风电机组的击机理与防技术

*	*		鼎诚
类型		产品别名	压路机
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电力科学研究院赵海翔王晓蓉摘要：随着风电机组单机容和风电场规模的增大，风电场的安全运行问题日益受到重视。在影响风电场安全运行的诸多因素中，遭受击是一个重要方面。本文结合风电机组防的研究成果，对风电机组的击过程、击损坏机理以及防措施进行了较全面的阐述。关键词：风电机组；击；保护1、引言随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电在近十几年来的发展非常迅速，到2001年底全的风电总装机容已超过24GW[1]。与此同时，风电机组的单机容和风电场的总装机容也不断增长，因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注。影响风电场安全运行的因素很多，其中遭受击是一个非常重要的方面。随着单机容的增大，风电机组的塔筒越来越高，再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或山地，因此风电机组遭受击的概率也较大。以德国风电场遭受击的情况为例。德国风电部门对近年来该国风电机组的故障情况进行了统计，其中1992~1999年间风电机组击事故情况如表1所示[2]。由表可见，多年以来德国风电场每100风机年的击数本维持在10%左右。另外，调查结果还表明，在所有引发风电机组故障的因素中，外部因素（如风暴、结、击以及电网故障等）占16%以上，其中击事故约占4%。表1德国风电机组击事故统计（1992-199年）由于电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风电机组遭受击，只能在风电机组的设计、制造和安装过程中，采取防措施，使击造成的损失减到小。本文从电发生的机理和击过程入手，对风电机组的防技术进行了阐述分析。2、击损坏机理电现象是带异性电荷的云间或是带电荷云与大地间的放电现象。风电机组遭受击的过程实际上是带电云与风电机组间的放电。在所有击放电形式中，云对大地的正极性放电或大地对云的负极性放电具有较大的电流和较高弟[3,4]。击保护关注的是每击放电的电流波形和电参数。电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受击损坏的机理与这些参数密切相关。（1）峰值电流当电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与击放电所包含弟有关，其中峰值电流起到很大的作用。当电流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与电流波形的积分有关，其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。（2）转移电荷物体遭受击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在电流路径上一旦形成电弧会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果电流足够大还可能导致金属熔化[5]。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，降低其使用寿命。（3）电流陡度风电机组遭受击的过程中经常发生控制系统或电子器件的损坏，其主要原因是感应过电压的存在。感应过电压与电流的陡度密切相关，电流陡度越大，感应电压越高。3、风电机组击频率和击位置为了实施有效的击保护，需要事先对击频率和击位置进行预测，从而使击保护更有对性。通常用击高层建筑的频度估算方法来估计击风电机组的频度[3]。对于高度低于60m的建筑物，其击频度为Nd-Ng×Ae×10-6（2）式中Ng为年平均落密度，表示在所考虑的建筑物所在区域内每年每平方公里的击次数；Ae为建筑物的等效面积，m2。某建筑物的等效面积是指与该建筑物遭受直击的频率相同的地表面积，其等值半径为建筑物高度的3倍。以一个50m高的建筑物为例，假定该建筑物位于一相对平整的地面上且远离其它建筑物，则其等效面积为Ae=πr2=π（50×3）2=70650m2（3）对于叶尖带防保护的风电机组，在计算Ae时其高度应为大叶尖位置与地面之间的距离。对于叶尖没有保护的情况，其有效高度介于该值与机舱到地面距离之间的值。以上计算方法于低于60m的风电机组。对于高于60m的风电机组，按式(2)计算得到的结果则偏低。估计云对大地放电的可能击点的位置，可以应用“滚球法”的简化方法。尽管击放电具有很大的分散性，“滚球法”得到的结果可能与实际情况存在一定的误差[6]，但该方法还是普遍应用于接地建筑物的防设计。IEC标准给出了对应于特定防护水平的滚球半径的大小[7]。将此方法应用于风电机组，则可以推知叶片的大部分、轮毂、机舱的尾部以及部分塔筒均可能成为击放电点[3]。图1给出了几种典型的击风电机组时可能的放电位置示意图[3]。发生云对大地放电时，电很容易击中叶尖，但也有可能击中叶片的侧面或叶片的绝缘部分甚至内部导体。大地对云的放电是从顶端开始形成的，非常强烈地表现在叶尖和其它外部突出的点，如机舱上的避、机舱前端和轮毂等部位。如果叶片具有叶尖防保护，则向上发展的击放电也将集中在叶尖上。由此可见，风电机组遭受击时，其击点可能分布在机组的许多部位。4、风电机组的防4.1风电机组机械部件的防4.1.1叶片防风电机组的叶片中，有的叶片并没有设置内部导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增强塑料（GRP）结构或GRP?