風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)淺析

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1、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)淺析 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)淺析 摘要：本文作者介紹了雷擊造成的電力危害，從雷電發(fā)生的機(jī)理和雷擊過程入手，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的防雷技術(shù)進(jìn)行闡述分析。 關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；設(shè)計(jì)；淺析 中圖分類號(hào)：TM315文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電廠的核心裝置，對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要的影響。發(fā)電廠在制定生產(chǎn)方案時(shí)要注重發(fā)電機(jī)組控制器的防雷設(shè)計(jì)，從內(nèi)部、外部等角度去綜合考慮防雷結(jié)構(gòu)安排，為發(fā)電機(jī)組創(chuàng)造良好的運(yùn)行環(huán)境。雷電事故的處理效率對(duì)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益、生產(chǎn)秩序、設(shè)備運(yùn)行都有著很大的影響。近年來，由于沒有對(duì)

2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷設(shè)計(jì)引起足夠重視，因雷擊導(dǎo)致的葉片損壞、機(jī)組燃燒、電控器件損壞頻繁出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界每年有1%～2%風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受到雷擊損壞，風(fēng)機(jī)內(nèi)部集中了大量敏感的電氣、電子設(shè)備，一次雷擊帶來的損壞將是非常大的，除損壞期間的發(fā)電所得外，還要負(fù)擔(dān)更換損壞部件拆裝費(fèi)用。因此，必須為風(fēng)機(jī)內(nèi)的電氣、電子設(shè)備安裝完整的防雷保護(hù)系統(tǒng)。通過安裝防雷保護(hù)裝置，設(shè)備得到了保護(hù)，維護(hù)和維修費(fèi)用降低，并且可以提高設(shè)備正常工作的時(shí)間。 1 雷擊造成的電力危害 風(fēng)力發(fā)電廠是我國(guó)發(fā)電廠的主要形式，其主要是利用自然界的風(fēng)力來實(shí)現(xiàn)電能生產(chǎn)。由于風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)行暴露在自然界中，其正常運(yùn)行時(shí)會(huì)受到自然界雷

3、擊的影響。不同程度的雷擊給設(shè)備造成的損壞程度是不一樣的，雷擊造成的電力危害主要表達(dá)在： 1.1 降低效益。從當(dāng)前電力行業(yè)的開展?fàn)顩r看，自然界雷擊問題給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來的危害表現(xiàn)在平安生產(chǎn)上，如：設(shè)備平安、人員平安等，這些都給電力企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，在設(shè)備維修上也會(huì)增加風(fēng)力發(fā)電的本錢，不利于電力企業(yè)長(zhǎng)期的電能生產(chǎn)運(yùn)行。 1.2 損壞設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受外在雷擊之后，最直接的那么是對(duì)整個(gè)設(shè)備造成強(qiáng)電流刺激。假設(shè)雷擊電流過小，那么一般只會(huì)對(duì)機(jī)組外表輕微損壞；假設(shè)雷擊電流過大，那么容易破壞發(fā)電機(jī)組內(nèi)部的線路連接情況，阻礙了機(jī)組的正常運(yùn)行而破壞電力系統(tǒng)的正常性能發(fā)揮。

4、 1.3 意外事故。平安生產(chǎn)是我國(guó)電力行業(yè)堅(jiān)持的理念準(zhǔn)那么，但由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是野外作業(yè)，在運(yùn)行期間電力人員會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行維修處理，假設(shè)受到雷電襲擊很容易造成人員意外事故。此外，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到雷擊破壞后整體性能下降，給平安生產(chǎn)也買下了隱患。 1.4 影響供電。電能是社會(huì)正常運(yùn)行不可缺少的能源之一，是現(xiàn)代社會(huì)主義可持續(xù)開展的前提條件。雷擊對(duì)發(fā)電廠造成損壞之后，電廠的電能生產(chǎn)那么會(huì)中斷一定的時(shí)間。此時(shí)會(huì)影響到電廠對(duì)城市或企業(yè)的正常供電秩序，給用電企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)城市居民的正常生活也帶來不便。 2 雷擊損壞機(jī)理 隨著人們對(duì)可再生能源利用價(jià)值認(rèn)識(shí)的提高，以及風(fēng)電機(jī)組制

5、造、控制和其它相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電在近十幾年來的開展非常迅速，截止到2021年，中國(guó)新增安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組12904臺(tái)，裝機(jī)容量18927.99MW，累計(jì)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組34485臺(tái)，裝機(jī)容量44733.29MW，超過美國(guó)，躍居世界第一。 與此同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的價(jià)值巨大，價(jià)格往往占到總工程造價(jià)的60%以上，因此風(fēng)電場(chǎng)的平安運(yùn)行問題也越來越受到人們的關(guān)注，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常位于開闊的區(qū)域，所以整個(gè)風(fēng)機(jī)是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片高

6、度到達(dá)150m以上，因此風(fēng)機(jī)的葉片局部特別容易被雷電擊中。 雷電現(xiàn)象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現(xiàn)象。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過程實(shí)際上就是帶電雷云與風(fēng)電機(jī)組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對(duì)大地的正極性放電或大地對(duì)雷云的負(fù)極性放電具有較大的電流和較高的能量。雷擊保護(hù)最關(guān)注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數(shù)。雷電參數(shù)包括峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷及電流陡度等。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊損壞的機(jī)理與這些參數(shù)密切相關(guān)。 2.1 峰值電流。當(dāng)雷電流流過被擊物時(shí)，會(huì)導(dǎo)致被擊物溫度的升高，風(fēng)電機(jī)組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應(yīng)有關(guān)。熱效應(yīng)從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關(guān)，其中

