CN115085011B - 一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及雷电防护技术领域，具体涉及一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置。装置的核心部件开关是由四个高压大电流开关并联组成，其安装在上静电屏蔽盘和下静电屏蔽盘之间；上静电屏蔽盘通过连接螺母与叶片金属接闪器的引下线连接；下静电屏蔽盘与法兰座连接，通过接地螺母接地；高压大电流开关结构件是由特制的高压氧化锌材料、铝合金、玻璃钢外壳，环氧树脂灌封构成；装置其余的金属结构件全部采用304或者316不锈钢材质；装置串接在叶片金属接闪器的引下线与轮毂中的接地环之间。本装置能够中止雷闪的形成，实现大幅度减少风力发电站雷电灾害，避免了当风力发电机组的叶片遭受到直击雷击，导致叶片和发电机损坏的问题。

Description

一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置
技术领域
本发明涉及一种雷电防护技术领域，特别是一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置。
背景技术
风力发电站有着与一般电力系统不同的雷电防护问题，风力发电站的风塔有三个叶片，距离地面的高度达到120m-200m(发电量从2MW-10MW)，广泛的使用了玻璃钢等复合绝缘材料，雷电防护系统已经纳入到风力发电站的各个部分(如三个叶片的直击雷防护、气象传感器的直击雷防护、发电仓中电子控制柜和铁塔底部电力系统的雷电感应的防护和地电位反击的防护)，以确保所有可能的雷击点，不受雷电流的冲击而损坏，并在不造成损害和干扰的情况下，将雷电流从雷击点，安全引导入地。
与地震、飓风、火山爆发等其它自然灾害相比，雷电具有很大的多发性和随机性，所以具有更大的危险性和破坏性。在雷暴天气，我们所看见和听见的闪电和雷声，仅仅是雷电复杂的形成发展过程中的最后阶段。
经过科学家多年的努力研究，雷电产生的条件已研究得较为明晰，云对地通常(90％以上)是负闪击。最初的形成是雷雨前大气运动所形成数千米范围的大片带电荷的云层(雷云)，雷云下部是负电荷，当出现了预击穿，大量向下移动的电荷群叫梯级下行先导或线性下行先导放电，先导的电流可以从几百安培到3000安培，先导直径可达20米左右，由多个5mm-100mm高密度的多个核心电子束引导，快速地向地面移动。先导放电接近地面时可达到10兆伏左右的电压，当对地的强电场大于空气的击穿电压，那么地面或者地面建筑或其它导体或半导电的物体就会感应出极性相反的电荷，向上放电(叫上行先导，也称为连接先导)，连接先导在确定的目标雷击点上，起着非常重要的作用。先导过程中会形成一个具有高导电性能的电离通道，这一通道就是“回击”的专用的通道，雷云中的大量电荷通过高导电性能的电离通道泄放而形成闪电。
从富兰克林260多年前发明的传统的接闪引雷入地的避雷针其原理是：避雷针通过接地导线接地，当上空出现带电云层时，避雷针利用自身的高度，使电场强度增加到极限值的雷电云电场发生畸变，开始产生空气电离并引发下行先导放电；避雷针在强电场作用下产生尖端放电，形成向上先导放电；两者汇合形成雷电通路，随之泻入大地，达到避雷的效果，但是它不能解决雷电入地过程中产生的感应雷击和地电位反击。
实际上，在风力发电系统中，至今仍然沿用了避雷针引雷入地的原理，而实际上风力发电系统对直击雷防护提出了新的问题，IEC现有标准，(如：IEC61400-24 2010；IEC61024；IEC 61312；IEC 61662；IEC 61663)等。已不能适应风力发电系统防雷发展的要求。比如：
A.风力发电站遇到的不是一般的雷电防护问题。风力发电站有3三个叶片。不同的发电功率，比如2MW-10MW叶片长度为40m-100m,叶片顶部距离地面的高度最高可达到220m左右。叶片以4秒～6秒转动一圈，三个叶片上都设置有金属接闪器在叶片的顶部和中部。以叶片顶部和中部的接闪器为半径的圆运动，接闪点大大增加，按照传统的理念，接闪引雷入地的避雷针直击雷保护引雷入地更频繁，效果更好。但实际上由于频繁接闪，对叶片伤害和产生的雷电感应和地电位反击，使得对风力发电站的各个部分(如三个叶片的直击雷的防护，发电机组的直击雷防护，气象传感器的直击雷防护，电子控制柜和电力系统的雷电感应防护)提出了更高的雷电防护要求。
