风电用过电压保护器

     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至小。

图一 雷击损坏的风力发电设备

     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。雷击保护比较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疼的“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TBP-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。

图二 690V风电专门使用电涌保护器

     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。

表一 690V电涌保护器的环境选型

     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。

表二 690V电涌保护器的典型技术参数

     SBTG风电变电用过电压保护器，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。

表三 风电配电专门使用过电压保护器的典型技术参数

图三 风电专门使用大容量过电压保护器（35kV）

     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重点关键。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。