木结构。运行经验表明，这种类型的叶片经常遭受击，并且通常是灾难性的[3]。为此，应在物理结构上采取防措施[8,9]，以减小叶片遭受击时的损伤。（1）无叶尖阻尼器的叶片防结构（图2）对于无叶尖阻尼器的叶片，一般是在叶尖部分的玻璃纤维外表面预置金属化物作为接闪器，并与埋置于叶片内的铜导体相连（铜导体与叶根处的金属法兰连接）。外表面金属化物可以采用网状或箔状结构。击可能会对这样的表面造成局部熔化或灼蚀损伤，但不会影响叶片的强度或结构。（2）有叶尖阻尼器的叶片防结构（图3）对于有叶尖阻尼器的叶片，通常是在叶尖部分的玻璃纤维中预置金属导体作为接闪器，通过由碳纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器的钢丝（启动钢丝与轮毂共地）相连接。这样的结构通过了200kA的冲击电流实验，叶片没有任何损伤[9]。可以预见，这样的叶片遭受击的概率要比绝缘材料制成的叶片高，但只要满足下列条件不会造成很大损伤：①击点处的电弧灼不产生严重的破坏；②电流可以安全地通过导电构件导入地下。这要求导电构件需要有足够的强度和横截面积。4.1.2轴承保护一般情况下，击叶片时产生的大部分电流都将通过低速主轴承导入塔筒。这比电流沿着主轴流向风电机组的发电机要好得多。通过轴承传导的强大电流通常会在轴承接触面上造成灼蚀斑点，但由于轴承的尺寸较大使得电流密度较小，所以击损伤还不至于对风电机组运行造成影响，但能够引起噪声、振动和增大机械摩擦等，从而导致缩短轴承的使用寿命[3,5]。有些轴承具有绝缘垫层，电流通过滑环导入塔筒[5]。这种措施可降低轴承所受损伤的程度，但要消除轴承的潜在问题还是非常困难的，主要原因是与轴承平行的滑环往往只能承载小部分电流，而大部分电流的流通还需轴承来完成。对偏航轴承也应有类似措施。一般来说，偏航轴承的周边为电流提供了一个良好的导电通道。如果出于设计的原因偏航轴承不能导电时，则必须为其建立电流通路[3]。4.1.3机舱防[3,5,7,8]如果叶片采取了防保护措施，也相当于实现了对机舱的直击防护。虽然如此，也需要在机舱尾部设立避，并与机架紧密连接。如果叶片没有防保护，则应在机舱的首尾端同时装设避。对由非导电材料制成的机舱中的控制等敏感的线路部分都应有效屏蔽，屏蔽层两端都应与设备外壳连接，而且还要避免形成环路。另外，在机舱表面应布置金属带或金属网，且与机架相连接，为工作人员提供安全保护和一定程度的电屏蔽。装设这种带状保护和附加防护，以及位于机舱前部的避等，在绝缘叶片的情况下是非常必要的。如果机舱是金属制成的，则将机舱与低速轴承和发电机机座相连接，可以实现很好的安全保护和电屏蔽。提供电气连接的导体应尽短。4.2风电机组电气部件的防4.2.1暂态过电压及线路保护对风电机组控制系统造成破坏的暂态过电压，可能是由直击或非直击引起的。发生在线、通讯线和电力线附近的击过程，将在这些线路上产生暂态过电压，其幅值可能达到几十千伏。如果一台风电机组遭到击，传输到另一台风电机组的暂态过电压的大小与该风电机组的接地状况有关，即使采取了良好的改善措施，其暂态过电压还有可能达到这一数级[10]，因此建议布置在塔间的线采用光纤并连接到实际的控制中心[3]。通信线在进入建筑物处应设置气体放电管加以保护，并通过一低阻抗接地线接地。沿电力线注入的暂态过电压会对线路造成破坏，因此需要使用电涌保护器加以保护。4.2.2电流的直接注入及其防治电击中电气元件即电流直接注入线路的情况是一种非常严重的击现象，将会产生相当大的破坏作用。因此要避免电直接击中系统中的传感器件和接线。实现这种保护是比较容易的，用合适的布线方式以及避等均可起到一定的保护作用，像气象仪之类的器件应该用避保护。实际上，风电机组机舱尾部的避兼作风速、风向仪的支撑杆，这样的布置方式对风速、风向仪的保护是比较有效的。这些仪器的线路应该沿着金属构件布置并且加以屏蔽。4.2.3磁力线耦合及抑制击过程将产生快速变化的磁场，在位于机舱内或沿着塔筒的线路中将产生数值较高的过电压，其值可达几十伏甚至几千伏[3]。这样的过电压会损伤电气设备和发电机。这些损伤可能是潜在性的，但在未来的运行过程中可能会引发大的故障。减少感应电压的一般方法有：（1）使线路或控制线路尽可能短，并尽可能靠近承载电流的构件；（2）通过设置多个平行的电流通路使各通路的电流水平达到小，并尽可能将线路靠近电流密度较小的导体。（3）敏感的线路应布置在两端固定的线槽中，如发电机和齿轮箱等部件的线路都应这样处理。总之，要达到大的防护效果，线路应该尽可能靠近金属构件布置。由于电流具有趋肤效应，所以金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果。在导线屏蔽且屏蔽层两端与金属构件固定安装的情况下，屏蔽层内部的导线所面对的是一个减小了的电压。对电缆采取这种方法屏蔽，其大感应电压可以大为降低。4.2.3电气设备的防保护一般情况下，实现远端输入、输出功能的器件都需要进行过电压保护，且防护等级与装置的位置有关。在风电机组中，可能产生感应过电压的区域是：①机舱内部和穿过偏航轴承的地方；②连接到控制室和配电室的电缆中。位于这些区域任何一端的电气控制设备，都要装设电涌保护器件。对于风电机组控制器中的各电压等级的电源变压器、通信线路，通常可采用金属氧化物压敏电阻以防止过电压；而风电机控制器中的24V直流电源、I/O模块，则采用瞬变电压抑制元件以防止过电压[8,9]。发电机以及其它设备上的传感器通常是与其外包装电气隔离的，只要感应电压不足以破坏其绝缘性能，没有必要装设避器。