B.按照雷击原理，建(构)筑物高度超过60m，会发生侧击，电力系统的输变电塔杆易发生绕击。而风力发电机的高度通常超过150m，因而更易遭受雷击，雷电流大小随着高度的增加而加强，且是强雷击，即使做过了接闪引雷入地的防雷保护还是可能会使风力发电站的叶片和发电机组遭雷击损坏。
C.风力发电站暴露在最外面的组件叶片和引擎盖通常由复合材料所制成，不能承受直接雷击或传导雷电电流，而且叶片在旋转；
D.闪电电流必须通过风力发电机组件传导至地面，闪电电流的有效部分会直接通过或临近通过几乎所有风力发电机的组件；
F.强大的雷电流在传导入地过程中会在周边产生强大的电磁场，从而可能导致一些电子器件和电器组件的损坏或失效。
上述说明风力发电系统的现有的综合防雷技术仍然是基于直击雷防护采用引雷入地的与避雷针一样的金属接闪器，金属接闪器装在叶片顶部和中部(2MW以上在中部也要加装金属接闪器)，通过引下线接入地网。大电流从风塔入地的过程中，不可避免的产生雷电感应和地电位反击，其产生的危害将比普通的高大建筑更严重。
为了解决上述问题，从上世纪70、80年代开始，出现了新的防雷思路：将雷电的下行先导能量在空中耗散，使在局部不产生直击雷，没有直击雷的大电流入地，以此达到防雷击的效果。这种防雷方式，不让雷电产生或在保护区没有雷电成为了目前最为理想的防雷方式。针对风力发电系统的上述特点，更有必要应用这种新技术。
实际上，避雷针是引雷针，可将周围的雷电引来，将雷电电流通过自身的接地导体传向地下，避免保护对象直接遭雷击。在此基础上，九十年代初期国内外又推出了提前放电避雷针，它是利用雷云对地电场，在提前放电避雷针的装置中感应电压，从而产生向上的先导。
2006国内实用新型专利(专利号：ZL200620115493.4专利名称：“防闪电回闪保护装置”)及其功能为防闪电回闪，能够达到防止被保护区内发生直接雷击。该CPD回闪保护装置电流通流能力65KA。它存在的不足是“移动到雷电先导下降放电区的电荷量不足以封锁朝着被防护区域前进的雷电先导时”，存在着闪电回闪保护装置被雷击的可能性。该CPD回闪保护装置电流通流能力65KA。因此，此功能待研究解决。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在雷电云产生闪电使得风力发电站遭受雷击的问题，提供一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置。本装置可以大幅度减少风力发电站雷电灾害，尽可能避免了当风力发电机组的三个叶片任一个遭受到直击雷击，导致叶片和发电机损坏的问题，同时，减少了雷电感应和地电位反击导致风力发电系统的电子系统和电器设备损坏的可能性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，装置包括连接螺母、核心部件开关、上静电屏蔽盘、下静电屏蔽盘、法兰座以及接地螺母，核心部件开关包括至少四个高压大电流，其安装在上静电屏蔽盘和下静电屏蔽盘之间；上静电屏蔽盘设置有连接螺母，并通过连接螺母与叶片金属接闪器的引下线连接；下静电屏蔽盘与法兰座连接，法兰座设置有接地螺母，下静电屏蔽盘通过接地螺母接地。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，在上静电屏蔽盘和下静电屏蔽盘之间安装有四个相同的高压大电流开关，四个相同的高压大电流开关并联连接。当雷云下行先导在强电场感应下四个并联高压大电流开关导通，叶片金属接闪器开始聚集电荷，当下行先导强电场达到叶片金属接闪器聚集电荷的反向放电电场强时，出现上行先导，阻断了下行先导的产生，中止了雷闪的形成。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，在上静电屏蔽盘和下静电屏蔽盘之间并联连接的四个高压大电流开关最大雷电通流量为260kA。其中，每一个高压大电流开关雷电通流量为65kA，保证了装置在超强雷电情况下的可靠性、长寿命，同时在不可抗的超强雷电作用下，可能导致开路损坏其中1个、2个或3个，装置仍可以保证正常工作。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，高压大电流开关由高压氧化锌材料、铝合金、玻璃钢外壳，环氧树脂灌封构成。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，高压大电流开关采用高压氧化锌压敏电阻，由两个金属电极压接构成，两个金属电极之间的保护放电间隙为40mm。