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钱启良——谈风电场防雷过电压保护的误区

2014-11-15 来源:《2014全国风电后市场专题研讨会》——论文集 浏览数:624

  近年来随着风电场数量的增加、风电场所在地区的扩展、风电机组遭受雷电而受损的现象突显,风电场运行商反映强烈。风电场为什么频繁遭雷电损坏?风力发电机组除自身高度高,容易遭受雷声损坏外还有没有其它原因?最近本人有幸参加了某风电场项目的设备选型及风电场施工的调研工作,在调研中重点了解了风机制造商所生产的凤电机组的防雷电过电压防护措施及风电场的施工工作,从而使我认识到风机制造商和风电场在施工工作中,对防雷电过电压保护问题的认识尚存在着一定的误区。
  1.有的风机制造商这样提出:机舱罩、塔筒均系金属结构,它相当于法拉第笼,它能够有效的引导雷电电流至大地,因此在过电压保护设计时除变流器、主控柜外没有做过多的保护。我认为这里存在着误区。
  1.1从物理学上讲法拉第笼原本是指一个密封的金属腔体,它是英国物理学家法拉第(MichaelFarady)根据静电平衡原理,利用金属空腔隔离静电场影响所采取的一种结构,后来被人们称作法拉第园筒。然而我们风机并不是一个标准的法拉第笼,只能讲类似于法拉第笼,因为金属的机舱罩上有进、排气孔,塔筒底部有供工作人员出入的门,雷电是一种单极性脉冲波,其频谱范围较宽,从几十Hz到几MHz,由于空气与金属界面波阻抗不同,入射的雷电电磁波会在界面处发生反射和折射,虽然它使电磁波发生衰减,但机舱、塔筒内部的电磁场并不为零,这就是风力发电机组与法拉第笼的区别。所以除变流器、主控柜外发电机的出线端也应该设置过电压保护器。根据美国学者希尔对计算机所做的模拟实验,2. 4G的磁场即可以使计算机元件受损,因此机舱、塔筒内的电子设备通信设备的安全得不到保证,应该对机舱、塔筒内的电子设备的信号线、电源线也实施过电压保护,在其进线端安装相应的过电压保护器进行过电压保护。
  1.2风机塔筒的门经常有人出入,且风力发电机组绝大多数处于远郊外,每一台风机的底部都有动力电缆、光纤电缆从风机上的避雷针保护覆盖区以外的地方引入风机的塔筒内,落地直击雷以雷闪为中心,半径在1.5-2.Okm范围内的感应雷电过电压将经由电缆、光缆的金属部分进入塔筒及机舱内部,使塔筒、机舱内的电子设备的信号线、电源线受到损坏,所以从这个角度上讲塔筒、机舱是与法拉第笼有区别的,机舱、塔筒内的电子设备的信号线、电源线也必须在其进线端加装防雷及过电压保护器,将线路上过高的脉冲电压滤除,保护这些设备不被过电压破坏。
  2.有的同志讲:光纤电缆是不怕雷电的,光缆的敷设线路可以不做防雷过电压保护
  2.1近年来,光纤通信在风电行业得到了广泛的应用,同时它对风电行业来讲也是一个新事物。光纤是由石英材料制成的,就其本身来讲是电的绝缘体,所以由它构成的通信线路其本身是不会受到电磁干扰的,这是光纤通信的优越性之一。但是,风电场处于旷野之中,目前在光纤电缆的结构中,其加强件通常是由钢绞线构成的,有时为了防鼠蚁的啮咬等光纤电缆中还有金属防潮层和金属恺装层,此外架空光缆的吊挂物一般也是金属构件。当其与强电设施接近时需要考虑防电磁感应问题。所以架空、直埋的光纤电缆的防雷电、强电措施是不可少的,据有关文献介绍,在直接遭受雷击时光纤电缆线路的损坏几乎是无法避免的。特别是雷电比较严重的地区更应该引起注意。这是因为光缆中的金属构件或金属吊挂物由于雷电感应而产生强大的感应电动势,它在释放时强大的释放电流产生的热效应引起光纤电缆燃烧、熔化,或者雷击光纤电缆路由时,路由中的水分瞬间汽化膨胀产生的冲击现象损坏光纤电缆。所以我们应该走出光纤电缆不怕雷电的误区,‘做好光纤电缆的防雷及电磁感应工作。

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