690V風(fēng)電專用浪涌保護器在風(fēng)電中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2010-9-29 

   風(fēng)電是可再生、無污染、能量大、前景廣的能源，大力發(fā)展清潔能源是世界各國的戰(zhàn)略選擇。 

   我國風(fēng)電裝機連續(xù)4年翻番，風(fēng)電裝機容量世界排名由2008年的第四名升至第三名。2009年底，全國共建設(shè)423個風(fēng)電場，總?cè)萘窟_(dá)2268萬千瓦，約占全國發(fā)電裝機的2.6%，按照國家風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，2020年，我國風(fēng)電裝機容量有望達(dá)到1.5億千瓦。

   截至2009年底，我國風(fēng)電累計發(fā)電量約為516萬千瓦時，按照發(fā)電標(biāo)煤煤耗每千瓦時350克計算，可節(jié)約標(biāo)煤1806萬噸，減少二氧化碳排放5562萬噸，減少二氧化硫排放28萬噸。

   大型風(fēng)電機通常產(chǎn)生690V的三相交流電。然后電流通過風(fēng)電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至數(shù)千伏。

風(fēng)電機結(jié)構(gòu)大致包括以下幾部分：

機艙：機艙包容著風(fēng)電機的關(guān)鍵設(shè)備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風(fēng)電機塔進入機艙。

轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風(fēng)，并將風(fēng)力傳送到轉(zhuǎn)子軸心?，F(xiàn)代600千瓦風(fēng)電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設(shè)計得很象飛機的機翼。

軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風(fēng)電機的低速軸上。

低速軸：風(fēng)電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代風(fēng)電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當(dāng)慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導(dǎo)管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。

齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。

高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風(fēng)電機被維修時。

發(fā)電機：通常被稱為感應(yīng)電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風(fēng)電機上，最大電力輸出通常為500至1500千瓦。

偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風(fēng)。偏航裝置由電子控制器操作，

電子控制器可以通過風(fēng)向標(biāo)來感覺風(fēng)向。通常，在風(fēng)改變其方向時，風(fēng)電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。

電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風(fēng)電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。

為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風(fēng)電機的轉(zhuǎn)動，

并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風(fēng)電機操作員。

液壓系統(tǒng)：用于重置風(fēng)電機的空氣動力閘。

冷卻元件：包含一個風(fēng)扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。

一些風(fēng)電機具有水冷發(fā)電機。

塔：風(fēng)電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風(fēng)速越大。

現(xiàn)代600千瓦風(fēng)汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。

管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達(dá)塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。

風(fēng)速計及風(fēng)向標(biāo)：用于測量風(fēng)速及風(fēng)向,由于風(fēng)力發(fā)電機組分散安置在風(fēng)能資源比較好的各種復(fù)雜地形地帶，特別是風(fēng)機的葉片高點甚至達(dá)到100米，高高聳立的風(fēng)機很容易被雷電擊中。

   國外統(tǒng)計風(fēng)電場每100風(fēng)機年的雷擊數(shù)基本維持在10 %左右。在所有引發(fā)風(fēng)電機組故障的因素中，外部因素（如風(fēng)暴、結(jié)冰、雷擊以及電網(wǎng)故障等）占16 %以上，其中雷擊事故約占4%。由于雷電現(xiàn)象具有非常大的隨機性，因此不可能完全避免風(fēng)電機組遭受雷擊，只能在風(fēng)電機組的設(shè)計、制造過程中，采取防雷措施，使雷擊造成的損失減到最小。

雷電現(xiàn)象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現(xiàn)象。風(fēng)電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風(fēng)電機組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負(fù)極性放電具有較大的電流和較高的能量。雷擊保護最關(guān)注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數(shù)。雷電參數(shù)包括峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷及電流陡度等。風(fēng)電機組遭受雷擊損壞的機理與這些參數(shù)密切相關(guān)。

峰值電流

    當(dāng)雷電流流過被擊物時，會導(dǎo)致被擊物溫度的升高，風(fēng)電機組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應(yīng)有關(guān)。熱效應(yīng)從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關(guān)，其中峰值電流起到很大的作用。當(dāng)雷電流流過被擊物時（如葉片中的導(dǎo)體）還可能產(chǎn)生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現(xiàn)電弧。電弧產(chǎn)生的膨脹過壓與雷電流波形有關(guān)，其燃弧過程中的強烈高溫將對被擊物產(chǎn)生極大的破壞。這也是導(dǎo)致許多風(fēng)電機葉片損壞的主要原因。

