690V风电专用浪涌保护器在风电中的应用

690V风电专用浪涌保护器在风电中的应用

发布日期：2010-9-29 

   风电是可再生、无污染、能量大、前景广的能源，大力发展清洁能源是世界各国的战略选择。 

   我国风电装机连续4年翻番，风电装机容量世界排名由2008年的第四名升至第三名。2009年底，全国共建设423个风电场，总容量达2268万千瓦，约占全国发电装机的2.6%，按照国家风电发展规划，2020年，我国风电装机容量有望达到1.5亿千瓦。

   截至2009年底，我国风电累计发电量约为516万千瓦时，按照发电标煤煤耗每千瓦时350克计算，可节约标煤1806万吨，减少二氧化碳排放5562万吨，减少二氧化硫排放28万吨。

   大型风电机通常产生690V的三相交流电。然后电流通过风电机旁的变压器（或在塔内），电压被提高至数千伏。

风电机结构大致包括以下几部分：

机舱：机舱包容着风电机的关键设备，包括齿轮箱、发电机。维护人员可以通过风电机塔进入机舱。

转子叶片：捉获风，并将风力传送到转子轴心。现代600千瓦风电机上，每个转子叶片的测量长度大约为20米，而且被设计得很象飞机的机翼。

轴心：转子轴心附着在风电机的低速轴上。

低速轴：风电机的低速轴将转子轴心与齿轮箱连接在一起。在现代风电机上，转子转速相当慢，大约为19至30转每分钟。轴中有用于液压系统的导管，来激发空气动力闸的运行。

齿轮箱：齿轮箱左边是低速轴，它可以将高速轴的转速提高至低速轴的50倍。

高速轴及其机械闸：高速轴以1500转每分钟运转，并驱动发电机。它装备有紧急机械闸，用于空气动力闸失效时，或风电机被维修时。

发电机：通常被称为感应电机或异步发电机。在现代风电机上，最大电力输出通常为500至1500千瓦。

偏航装置：借助电动机转动机舱，以使转子正对着风。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感觉风向。通常，在风改变其方向时，风电机一次只会偏转几度。

电子控制器：包含一台不断监控风电机状态的计算机，并控制偏航装置。

为防止任何故障（即齿轮箱或发电机的过热），该控制器可以自动停止风电机的转动，

并通过电话调制解调器来呼叫风电机操作员。

液压系统：用于重置风电机的空气动力闸。

冷却元件：包含一个风扇，用于冷却发电机。此外，它包含一个油冷却元件，用于冷却齿轮箱内的油。

一些风电机具有水冷发电机。

塔：风电机塔载有机舱及转子。通常高的塔具有优势，因为离地面越高，风速越大。

现代600千瓦风汽轮机的塔高为40至60米。它可以为管状的塔，也可以是格子状的塔。

管状的塔对于维修人员更为安全，因为他们可以通过内部的梯子到达塔顶。格状的塔的优点在于它比较便宜。

风速计及风向标：用于测量风速及风向,由于风力发电机组分散安置在风能资源比较好的各种复杂地形地带，特别是风机的叶片高点甚至达到100米，高高耸立的风机很容易被雷电击中。

   国外统计风电场每100风机年的雷击数基本维持在10 %左右。在所有引发风电机组故障的因素中，外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）占16 %以上，其中雷击事故约占4%。由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风电机组遭受雷击，只能在风电机组的设计、制造过程中，采取防雷措施，使雷击造成的损失减到最小。

雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。

峰值电流

    当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形有关，其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。

转移电荷

    物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，降低其使用寿命。

电流陡度

    风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系统或电子器件的损坏，其主要原因是感应过电压的存在。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

在风电机组中，可能产生感应过电压的区域是：

① 机舱内部和穿过偏航轴承的地方；

②连接到控制室和配电室的电缆中。

位于这些区域任何一端的电气控制设备，都需要装设电涌保护器件。风电场中使用的电力电缆与变压器相连，而变压器需要装设特殊的过电压保护装置进行保护。

另一方面，风电企业、气象部门与电网部门的协调统筹能力以及气象预报的准确度低。风电本身具有不稳定性，不易准确预计，风况不稳定，产生的电能就不稳定，在欧洲12至24小时的风能产能预报的准确度达到90％以上，未来3天预报的准确度可达80％。这种不稳定需要大容量电网来调节，我国的电网没有发达国家这种调节能力。风电的电能质量较差，其电压不稳和谐波往往得不到有效控制，导致风电有可能成为电网管理部门头痛的“垃圾电”，因此风电的过电压防治协调问题比较突出。

我们依据风力发电机的特点，设计HZSL-690V系统输出电压的新一代电涌保护器。其外型结构依然设计为35mm导轨安装型。产品按雷电发生的环境，对保护电流进行了区别，适用不同的区域选型。按额定电压不小于760V，进行的压敏设计和配套元件设计，满足风电机的特殊需要。其各项参数指标均不低于进口同类产品。

HZSL型过电压保护器在风电变电应用中与常规过电压保护器的主要区别，在于大容量设计。不只具有常规的防感应雷和操作过电压功能，同时具有特殊的意义。一方面有效的降低残压，吸收大电流，提高风电电压自身的稳定性；另一方面防止由于风电电压不稳定导致的干扰严重保护器本身容易烧毁问题。在多个风电场变压器保护使用，效果明显。

    雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的重要因素，电压不稳是造成风电不受重视的核心关键。关注风电，关注风电机过电压保护技术，是改善风电环境中不可或缺的组成部分，它对保证风电的安全运行具有重要的意义。选择适当的结构，合理设计保护设备，降低风力发电中的雷击和电压不稳定性因素，应予以足够的重视。