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怎么降低雷击对风电机组的损害
来源:安徽河江海防雷科技   日期:2018-05-24   浏览:14
 
雷击对风电机组的损害一直受到风机企业的关注,本文主要对机组如何摆脱雷击困扰及风电行业未来的防雷技术如何发展等问题做出介绍。
一、雷电灾害是世界公认的最严重十大自然灾害之一,雷电对风力发电机组的破坏有多大?风能领域中防雷问题越来越受重视,很多风电公司为此特设风电防雷部,与此同时,风能设备上的防雷,从技术层面上,到底应该怎么防?

庄严:众所周知,雷电作为一种正常的大气放电现象是防不住的,我的工作是降低机组在雷击接闪后所产生的损失,提高机组的抗雷击性能。所以从这个角度说,我做的并不是防雷,而是防损,是研究怎样降低雷击造成的损失。

其次,雷电对机组的影响应该分为两个方面;直接损失和间接损失。直接损失是指在机组接闪后造成的设备损坏,包括:叶片、电控设备的损坏;间接损失是指有雷击而造成的停机时间和维修成本。由于雷击在风场的运行隐患中属于无特定条件的隐患,往往只能在雷击后才能够采取补救措施,而雷击一般造成的后果所产生的维护成本都比较高,所以近年来得到了整机厂、叶片厂和业主的重视。

最后,回答你的第一个问题。雷电对风机的影响究竟有多大我不好说,但有组数据可以说明问题:据德国相关部门的统计数据,每百台机组的雷击数量约在10%左右,国内某风场叶片因雷击的损坏率是5.56%;按雷击后需要对叶片进行更换的成本计算,更换一台机组叶片的吊装费用约100万元人民币,叶片的成本约30-40万元,把全部费用综合起来,更换一台机组中的一个叶片的直接费用约在150万元。而更换所需要的停机时间最少在72小时以上,这还不算有雷击后当时及事故调查所需要的停机时间;平均计算怎么也要100小时,这些损失也是庞大的。我想这也是为什么雷击问题会得到多方面重视的原因。

二、目前,风机在雷击的问题上受哪些方面影响较大,或者存在那些问题呢?

庄严:行业中雷电的了解程度应该说不是很高,虽然都很重视但由于没有专门的研发团队,所以对机组的抗雷击性能的提高或者说机组的防雷水平不是很高。

首先,机组叶片的有效接闪率较低是影响机组受雷击损失较大的因素。很多人不了解什么叫有效接闪率:有效接闪率是指叶片在接闪时雷电点是否在叶片的接闪器上,如果在接闪器上接闪,就叫有效接闪;如果雷击点不在接闪器上,而在叶片的其他部位,就叫做无效接闪。我是第一个在风电行业中提出提高机组的有效接闪率的概念的人,在此之前行业中还没有人提出过这种观点。造成目前机组有效接闪率较低的原因是叶片生产厂家对叶片的布置没有专门的研究,只是了解接闪器应该放在叶片的最高点,如果说到原理,采用的还是尖端放电的原理。而风力发电机组的叶片的接闪器实质上动态的,不同机组的叶片在的额定风速下的转速是不一样的,接闪器从水平0°运行到360°所形成轨迹的速度及在形成闪电通道时所在垂直270°上产生的位移长度不同,所以不是随便安装一组接闪器就能满足要求的。

如果能够提高机组的有效接闪率,那么最直观的效果就是降低了叶片因雷击的损坏率。
第二,地电位反击已经成为机组受雷击影响比重较大的因素
 
机组接地电阻的大小直接影响机组在接闪后是否会造成地电位反击的重要参数。同样是遭雷击,接地电阻低的机组电控系统没有任何损坏;而接地电阻高的机组,大多造成电控设备的损坏。还有一些防雷公司将风场接地全部联合起来形成大地网,而实际情况确却是,当这个大地网上的某一机组遭雷击后,相邻机组由于接地电阻不同而受到地电位反击,此类事故在很多采用多机联合的风场中非常常见。
三、很多风场都在进行防雷接地的招投标,那么防雷接地的效果与机组有什么样的关系呢?
庄严:我在《风力发电厂雷电风险评估》一文中对国内某风场进行了全场雷电风险评估的初步分析,通过结果看出。全场41台机组中,存在较高雷击风险的机组达到31%,这31%里面高接地电阻的机组占到了10台。而且从全国的风场看,绝大多数机组目前运行在高接地电阻状态下运行。高接地电阻不仅对雷击存在较大风险,绝大部分机组采用TN-C供电制式,N与PE线实质上共用接地网。由于TN-C系统自身波动率较高,较高的接地电阻在电网出现波动时会形成零电位漂移,造成系统电压的抬升,加速设备老化等问题。
四、正如您所说,叶片接闪器很重要,那给风机装避雷针是不是行之有效的方法,此外机组的电控设备防雷有什么问题吗?还有进一步完善的空间吗?