轉(zhuǎn)移電荷

    物體遭受雷擊時，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續(xù)時間較長的電流將在被擊物表面產(chǎn)生局部金屬熔化和灼蝕斑點。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點，如果雷電流足夠大還可能導(dǎo)致金屬熔化。這是威脅風(fēng)電機組軸承安全的一個潛在因素，因為在軸承的接觸面上非常容易產(chǎn)生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損，降低其使用壽命。

電流陡度

    風(fēng)電機組遭受雷擊的過程中經(jīng)常發(fā)生控制系統(tǒng)或電子器件的損壞，其主要原因是感應(yīng)過電壓的存在。感應(yīng)過電壓與雷電流的陡度密切相關(guān)，雷電流陡度越大，感應(yīng)電壓就越高。

在風(fēng)電機組中，可能產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的區(qū)域是：

① 機艙內(nèi)部和穿過偏航軸承的地方；

②連接到控制室和配電室的電纜中。

位于這些區(qū)域任何一端的電氣控制設(shè)備，都需要裝設(shè)電涌保護器件。風(fēng)電場中使用的電力電纜與變壓器相連，而變壓器需要裝設(shè)特殊的過電壓保護裝置進行保護。

另一方面，風(fēng)電企業(yè)、氣象部門與電網(wǎng)部門的協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力以及氣象預(yù)報的準(zhǔn)確度低。風(fēng)電本身具有不穩(wěn)定性，不易準(zhǔn)確預(yù)計，風(fēng)況不穩(wěn)定，產(chǎn)生的電能就不穩(wěn)定，在歐洲12至24小時的風(fēng)能產(chǎn)能預(yù)報的準(zhǔn)確度達(dá)到90％以上，未來3天預(yù)報的準(zhǔn)確度可達(dá)80％。這種不穩(wěn)定需要大容量電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，我國的電網(wǎng)沒有發(fā)達(dá)國家這種調(diào)節(jié)能力。風(fēng)電的電能質(zhì)量較差，其電壓不穩(wěn)和諧波往往得不到有效控制，導(dǎo)致風(fēng)電有可能成為電網(wǎng)管理部門頭痛的“垃圾電”，因此風(fēng)電的過電壓防治協(xié)調(diào)問題比較突出。

我們依據(jù)風(fēng)力發(fā)電機的特點，設(shè)計HZSL-690V系統(tǒng)輸出電壓的新一代電涌保護器。其外型結(jié)構(gòu)依然設(shè)計為35mm導(dǎo)軌安裝型。產(chǎn)品按雷電發(fā)生的環(huán)境，對保護電流進行了區(qū)別，適用不同的區(qū)域選型。按額定電壓不小于760V，進行的壓敏設(shè)計和配套元件設(shè)計，滿足風(fēng)電機的特殊需要。其各項參數(shù)指標(biāo)均不低于進口同類產(chǎn)品。

HZSL型過電壓保護器在風(fēng)電變電應(yīng)用中與常規(guī)過電壓保護器的主要區(qū)別，在于大容量設(shè)計。不只具有常規(guī)的防感應(yīng)雷和操作過電壓功能，同時具有特殊的意義。一方面有效的降低殘壓，吸收大電流，提高風(fēng)電電壓自身的穩(wěn)定性；另一方面防止由于風(fēng)電電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致的干擾嚴(yán)重保護器本身容易燒毀問題。在多個風(fēng)電場變壓器保護使用，效果明顯。

    雷擊是影響風(fēng)電機組乃至整個風(fēng)電場安全運行的重要因素，電壓不穩(wěn)是造成風(fēng)電不受重視的核心關(guān)鍵。關(guān)注風(fēng)電，關(guān)注風(fēng)電機過電壓保護技術(shù)，是改善風(fēng)電環(huán)境中不可或缺的組成部分，它對保證風(fēng)電的安全運行具有重要的意義。選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，合理設(shè)計保護設(shè)備，降低風(fēng)力發(fā)電中的雷擊和電壓不穩(wěn)定性因素，應(yīng)予以足夠的重視。