7、峰值電流起到很大的作用。當(dāng)雷電流流過被擊物時(shí)還可能產(chǎn)生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現(xiàn)電弧。電弧產(chǎn)生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關(guān)，其燃弧過程中的強(qiáng)烈高溫將對(duì)被擊物產(chǎn)生極大的破壞。這也是導(dǎo)致許多風(fēng)電機(jī)葉片損壞的主要原因。 2.2 轉(zhuǎn)移電荷。物體遭受雷擊時(shí)，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)而幅值相對(duì)較低的雷電流過程中。這些持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電流將在被擊物外表產(chǎn)生局部金屬熔化和灼蝕斑點(diǎn)。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會(huì)在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點(diǎn)，如果雷電流足夠大還可能導(dǎo)致金屬熔化。這是威脅風(fēng)電機(jī)組軸承平安的一個(gè)潛在因素，因?yàn)樵谳S承的接觸面上非

8、常容易產(chǎn)生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點(diǎn)也會(huì)加速其磨損，降低其使用壽命。 2.3 電流陡度。風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過程中經(jīng)常發(fā)生控制系統(tǒng)或電子器件的損壞，其主要原因是感應(yīng)過電壓的存在。感應(yīng)過電壓與雷電流的陡度密切相關(guān)，雷電流陡度越大，感應(yīng)電壓就越高。 3 防雷保護(hù)設(shè)計(jì) 現(xiàn)代防雷技術(shù)涉及到許多行業(yè)，其中有使用維護(hù)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)施工系統(tǒng)、設(shè)備生產(chǎn)制造系統(tǒng)、防雷裝置生產(chǎn)、檢測(cè)系統(tǒng)等。從技術(shù)角度上看也是一系統(tǒng)工程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)愈合理，系統(tǒng)的各個(gè)組成局部之間的有機(jī)結(jié)合就越合理，相互之間的作用就越協(xié)調(diào)，才能使整個(gè)系統(tǒng)在總體上到達(dá)最正確的運(yùn)行狀態(tài)。

9、 比方防雷設(shè)計(jì)首先要從被保護(hù)物所在地理、氣象環(huán)境出發(fā)，要從被保護(hù)物的重要性和復(fù)雜性以及雷擊的后果嚴(yán)重程度出發(fā)。在設(shè)計(jì)中要考慮現(xiàn)有的保護(hù)裝置的有效利用，要與供電系統(tǒng)的型式、暴露程度，所有線纜的架設(shè)，設(shè)備自身的耐壓水平，選用防雷裝置的特性及其有機(jī)配合，以及裝設(shè)后對(duì)設(shè)備的正常工作是否產(chǎn)生不允許的影響，雷擊發(fā)生后的反響和自復(fù)能力等等復(fù)雜的因素進(jìn)行綜合考慮，當(dāng)然，還應(yīng)考慮投資與效益的關(guān)系。 按照防雷保護(hù)分區(qū)的概念，一個(gè)綜合防雷系統(tǒng)包括： 3.1 外部防雷保護(hù)系統(tǒng)：接閃器、引下線、接地系統(tǒng)。 3.2 內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)：防雷擊等電位連接、電涌保護(hù)、屏蔽措施。 4 防雷接地

10、 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)是整機(jī)全部由大部件的鋼構(gòu)材料組成，如塔筒、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、軸承等，當(dāng)機(jī)組遭到直擊雷時(shí)，整機(jī)電位瞬態(tài)抬升，雷電流通過葉片變槳軸承、輪轂、主軸到偏航齒輪、塔筒、根底環(huán)向大地泄放電荷，這時(shí)作為整機(jī)參考地面積最大的塔筒上將產(chǎn)生幾千伏甚至上萬伏的瞬態(tài)電壓，如果整機(jī)中某局部的等電位工藝所采用接地線的阻抗不一致，那么有可能造成阻抗較低端因高電位還擊擊穿造成設(shè)備損壞。 從防雷觀點(diǎn)出發(fā)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組宜設(shè)一共用接地體，即避雷針與塔架共用接地系統(tǒng)。接地體的布置一般可采用根底接地體或人工環(huán)形接地體。為了防止地電位還擊，引下線與接地裝置連接時(shí)，應(yīng)連接到接地裝置的邊緣局部，形成共地不共

11、線， 機(jī)組接地電阻的大小直接影響機(jī)組在接閃后是否會(huì)造成地電位還擊的重要參數(shù)。同樣是遭雷擊，接地電阻低的機(jī)組電控系統(tǒng)沒有任何損壞；而接地電阻高的機(jī)組，大多造成電控設(shè)備的損壞。還有一些防雷公司將風(fēng)場(chǎng)接地全部聯(lián)合起來形成大地網(wǎng)，而實(shí)際情況確卻是，當(dāng)這個(gè)大地網(wǎng)上的某一機(jī)組遭雷擊后，相鄰機(jī)組由于接地電阻不同而受到地電位還擊，此類事故在很多采用多機(jī)聯(lián)合的風(fēng)場(chǎng)中非常常見。 5 結(jié)束語(yǔ) 由于雷電現(xiàn)象具有非常大的隨機(jī)性，因此不可能完全防止風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊，只能在風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和安裝過程中，采取防雷措施，使雷擊造成的損失減到最小。 參考文獻(xiàn)： 【1】 2021年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)，2021，. 【2】 張小青，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷與接地，中國(guó)電力出版社，2021. 【3】 葉啟明，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)[J].群眾用電，2021，.