庄严:说到装避雷针,的确看到过给机组上装避雷针的案例。首先你不能再叶片上装避雷针了,因为这样就改变了叶片的气动性能;如果你把避雷针装到机组上,按照目前的IEC标准所采用的滚球法来看,这个避雷针根本不会有什么作用,因为一般叶片的长度都在38米左右,按照这个高度的保护半径计算机舱都是在保护半径内的。如果作为装饰应该是允许的。对于电控设备的防雷国内外机组的防雷一般采用的防雷措施是等电位和安装SPD。对于SPD的安装我看到很多国外风机的公司采用的是二级防雷保护,应该说属于保护不全。另外,还要谈到机组的防雷分区,按照IEC62305系列标准,风力发电机组作为高度超过100米的构筑物,其不仅受到直击雷的影响,还会受到侧击雷的影响。对于SPD的安装应该按照不同的防雷分区进行合理的设计,国内包括国外的很多风机在等电位和SPD的选型上,应该说还有很大的空间。
五、您觉得风电行业中未来的防雷技术会有怎样的发展呢?例如海上风机的防雷技术。

庄严:就像我上面提到的,机组的有效接闪率一样,应该说在风电行业的防雷领域中我能够预见的发展应该在这几个方面:

1、 如何提高机组叶片的有效接闪率?如果能够提高机组有效接闪率,那么就等于节省了一笔更换叶片的费用; 
2、 风力发电厂的区域雷电风险评估,如何在风场进行微观选址时把机组的雷击预期考虑进去。风力发电厂作为一个动态的区域,其针对每台机组的雷电风险评估不是一个简单的对现有标准的套用,而是一个需要跨学科、结合多方面因素综合评估过程考评的结果;

3、 此外,如何改变被动的防雷,而采取主动的防护措施,例如考虑机组的雷电预警应该也是一种行之有效的方法;

4、 最后是机组雷电通道的建立,如何改善雷电流及轴承寄生电流对轴承的电流腐蚀;

5、 海上风电的防雷技术,应该说目前还没有完整的技术规范。由于海上的雷暴活动低于陆地上的,所以很多公司认为海防机组的防雷不用做过多的特殊防护;而恰恰相反,虽然海上闪电数量少,但是单次雷电能量是陆地的几十倍,适应于内陆的防雷配置可能在海上会遇到较大的挑战。

六、对了,经常在防雷相关的杂志上看到您的论文,不知道您有哪些关于风电的论文呢?
庄严:其实风电防雷和其它系统的防雷是一样的,只要做到了对系统的了解和熟悉原理都是差不多的。从去年关注防雷到现在写了几篇文章如:《风力发电机组直击雷防护特点》、《风力发电机组的灾害防护》、《青藏高原的风力发电机组接地工程设计》、《风力发电机组接地工程设计》、《风力发电厂雷电风险评估》和一篇翻译日本专家的《一种新型的风力发电机组防雷方法》。
七、说到专利,您怎么看国内风电行业防雷专利的问题呢?

庄严:我认为国内风电行业也防雷专利少的主要原因并不在于是否是防雷专利,全国风电整机和相关产业的企业中自主知识产权本身就少,应该说与这个行业初期的技术引进是有关系的。而现在很多公司逐步开始重视专利问题,如华锐、上海电气等公司的专利数量已经趋于国内领先地位。其中防雷专利的比例也在提高,这也说明企业在重视知识产权的同时也在重视机组的防雷问题。虽然我进入风电行业刚刚一年,我的在职风电专利申请已经达到了6项,已经有4项的专利收到了受理通知书。
总结:雷电一直都威胁着电子设备的安全,我们应该注重防雷、增强防雷意识,努力把雷电的危害降到最低。