风力发电电器设备分会
兆瓦级双馈式变速恒频变浆风力发电机组雷电防护探讨
所属分类:技术论文
来源:《中国防雷》
作者:管理员
更新日期:2011-07-25

         摘 要:本文介绍双馈式变浆变速恒频发电机组的整体防雷方案,对风力发电机的外部防雷和内部防雷作了详细的介绍。对目前的风力发电机组目前存在的问题,提出了几点疑问供各位同行商榷。

         关键词:发电机组;塔基柜;机舱柜;变浆控制柜;并网变流器柜

         引 言

         在过去20多年中,水平轴上风向风力发电机的直径和额定功率快速增加。例如,在1983年,一台风力机的直径为15m,发电机功率为55kW;而到了2009年,德国REPOWER公司的风力发电机组功率达6MW,风轮直径达 126m。

         目前风力发电机有3种技术路线:双馈式发电机组 、永磁直驱发电机组 、以及半直驱发电机组。

         双馈式发电机组技术最为成熟,但结构复杂,传动路线为叶轮、主轴、齿轮箱、发电机,其电路控制部分也最为复杂,机舱控制柜、塔基控制柜、并网变流器控制柜及轮毂变浆控制系统等;永磁直驱型及半直驱型发电机组结构简单,维护量小,目前海上风力发电机以这两种形式为主。

         本文重点介绍双馈式变速变浆恒频风力发电机组的整体防雷设计,其它类型风力发电机组可参考本类型设计方法。

         双馈式变速恒频发电机介绍风电材料设备
         1.1 发电机原理介绍

         电机转子由两个“背靠背”连接的电压型PWM变换器(分别称做机侧变换器和网侧变换器)进行励磁,双PWM变换器向转子绕组馈入所需的励磁电流,实现最大风能捕捉和定子输出无功的调节。当电机亚同步速运行时,往转子中馈入能量,网侧作整流器运行,转子侧变换器作逆变器运行,提供励磁电流;当电机超同步速运行时,电机同时由定子和转子发出电能给电网;处于同步运行状态时,发电机作为同步电机运行,变流系统向转子提供直流励磁。

         1.2.电气控制系统介绍

         (1)变浆控制系统

         变浆控制系统主要功能是根据当前的风速、风向经过PLC的计算,使风力发电机的叶片根据当前工况达到最佳,从而使叶片绕其轴向自转,最大角度可达91度角。

         (2)偏航控制系统

         借助电动机转动机舱,以使转子叶片调整风向的最佳切入角度。偏航装置由电子控制器操作,电子控制器可以通过风向标来探知风向。通常,在风改变其方向时,风电机一次只会偏转几度。值得注意的是,小功率级别的风电机都是通过统一的偏航装置调整所有叶片的角度,而最新的风电机大都是每个叶片设置单独的偏航系统。

         (3)滑环系统

          主要作用是给变桨系统提供电源和传输变桨系统的信号。

         (4)机舱柜

         起到连接轮毂变浆系统及塔基柜控制系统的枢纽。

    (5)塔基柜:

         主要负责与并网变流器通讯,并与塔基柜PLC通讯,检测各种信号并根据风机当前的工况,进行参数调整。        

    (6)并网变流器控制柜

         并网变流器主要的作用是向风力发电机塔筒底部的塔基柜输送电源及向发电机定子、转子侧输送电流,起到变频发电等作用。

         2 风力发电机组防雷设计

         2.1外部防雷

         (1)叶片防雷:

         在叶片的顶端,将叶尖设置为金属材料当有雷电流时,金属叶尖起到接闪器的作用,接闪后沿叶片内部的引下线将雷电流引至叶片法兰根部;然后将雷电流沿铜编织带引至轮毂,再由轮毂引至主轴法兰盘上;通过与法兰盘紧密接触的防雷碳刷引至机舱架经过偏航处的防雷碳刷后将雷电流引入塔筒后进入风机防雷接地网。

         (2)风向仪、风速仪防雷:

         安装在机舱罩外部的风速、风向仪由金属气象桅杆上的避雷小针所保护雷电的直接侵入;然后由引下线接入机架。

         (3)机舱罩防雷:

         在玻璃钢机舱罩的内部敷设了截面积为32mm2的铜编织带,起到屏蔽雷电流的作用。

         (4)风机外部防雷图例如图4:

 

         2.2 内部防雷

         塔基柜电源部分:

         (1)为了防止雷电过电压沿机舱柜690V电源线入侵塔基柜,在塔基柜电源开关处,并联安装DG S440 FM,其保护电压为1500V,响应时间25ns。

         (2)为了防止过电压沿塔筒外部插座及照明灯电源线入侵,塔基柜内电气设备,在塔基柜照明线开关处安装DR M 2P 255一套,其保护电压水平为1000V,响应时间50ns。

