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技术论文

风力发电机组雷击风险评估技术初探

发布时间:2017-05-04来源:北京雷迅博成-抗震支架、电气安全、防雷安全,安全至上 作者:admin 点击次数:
风力发电机组雷击风险评估技术初探
张洁茹  张建平  陈忠涛 陈建华 陶磊
(扬州市气象局 225009)
 
【摘要】:通过分析自然环境下风力发电机组的雷电风险,结合安装地点气象条件,确定风力发电机组雷电防护类型与方案。
【关键词】:风力发电机组   雷电风险  雷电防护
1.引言
风能是当前技术较成熟且具规模开发条件的可再生洁净能源,称之为绿色能源。风能发电为人类的大自然和谐共存提供了基础。风电与大电网并网的难题解决后,大力发展风力发电已经成为可能。但由于风力发电机组是在自然环境下工作,不可避免的会受到自然灾害的影响,其中雷击灾害是一种对风力发电机组安全运行构成巨大影响的不可忽视的自然灾害。另外,由于风力发电机组安装地点的特殊性(地形、地貌、地质条件的差异)、气象条件的复杂性(年平均雷暴日数、温度、湿度等气象因素)及风力发电机的发展趋势(安装高度越来越高,单机容量越来越大和安全运行要求越来越严格)都对雷击灾害的防护提出了更高的要求。
风力发电机组雷电防护系统的设计首先是确定是否需要对风力发电机组及其服务设施采取防雷措施。其次如需采取防雷措施,如何选择合适的防雷措施,达到预期的雷电防护目的。
2.雷电对风力发电机组闪击次数的评估
雷电对风力发电机组闪击次数与当地的年平均雷暴日数Td(当地雷电活动规律)、风力发电机组安装地点的地理环境和地质条件及风力发电机组的安装高度(风叶半径和轮毂高度)等诸多因素有密切关系。
2.1当年平均地地闪密度Ng的计算:
Ng=0.1Td
式中,Ng—每平方公里每年平均地闪密度;
Td—当地年平均雷暴日数(由气象部门提供)
注:现选择Td=40天/年,则Ng=4
2.2风力发电机组遭受直击雷的年平均频度的计算:
Nd= Ng·Ad·Cd·10-6
式中,Nd—风力发电机组遭受直击雷的年平均次数;
Ng—年平均地闪密度
Ad—风力发电机组遭受直击雷时的等效雷击截  面积;
Cd—风力发电机组所处环境的环境因子,平原地区Cd=1,山区或小山顶Cd=2
2.3风力发电机组遭受直击雷时的等效雷击截面积Ad的计算:
Ad=9πH2
式中,H为风力发电机组风叶半径与轮毂高度之和,单位为m。
2.4现选择风叶半径为30m,轮毂的高度为60m时的Nd值:
Nd=0.29次/年
注:该值为平原地区,若为山区,则该值为0.58次/年。
3.风力发电机组的一般特性及其相关数据
3.1概况(见表3.1)
表3.1
参数 说明 符号 数值 出处
位置因子 平原地区孤立 Cd 1 表A.2
LPS PB 1 表B.2
屏蔽(外部) Ks1 1 表B.4
内部屏蔽 Ks2 1 表B.4
触电危险 RA 0  
雷击大地密度   Nd 0.29  
土壤电阻率   ρ 500  
注:出处均引自GB/T21714-2008,以下各表相同
3.2低压线路及其内部系统(见表3.2)
表3.2
参数 说明 符号 数值 出处
长度/m   Lc 1000  
高度/m 埋地 Hc 0  
变压器 Ct 0.2 表A.4
1
线路位置因子 孤立 Cd 1 表A.2
线路环境因子 农村 Ce 1 表A.5
线路屏蔽 PLD 1 表B.5
内部合理布线 KS3 1 表B.5
内部系统冲击耐压 Vw=1.5KV KS4 1 公式B.4
匹配的SPD保护 PSPD 1 表B.3
3.3通信线路(SCADA数据采集与监视控制系统)(见表3.3)
表3.3
参数 说明 符号 数值 出处