在超强雷电时可以直接分电流放电自保。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，上静电屏蔽盘和下静电屏蔽盘之间的保护放电间隙为70mm-90mm。在超强雷电时的高电压导致静电屏蔽盘之间直接发生闪络，分流放电，保护放电间隙为70mm-90mm可以保护核心部件不会损坏。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，连接螺母、上静电屏蔽盘、下静电屏蔽盘以及接地螺母采用304或者316不锈钢。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，装置串接在叶片金属接闪器的引下线与轮毂中的接地环之间。
作为本发明的优选方案，一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，装置总高度为260mm-290mm。相对于其他的防雷装置体量大大减少，适用于风力发电机组。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明通过装置串接在在原有的叶片金属接闪器的引下线至轮毂中的接地环之间阻断了下行先导的产生，中止了雷闪的形成；同时，装置采用的核心部件开关为并联连接的四个高压大电流开关，保证了装置在超强雷电情况下的可靠性、长寿命；最后，本发明的装置相对于其他的防雷装置体量大大减少，适用于风力发电机组；总之，本发明实现了尽可能的避免当风力发电机组的三个叶片遭受到直击雷击导致叶片和发电机损坏，并且，减少了雷电感应和地电位反击导致风力发电系统的电子系统和电器设备损坏的可能性。
附图说明
图1是本发明的装置结构示意图。
图2是本发明的核心部件开关俯视图。
图3是本发明的装置结构尺寸示意图。
图4是本发明的风力发电系统的新型直击雷防护装置防护原理图。
图5是本发明的高压大电流开关的非线性特性。
图标：1-连接螺母；2-核心部件开关；51-上静电屏蔽盘；52-下静电屏蔽盘；6-法兰座；7-接地螺母；91-下行先导；92-上行先导；10-先导对地电场；11-叶片金属接闪器；12-叶片金属接闪器引下线；13-传感器；14-风塔底部地网接地排。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
在风力发电系统中，2MW-10MW的风塔叶片长度可达到40-100m左右，塔高70-120m左右，雷云高度一般1000m-3000m左右，风力发电机叶片金属接闪器11分别分布在叶片的顶部和叶片侧面，叶片金属接闪器的引下线12汇入轮毂接地环上。本实施例的风电叶片和发电机组直击雷保护装置，串联在原有的叶片金属接闪器的引下线至轮毂中的接地环之间。
如图1所示结构图，风电叶片和发电机组的直击雷防护装置包括连接螺母1、核心部件开关2、上静电屏蔽盘51、下静电屏蔽盘52、法兰座6以及接地螺母7，核心部件开关2由四个相同的高压大电流开关组成，如图2所示的核心部件开关2俯视图，四个高压大电流开关分别为高压大电流开关21、高压大电流开关22、高压大电流开关23以及高压大电流开关24。
四个高压大电流开关并联连接，并联的一端与上静电屏蔽盘51连接，另一端与下静电屏蔽盘52连接；上静电屏蔽盘51设置有连接螺母1，并通过连接螺母1与叶片金属接闪器的引下线连接；下静电屏蔽盘52与法兰座6连接，法兰座6设置有接地螺母7，下静电屏蔽盘52通过接地螺母7接地。并联连接可以实现在不可抗的超强雷电作用下，导致开路损坏其中1个、2个或3个，装置仍可以保证正常工作。
同时，并联连接的四个高压大电流开关最大雷电通流量为260kA，其中，每一个高压大电流开关雷电通流量为65kA，保证了装置在超强雷电情况下的可靠性、长寿命。
如图3所示，高压大电流开关由高压氧化锌材料、铝合金、玻璃钢外壳，环氧树脂灌封构成。具体的，高压大电流开关采用高压氧化锌压敏电阻，由两个金属电极压接构成，两个金属电极之间的保护放电间隙为40mm；高压大电流开关安装在上静电屏蔽盘51和下静电屏蔽盘52之间，保护放电间隙设置为70mm-90mm，在超强雷电的情况下，高电压导致静电屏蔽盘51、52之间直接发生闪络时，出现分流放电，可以降低保护核心部件2损坏的可能性。
连接螺母1、上静电屏蔽盘51、下静电屏蔽盘52以及接地螺母7采用304或者316不锈钢。