         (3)为了防止过电压沿KL2404模块电源线路入侵,塔基柜内电气设备,在塔基柜电源开关处,安装DR M 2P 255四套,其保护电压水平为1000V,响应时间50ns。

         塔基柜信号部分:

         (1)为了防止雷电过电压沿塔筒外箱变低压断路器合闸、缺相、轻瓦斯、重瓦斯、箱变温度跳闸及压力释放等信号线路入侵塔基柜内的PLC模块,在这些信号前端安装BSP M4 BD24信号防雷器六套,其电压保护水平为300V,响应时间1ns。

         (2)为了防止雷电过电压沿箱变电流测量线路入侵塔基柜内PLC模块,在其信号前端安装三套BSP M2 BD24信号防雷器,其电压保护水平为300V,响应时间1ns。

         机舱柜电源部分:

         (1)为了防止雷电过电压沿690V电源线路入侵机舱柜,在机舱柜690V电源总开关处,并联安装一套DG S440 FM,其保护电压为1500V,响应时间25ns。

         (2)为了防止雷电过电压沿400V电源线路入侵机舱柜,在机舱柜400V电源总开关处,并联安装一套DG M TT 385 FM,其保护电压为1300V,响应时间25ns。

         (3)为了防止雷电过电压沿轮毂变浆系统400V电源线路入侵机舱柜,在机舱柜400V电源总开关处,并联安装一套DG M TT 385 FM,其保护电压为1300V,响应时间25ns。

         (4)为了防止雷电过电压沿轮毂变浆系统24V电源系统入侵机舱柜内PLC模块,在其前端安装一套DR M 2P 30 FM电源防雷器,其保护电压为500V,响应时间50ns。

         (5)为了防止雷电过电压沿风速加热器24V电源系统入侵机舱柜内设备,在其前端安装一套DR M 2P 30 FM电源防雷器,其保护电压为500V,响应时间50ns。

         (6)为了防止雷电过电压沿风速、风标24V电源系统入侵机舱柜内设备,在其前端安装一套DR M 2P 30 FM电源防雷器,其保护电压为500V,响应时间50ns。

  机舱柜信号部分:

         (1)为了防止雷电过电压沿变浆系统看门狗信号、变浆控制信号、航标灯正常信号、风标信号及风速信号等信号线路入侵机舱柜内PLC模块,在以上信号前端共安装五套SP M4 BD 24信号防雷器,其电压保护水平为300V,响应时间1ns。

         (2)为了防止雷电过电压沿偏航制动压力释放信号、电磁阀主轴制动信号等信号线路入侵机舱柜内PLC模块,在以上信号前端共安装四套MCZ OVP 30VAC信号防雷器,其电压保护水平为350V,响应时间1ns。

         轮毂控制柜电源部分:

         (1)为了防止雷电过电压沿400V电源线路入侵轮毂中控箱内设备,在中控箱电源总开关处并联安装一套DG M TT 385 FM电源防雷器,其电压保护水平1300V,响应时间25ns。

         并网变流器电源部分:

         (1)在并网柜网侧电源开关处,安装VT110TA750W电源防雷箱一个,最大通流容量110kA,工作电压750V。

         (2)在并网柜用户配电开关处,安装VH40TA385M电源防雷器一套。CNWPEM.NET
         (3)在并网柜内部配电开关处,安装VH40TA385M电源防雷器一套。CNWPEM.NET
         (4)在功率柜转子侧电源开关处,安装VH40TA750W电源防雷器一套,最大通流容量40kA,工作电压750V。

         2.3 等电位、屏蔽处理

         (1)机舱内部等电位连接

         将齿轮箱外壳、发电机外壳、机舱柜外壳用接地线与机架连接。

         (2)轮毂变浆控制柜等电位连接:

         将轴控箱、UPS电池箱金属外壳与金属轮毂连接。

         3)塔筒底部等电位连接:

         将并网变流器金属外壳、塔基柜外壳与塔底基础环作等电位连接。

         4)将风力发电机组所有线缆的屏蔽层作两点接地处理。

         2.4 接地装置

         利用塔筒基础内部的钢筋作为风机的防雷接地装置,当接地装置接地电阻不符合要求时,另外敷设人工地网并与塔筒基础钢筋相连接。其中塔内接地环是由布置在塔筒内部的热镀锌扁钢连接而成的,扁钢的尺寸为4×40mm,露出地面高度为 100mm。接地环与塔基防雷基础的的预留接地扁钢 3点连接,连接点应均匀分布。

         塔内接地环连接了以下电缆:

         一条机架接地电缆,截面积为 240mm2

         一条变频器接地电缆,截面积为 240mm2,长度为 2m。

         一条变压器接地电缆,截面积为 35mm2,长度为 3.5m。

         一条塔基柜接地电缆,截面积 35mm2,长度为 3.5m。

         二条塔筒第一平台接地电缆,截面积 95mm2,长度为 1.5m。

         三条基础环接地电缆:95mm2 接地电缆,长度为 1m。

         3 风力发电机组防雷问题探讨

         3.1 机架作为等电位(机舱柜、发电机与机架绝缘)

         目前,发电机制造商配套的弹性支撑垫与机架为绝缘状态,齿轮箱与发电机的弹性联轴器也为绝缘连接。雷电流沿叶尖接闪后经过叶片防雷引下线经过主轴防雷碳刷后将雷电流引至机架上。机架雷电流沿偏航处的防雷碳刷将雷电流引至塔筒然后进入接地装置,另一路则由机架主接地线直接接入风机接地装置。

         质疑:参照IEC风机防雷标准,风机供应商都会把机架作为一个等电位平台,如直击雷雷电流的接地、气象桅杆的直击雷接地、机舱罩金属屏蔽网的屏蔽接地、滑环系统的防雷接地、屏蔽线路的屏蔽层接地、机舱柜的感应雷接地、发电机的转子防雷器接地、发电机的外壳接地、齿轮箱的外壳接地等都是接在机架这个平台上。这样当风力发电机组的叶尖、或气象桅杆等接闪时,就有雷电流沿叶片引下线将雷电流引入机架,由于感应雷的接地也接在机架上,这就造成了直击雷电流对电气系统的入侵,造成设备损坏。同理发电机转子的防雷器也是与机架连接在一起,也会对发电机转子造成反击。在轮毂内部的变浆控制系统,外壳 也是与轮毂直接连接,当有雷电时,雷电流会对变浆控制系统的设备造成损坏。

         解决方案:为了避免直击雷电流对弱电系统的冲击,在机架平台上敷设50×3的汇流铜排,铜排与机架之间用绝缘子作支持,所有的防雷器接地线、金属外壳接地与汇流铜排作接地及等电位连接,然后用240mm2电缆线接至塔筒底部,在塔筒底部另设一汇流铜排供塔基柜、并网变流柜的防雷器接地及金属外壳接地,然后将此汇流铜排用240mm2接地线接至塔筒外部的防雷器接地网上;在防雷器接地网与塔筒基础接地网之间用1个100kA通流容量的等电位器连接。

         3.2风力发电机组的防雷效果的检验(人工引雷)

         目前国内的风机都没有经过雷电实验的测试和检验风机的整体防雷效果如何。当风机遭受雷击后造成的设备损失和停机损失是非常庞大的。建议对风机的防雷检验采用人工引雷的方式对风机的实际抗雷击能力进行检验 ,对风机的防雷效果和设计方案进行整改和完善。从而降低由于雷击对风机的电气损失和停机损失。 

         3.3发电机定子及转子防雷器目前的问题

         峰值电压高易引起防雷器频繁动作,严重情况下,会引起防雷箱起火;放电间隙动作电压选值过低会引起,工频续流,降低定子及转子发电量。针对风力发电机的特殊性,对安装于定子及转子处的防雷器件提出了更为严格的要求。既满足防雷的需求,又能很好的保障防雷器自身的安全性与稳定性。

         4 结束语

         由于风力发电机组结构复杂电气控制系统运行环境恶劣,且运转部件多(如偏航系统、变浆系统)造成实施防雷难度大。
同时由于各风机制造商在技术上对外属于保密封锁状态,使防雷公司对风力发电机的整机构造及电气原理不了解,更谈不上进入风力发电机的整体防雷设计与施工当中,造成了风力发电机组的实际防雷效果欠佳。

         这就希望在对风力发电机组进行全面系统的防雷实施工作时,要求防雷工程人员对风力发电机的整体结构和电气原理有一个比较全面的认识。

         参考文献

         [1]IEC61400-24[S].2002版.

         [2]中国船级社风力机组规范[S].2008版.

         [3]GL WIND[S].2010版.

         作者简介

         何波(1973—),男,工程师、D-LINK系统集成工程师,任职东莞防雷科技有限公司技术总工,从事防雷工作9年,主要从事电子信息系统的感应雷防护工作,擅长于信号系统故障现场排查及处理。早期开发的产品:网络信号防雷器型号为WS-RJ45/4 ,产品合格证书编号:2007-(B)-04-02等。 主要研究方向:新能源行业(风力发电、太阳能发电、生物发电等)雷电防护应用技术,防雷产品开发、SOLID软件设计感应雷工程施工图纸。

         何涛(1975—),男,工程师,任职东莞防雷科技有限公司项目经理,从事防雷工作6年,从事建筑物综合防雷工作。擅长于消防系统、水处理系统、智能小区综合系统的防雷故障现场排查及处理。

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