长度/m   Lc 1000  
高度/m   Hc 6  
线路位置因子 孤立 Cd 1 表A.2
线路环境因子 农村 Ce 1 表A.5
线路屏蔽 PLD 1 表B.5
内部合理布线 KS3 1 表B.5
内部系统中击耐压 1.5KV KS4 1 公式B.4
匹配的SPD保护 PSPD 1 表B.3
3.4其它特性及相关数据(见表3.4)
表3.4
参数 说明 符号 数值 出处
地面类型 农地、混凝土 Ra(ru) 10-2 表C.2
火灾危险 Rf 10-3 表C.4
特殊危险 Hz 1 表C.5
防火措施 Rp 1 表C.3
空间屏蔽 Ks2 1 表B.4
接触电压和跨步
电压造成的损失率
Lt 10-2 表C.1
物理损害造成的损失率 Lf 10-1 表C.1
内部电源系统      
内部通信系统      
4.风力发电机组相关量的计算
4.1风力发电机组及线路的截得面积(见表3.5)
表3.5
符号 出处 截得面积的计算公式 数据来源 计算结果
Ad 公式A.2 Ad=9πH2(设H=90m)   0.73×105
AL(p) 表A.3 电力线路截得面积(埋地)AL(p)=(Lc-3H) 表2.2
表2.1
1.6×104
Ai(p) 表A.3 电力线路附近截得面积Ai(p)= 25Lc 表2.2 5.6×105
AL(T) 表A.3 通信线路截得面积AL(T) = 6Hc(Lc-3H) 表2.3 2.6×104
Ai(T) 表A.3 通信线路附近截得面积Ai(T) =1000Lc 表2.3 1.0×106
4.2风力发电机组预计年雷击次数(见表3.6)
表3.6
符号 出处 截得面积的计算公式 数据来源 计算结果
Nd 公式A.4 雷击风力机Nd= Ng·Ad·Cd·10-6 表2.1
表2.5
0.29
NC(p) 表A.7 雷击电力线路NL(p)= Ng AL(p)·Cd·Ct·10-6 表2.2
表2.5
6.4×10-2
Ni(p) 表A.8 雷击电力线路NI(p)= Ng·Ai(p)·Ct·Ce·10-6 表2.2
表2.5
2.24
NL(T) 表A.7 雷击通信线路NL(T) = Ng·NL(T)·Cd·Ct·10-6 表2.3
表2.5
0.1
Ni(G) 表A.8 雷击通信线路附近Ni(G) = Ng·Ni(T)·Ce·Ct·10-6 表2.3
表2.5
4.0
注:风力发电机组各年预计雷击次数都与年平均地闪客数的有关,Ng的计算方法至关重要,现是以GB/T21718.2-2008标准给定的经验公式计算的。倘若是由气象部门雷电监测网络所提供的某地区的实测数据而求得的Ng值,会使各年预计雷击的次数计算更准确。
5.风力发电机组雷击风险的计算
5.1损失风险R1的计算
由GB/T21714.2-2008公式(1)和表3可得:
R1=RA+RB+RV(p)+RV(p)+Rv(T)+RV(T)
即损失风险R1与雷击风力发电机组风险分量RA、雷击风力发电机附近风险分量RB、雷击电力线路风险分量RV(p)、雷击电力线路附近风险分量RV(p)、雷击通信线路风险分量RV(p)和雷击通信线路附近风险分量RV(T)等六种风险分量有关。
各种风险分量计算结果见表5.1
表5.1
符号 出处 截得面积的计算公式 数据来源 计算结果
RA       0
RB 表9 雷击风力发电机组造成的物理损害风险分量:
RB= Nd·PB·Rp·Hz·Rf·Lf
表2.6
表2.1
表2.4
2.9×10-5
RV(p) 表9 雷击电力线路造成触电的风险分量
RV(p)=(NL(p)+NDa)·PV(p)·RU·Lt
表2.6
表2.2
表2.4
6.4×10-5
RV(p) 表9 雷击电力线路造成物理损害的风险分量