风电场中使用的电力电缆与变压器相连，而变压器的工作电压相对较高，因此这部分的保护要容易实现一些。在此处安装的保护器件不必在太低的电压下工作，而应能在远低于发电机和变压器绝缘损坏电压时动作。此外，只要铠装两端都接地，电缆铠装起到对电缆的屏蔽作用[3]。4.3风电机组的接地良好的接地是保击过程中风电机组安全的必备条件。由于风电场通常会布置在山地且范围非常大，而山地的土壤电阻率一般较高，因此按照一般电气设备的接地方式设计风电机组的接地系统显然不能满足其安全要求。风电机组础周围事先都要布置一小型的接地网，它由1个金属圆环和若干垂直接地棒组成，但这样的接地网很难满足接地电阻须小于1~2W的要求[9,11]。通常的改善措施是将风电场内所有的机组接地网都连接起来，以降低整个风电场的接地电阻。由于风电场机组间都布置有电力电缆和通信电缆，因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现[11]。另外，还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受击时可显著降低风电场的地电位升高[10]，也可减轻击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。5、结束语击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的因素。进行风电机组防技术的研究是风电研究领域中不可或缺的组成部分，它对保风电场的安全运行具有重要的意义。本文对风电机组的击过程、击损坏机理以及防技术进行了较全面的阐述。在风电机组的防设计中，应根据不同的击损坏机理，对叶片、机舱、轴承等机械部件以及、控制线路等采取不同的防措施。避免叶片等部位直接遭受击、选择适当的导体结构、合理设计电流路径、降低内部燃弧的可能性以及降低控制和线路中的感应电压等措施是达到一定防效果的有效途径。另外，合理的接地布置也是风电机组防设计的重要组成部分，也应予以足够的重视。[1]Globalwindenergymarketreport[DB/OL]．2002，3．．[2]Windturbineoperation：causeorfailure[DB/OL]．．[3]Expertgroupstudyonrecommendedpracticeorwindturbinetextingandevaluation：lightningprotectionforwindturbineinstallations[DB/OL]．．[4]马宏达（MaHongda）．各种避的结构及其防性能（Differentstructureoflightningrodanditslightingprotectioncharacteristics）[J]．电网技术（PowerSystemTechnology），2000，24(12)：53-57．[5]SoerensenT，BraskMH．Lightningprotectionofwindturbines[A]．ContributionromtheDepartmentofWindEnergyandAtmosphericPhysicstoEWEC’99inNICE[C]，France，March1999：229-232．[6]许颖（XuYing）．变电所防保护的几个问题浅见（Someaspectsrelatedtolightningprotectionofsubstations）[J]．电网技术（PowerSystemTechnology），2000，24(4)：12-25．[7]IEC1024-1，1990-03：Lightningprotectionofstructures．Part1：Generalprinciples[R]．[8]Vestas风电集团（VestasTotalLightningProtection）．风电场与防保护（Windfarmandlightningprotection）[J]．风力发电（WindPower），2000，(1)：35-40．[9]张华（ZhangHua）．大型风力机的防保护（Lightningprotectionoflarge-scalewindturbines）[J]．风力发电（WindPower），2002，(1)：11-13．[10]HatziargyriouNM，LorentzouMI，CottonI．Tranerredovervoltagesbywindfarmgroundingsystems[A]，The8thInternationalConferenceonHarmonicandQualityofPower，ICHQP’98[C]，JointlyOrganizedbyIEEE/PESandNTUA，Athens，Greece，October14-16，1998：342-347．[11]HatziargyriouN，LorentzouM，CottonI．Windfarmearthing[A]．1997theInstitutionofElectricalEngineers，PrintedandPublishedbytheIEE[C]，SavoyPlace，LondonWC2R0BL，UK：1-6．[12]董杏丽，葛耀中，董新洲（DongXingli，GeYaozhong，DongXinzhou）．行波保护中电问题的对策（Fffectoflightningonprotectionbasedontravellingwaves）[J]．电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），2002，22(9)：74-78．