风力涡轮机的雷击和电涌保护

1、风力涡轮机的雷击和电涌保护获得再生能源的趋势一直都是有增无减。获取的途径主要有：风力发电、太阳能/光伏发电，以及利用沼气或地热发电。在全球范围内，无论是对能源企业，还是对供应商或从事电力贸易者来廉江，这个市场的潜力都是十分巨大的。在德国，现今约有19000个风电设备供应商，总功率近21000兆瓦，已经超出了对能源总需求的百分之三。对未来的预测，也呈现十分积极态势。据德国风能研究所的预言，至2030年，在公海上将安装约4000个风电设备。这样，离岸风力发电场产生的额定功率约为2万兆瓦，风电设备的重要性由此显而易见。另外，展望电力市场的增长率，提供可靠的能源也是一个重要方面。雷击的危害风电设施的经

2、营者是无法承受停机所造成的损失的。与此相反，对风电设备的高额投资却必须在几年之内分期偿还。每个风电设备都在极小空间里集中了完备的电气、电子装置，所有在电气、电子工程中经常用到的装置都可以在这里找到；开关柜、马达和驱动器、变频器、总线系统和其传感器和驱动器。毋庸置疑的是，电涌的出现会给系统带来相当大的损害。雷击的风险与设备高度的平方成正比，而兆瓦级的风力涡轮机的叶片总高度达150米，因此遭受雷击的风险极大，对该设备进行全面的雷击及电涌保护是十分必要的。雷击频率某地区每年的云地闪电的数量可从知名的等雷频线（isokeraunic level）中得到。在欧洲，海岸地区和中等高度的山脉地区的雷击频率为

3、：每年每平方公里1至3个云地闪电。此外，还应考虑防雷装置的空间尺寸。如果物体的高度大于60米，并暴露在雷击的风险下，那么除了去地闪电外，还存在地云闪电，即所谓的上行先导。这就造成了实际值比上述公式计算所得理论值要大。地云闪电的发生，起始于高空的暴露物体，雷电流的泄放强度一般都很大，因而这对转子桨叶的保护和雷电流保护器的设计都提出了更高的要求。标准化德国劳埃德（Lloyd）准则是雷电保护概念设计的基础。德国保险协会（GDV）在其出版物VdS 2010的“风险导向的雷击和电涌保护”中建议，风力发电设备应实施二级以上的防雷保护，以满足保护这些设施的最低要求。保护措施在这一科技文献中，更主要关注的是如

4、何实施防雷保护措施，尤其是对风电设备中的电气和电子仪器采取怎么样的保护措施防止电涌的干扰。对转子的桨叶和旋转部件实施保护是十分复杂的，需要分别针对不同的生产商及其特定的产品类型进行详细地考察。DEHN+SÖHNE可以充分利用它先进的雷电流冲击实验室，针对每个客户的特殊需求，寻找最佳的解决方案。它能够提供以下工程和测试服务：（图1） 为保护电气装置，为客户测试特定的预接线单元 测试轴承的雷电流承载能力 对引下线和转子桨叶上的传感器进行相关的雷电流测试通过在冲击电流实验室进行的这些试验，可验证所选保护措施的有效性，并有助于优化“整体保护方案”。德和盛公司(D

5、EHN+SÖHNE)的冲击电流实验室-最大的雷电冲击电流是200kA，波形为10/350s防雷分区概念防雷分区概念是在某一界定范围内，为了创造一个特定的抗电磁干扰的环境（抗EMC环境），所采取的结构性的措施。（图2）特定的抗EMC环境，是通过所使用的电气设备的抗电磁干扰的能力来衡量。图2 风电设备的防雷分区概念防雷分区概念作为一个保护措施，它限定了其所定义的边界上的传导及电磁干扰，并力求降至最代。出于这个目的，我们将被保护的物体划分在不同的保护分区内。在划分风电设备的防雷分区时，应充分考虑其结构上的特征。重要的是，要将从外部进入雷电保护区LPZ 0A区的起直接作用的雷电通过屏蔽以及配

6、置相应的电涌保护装置措施来尽可能将其隔离和泄放，以确保风电设备中的电力和电子系统能够干扰地正常运行。屏蔽措施机舱应设计为一个封闭的金属屏蔽体。在机舱内，相对于外部它的电磁场应得到极大的衰减。机舱中的，以及可能存在于在操作间中的开关柜和控制柜，都应由金属制成。与其相连接的电缆也应配备相应的外部连接和屏蔽，并具有雷电流承载能力。从抗干扰的解度出发，只有当屏蔽线的两端都连接到等电位连接中，屏蔽电缆才能有效地隔离电磁干扰。屏蔽接地线必须就近接到连接端子上，以避免过长的“辫形导线”造成不利的电磁干扰（EMC）。接地系统在任何情况下，风电设备的接地系统都应利用铁塔的钢筋架构。在铁塔的塔基以及在操作间地基的

7、接地体，首先应考虑其腐蚀风险。塔基和操作间的接地装置（图3）应通过接地网相互连接，以尽可能地获得最大面积的接地系统。图3 风电设备的接地网在塔基周围需要敷设多大的额外形接地体，取决于在发生雷击时，最终可能形成的跨步电压和接触电压的大小以及如何能达到保护生命的目的。在防雷分区LPZ 0A至LPZ 1或更高分区的边界处，对进入LPZ 0A区的线缆应采取保护措施。为了电气和电子仪器的安全运行，在防雷保护分区（LPZ）的边界处，除了应屏蔽与场强相关的干扰源外，还应防止与电缆相关的干扰源。在防雷分区的LPZ 0A至LPZ 1边界处（通常也称为等电位连接界面）必须使用具备传导雷电流能力的保护装置。这些保护

8、装置为雷电流保护器（I级SPD），其测试电流波形为10/350s。在防雷保护分区的LPZ 0B至LPZ 1及更高分区的边界处，要控制来自外部的感应电压引起的较低能量的冲击电流和系统自身产生的电涌。这些保护装置被称为电涌保护器（II级SPD），其测试电流的波形为8/20s。应根据电气和电子系统的工作参数选择相应的电涌保护器。用于供电系统的电涌保护器，在雷电流泄放后，必须能够安全地遮断工频续流。这是继冲击电流承载能力后，第二个重要的设计参数。图4展示的是带有密封式火花间隙的雷电流保护器DEHNbloc Maxi。图4 雷电协调的雷电流保护器的应用，DEHNbloc Maxi用于400/690V的T

9、NC系统雷电流保护器的安装可不考虑最小距离，即使在设备部件带电的情况下，它们也可以被保护的设备中。例如：电涌保护器DEHNbloc可安装在风电设备的低压线路中。电涌保护器应能承受当发生电感耦合和开关操作时出现的负荷（图5）。并通过能量协调与下游的雷电流保护器级联。金属氧化锌压敏电阻做成的电涌保护器，必须含有热量监控和隔离的装置（脱扣装置）。图5 电涌保护器 DEHNguard DG MOD 750 + DG M WE 600与供电系统中使用权的电涌保护器相反，用于信息系统的电涌保护器应特别注意系统的兼容性，以及测控线、数据线相关的特性参数。这些电涌保护装置应串联在信息技术系统的线路中。它们的干扰电平必须低于被保护设备的灵敏度。依据防雷保护概念，我们来观察单独的一条电话线，并假设流经该电话线的部分雷电流为总雷电流的5%。对于III/IV级保护等级，部分雷电流的大小是5kA（10/350s）。图6 复合型雷电流/电涌保护器 BLITZDUCTOR XT的应用如图6所示，BLITZDUCTOR XT，BXT ML