 风机数 容量 风机 雷击数 雷击数/
国
MW 年
年
家
德 1991- 1498 352 9204 738 8.0 国 1998
电涌保护器或避雷器 变压器
电
供
信
力
电
来自百度文库
号
线
线
线
路
路
路
逆
变 器
塔 下
电
控
柜
电涌过电压
电涌保护器 旁 路 泄 流
某一防雷区
残余电压 电 气 或 电 子 设 备
电涌保护器
横向元件
i
i2
电
纵
u向
元 件
Δu Δi1 Δi2
纵
向 u2
元 件
气 或 电 子 设 备
2. 机组电涌保护器中常用元件
(1)气体放电管
(2) 压敏电阻
雷击数/次
79
149
120
111
127
每百风机年雷击 9
13
9
7
9
数/%
(2) 地理条件影响
地形
海岸
风机数 容量 风机年 MW
616 178 4018
雷击数
223
每百风 直击雷 非直
机年雷 % 击雷
击数
%
5.6 33.6% 68.9%
低地 519 88 3213 239 7.4 23.4% 76.6%
电刷
(三)机舱防雷
舱尾避雷针
三、 机组雷电电涌过电压防护
(一) 防雷区划分
含金属层 (网)机舱壳
LPZ0A区
LPZ0Ｂ区
LPZ１区
LPZ２区
． ． ．
LPZ1 LPZ2
机舱控制柜
LPZ1
塔下电制柜
变压器室
LPZ2
LPZ1
(二) 雷电电涌过电压防护
1. 电涌保护器(SPD)设置
机舱 发电机
G
风速风向仪