如图4所示风力发电系统的新型直击雷防护装置防护原理图，带电雷云产生的下行先导91，在先导对地电场10的作用下，当电场强度达到设定的高压大电流开关导通电压时，如图5所示高压大电流开关的非线性特性，高压大电流开关以纳秒级的速度闭合导通，叶片金属接闪器11积累与下行先导符号相反的电荷，电场强度达到叶片金属接闪器积累电荷的反放电电场强时，则出现上行先导，截断了闪电形成的条件，即下行先导的产生，中止了雷闪的形成，进而避免了风力发电站遭受直击雷的危险；在电荷中和发生后，高压大电流开关电极对地电位差低于高压大电流开关的设定值，高压大电流开关自动关断，经过以上过程后，电极又回到初始状态，再开始进行下一次的电荷积累，由于高压大电流开关的开关速度为纳秒级，下行先导移动速度为几百微秒至几千微秒，高压大电流开关的开关速度远远快于下行先导移动的速度，大电流开关有足够的时间重复阻断雷电云中可能再次出现的下行先导放电，如此循环，本发明装置自动并有效地抑制了雷击的演变，消除了闪电的产生。
进一步的，原有新型直击雷保护装置高度为510mm，由金属电极、高压大电流开关、静电屏蔽环、固定基座四部分组成；风电叶片和发电机组直击雷保护装置总高度为260mm-290mm，主要由静电屏蔽盘、高压大电流开关、法兰座组成。风电叶片和发电机组直击雷保护装置在风力发电中的应用，是串联在原有叶片金属接闪器的引下线与轮毂中的接地环之间，对电荷的积累是由叶片上布设的金属接闪器完成，替代了原有新型直击雷保护装置的大气金属电极。因此，风电叶片和发电机组直击雷保护装置减少了外置的金属大气电极和静电屏蔽环等，高度大大的降低了。
综上所述，本装置确保了风力发电站正常运行，一方面结构上高度的减少，适用于风力发电机组；另一方面通过高压大电流开关导通之后，叶片金属接闪器积累与下行先导符号相反的电荷，积累电荷的反放电电场强时，则出现上行先导中和雷电云产生闪电的下行先导，中止了雷闪的形成，使风力发电站避免或尽可能减少遭受直接雷击，风力发电设备大幅度减少雷击损坏。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，其特征在于，装置包括连接螺母(1)、核心部件开关(2)、上静电屏蔽盘(51)、下静电屏蔽盘(52)、法兰座(6)以及接地螺母(7)，核心部件开关(2)包括至少四个高压大电流开关，其安装在上静电屏蔽盘(51)和下静电屏蔽盘(52)之间；上静电屏蔽盘(51)设置有连接螺母(1)，并通过连接螺母(1)与叶片金属接闪器的引下线连接；下静电屏蔽盘(52)与法兰座(6)连接，法兰座(6)设置有接地螺母(7)，下静电屏蔽盘(52)通过接地螺母(7)接地；
所述装置串接在叶片金属接闪器的引下线与轮载中的接地环之间；
在所述上静电屏蔽盘(51)和所述下静电屏蔽盘(52)之间安装有四个相同的高压大电流开关，所述四个相同的高压大电流开关并联连接；在所述上静电屏蔽盘(51)和所述下静电屏蔽盘(52)之间并联连接的四个高压大电流开关最大雷电通流量为260kA。
2.根据权利要求1所述的一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，其特征在于，所述高压大电流开关由高压氧化铮材料、铝合金、玻璃钢外壳，环氧树脂灌封构成。
3.根据权利要求2所述的一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，其特征在于，所述高压大电流开关采用高压氧化样压敏电阻，由两个金属电极压接构成，两个金属电极之间的保护放电间隙为40mm。
4.根据权利要求l所述的一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，其特征在于，所述上静电屏蔽盘(51)和所述下静电屏蔽盘(52)之间的保护放电间隙为70mm-90mm。
5.根据权利要求l所述的一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，其特征在于，所述连接螺母(1)、上静电屏蔽盘(51)、下静电屏蔽盘(52)以及接地螺母(7)采用304或者316不锈钢。
6.根据权利要求l所述的一种风电叶片和发电机组的直击雷防护装置，其特征在于，所述装置总高度为260mm-290mm。
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