RV(p)= (NL(p)·NDa)PV(p)·Hz·Rp·Rf·Lf
表2.6
表2.4
表2.2
6.4×10-5
RV(T) 表9 雷击通信线路
RV(T) = (NL(T)+ NDa) PV(T)·Ru·Lt
表2.6
表2.4
表2.2
0.01×10-5
RV(T) 表9 雷击通信线路造成的物理损害的风险分量
RV(T) = (NL(T)+ NDa) PV(T)·Rp·Hz·Rf·Lf
表2.6
表2.4
表2.2
1×10-5
R1 R1=RA+RB+RV(P) + RV(T) + RV(T) 5.2×10-5
结论 :损失风险R1=4.2×高于风险岩值(10-5),因此必须对风力发电组实施雷电保护。
5.2组合各类风险分量
(1)雷风吹草动风力发电机组风险分量 RD
R D= R A+ RB+RC = RB =2.9×10-5
(2)雷击风力发电机组附近、雷击电力线路及其附近和雷风吹草动通信线路及其附近的风险分量 RI
R I= R M+ RV+ RV+ RW+ RZ
= R V(P)+ R V(P)+ R V(T)+R V(T)=1.4×10-5
(3)人畜伤亡风险分量RS
R S= RA+ RV(P)+ RV(T)=0.65×10-5
(4)物理损风险分量R F
R F= RB+ RV= RB+ RV(P) + RV(T)=4.5×10-5
结论:雷击风力发电机组造成的物理损害风险是占主要部分,其次要部分为雷击电力线路和通信线路,均超过岩限值(10-5),所以必须对风力发电机本身及其相关的电力线路和通信线路实施相应的雷电防护。
5.3雷电防护措施的选择
通过选择合适的雷电防护措施,可以降低PB、RP、RSPD等参数值,以达到降低RB、RU(P)、RV(P)、RU(T)、和RV(T)的数值,使损失风险 R1降低到岩限值(10-5)以下,达到风力发电机组雷电防护的目的和预期效果。归纳起来有以下几种防护措施可供选择:
(1)提高防雷等级LPL,降低PB值
由表B.2(GB/T21714.2-2008),II类防雷等级的PB值为0.05,并按II类防雷建筑物的要求设计风力发电机组的外部防雷系统(按闪器、引下线、接地装置)
(2)选择安装匹配的SPD,实施等电位连接由表B.3(GB/T21714.2-2008),按II类LPL来讲,PSPD=0.02,相应的PU(P)、PV(P)、PLD可按0.02数值使用。因此,按II类LPL防雷要求,依据GB/T21714.3-2008标准规定,设计安装匹配的SPD,实施等电位连接。
(3)选择屏蔽电缆埋地敷设,并合理布线
由表B.5(GB/T21714.2-2008),内部布线与KS3的关系及屏蔽电缆与KS3的关系,避免布线构成环路,各种电缆和导线布设在连续金属管内,并金属管两端与等电位连接排连接。
(4)设置必要的防火装置,以降低缩减因子RP
安装灭火器、人工报警装置、人工灭火装置等时,RP=0.5。
(5)采取以上各防雷措施后,损失风险R1及各风险分量计算结果:
RB=0.08×10-5
RU(P)=0.01×10-5
RV(P)=0.06×10-5
RU(T)=0.02×10-5
RV(T)=0.01×10-5
R1=0.18×10-5
达到小于岩限值(10-5)以下,符合规定要求。
结论:风力发电机组的雷电防护,可按II类LPL要求,依据GB/T21714.1-2008、GB/T21714.3-2008、GB/T21714.4-200和GB/T19856.2-2005及其它相关标准的规定,设计和安装其雷电防护系统,将雷电灾害的损失尽可能的降低到最低,最大限度地保证风力发电机组的安全运行。

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