IEC61400-24:2019《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第24部分:雷電防護(hù)》更新內(nèi)容解讀
1、標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容
本部分介紹IEC 61400-24:2019標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容。
第1章至第5章是該標(biāo)準(zhǔn)的范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)、定義和縮略語(yǔ),和上一版標(biāo)準(zhǔn)相比,主要更新并添加了相關(guān)術(shù)語(yǔ)和縮略詞的定義。
在第6章(風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電環(huán)境)中,根據(jù)IEC 62305-1提出了雷電環(huán)境的概念,并且基于IEC 62305-1中定義的雷電流參數(shù),可確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷系統(tǒng)(LPS)的尺寸規(guī)格、分析和試驗(yàn)。關(guān)于雷電現(xiàn)象的資料信息已經(jīng)更新,并轉(zhuǎn)移到附錄A(資料性附錄)“與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)的雷電現(xiàn)象”,本
節(jié)未引人相關(guān)更改。
此外,相關(guān)雷電參數(shù)也適用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī),因?yàn)闆](méi)有證據(jù)表明在海上相關(guān)雷電參數(shù)有明顯不同。
第6章還提出了冬季雷電(WL)的概念(見(jiàn)圖1),并在本次修訂中被概念化為在寒冷季節(jié)發(fā)生的雷擊,促使了高層結(jié)構(gòu)上行閃電的形成。由于上行閃電,在暴露于冬季雷擊的地方,雷電電荷可能達(dá)到Qnash=600Cn。
第7章(雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估)用于確定兩個(gè)方面。首先,由于不同的暴露情況需要不同的雷電防護(hù)等級(jí),需進(jìn)行雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
其次,雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估考慮嚴(yán)重程度(設(shè)計(jì)和測(cè)試水平)和發(fā)生信息,可用于確定磨損部件和子系統(tǒng)的預(yù)期壽命。如果默認(rèn)選擇LPL I級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì),則只應(yīng)評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)和場(chǎng)地的年度暴露情況以及對(duì)人員造成受傷風(fēng)險(xiǎn)的情況,并且需要記錄在案。附錄K(資料性附錄)是有關(guān)基于風(fēng)險(xiǎn)管理的雷擊損壞分類指南。基于附錄B和IEC62305,描述了評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其引入線上或附近的雷擊的相關(guān)方法。
第8章(零部件的雷電防護(hù))表示,除非詳細(xì)和記錄在案的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估證明低于LPL I級(jí)的保護(hù)水平對(duì)于特定的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在經(jīng)濟(jì)上是最佳的,否則所有子組件應(yīng)按照LPL I級(jí)進(jìn)行保護(hù),如表1所示,防雷區(qū)(LPZ)的定義取決于是否會(huì)被雷電直接擊中,以及雷電流的大小以及該區(qū)域預(yù)期的相關(guān)磁場(chǎng)和電場(chǎng)(見(jiàn)附錄E),有關(guān)LPZ使用的進(jìn)一 步指導(dǎo),請(qǐng)參見(jiàn)附錄E。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商應(yīng)定義并記錄葉片的雷電環(huán).境,詳見(jiàn)附錄E(資料性附錄)“雷電環(huán)境和防雷區(qū)域(LPZ)的應(yīng)用”。驗(yàn)證接閃器系統(tǒng)和引下線系統(tǒng)攔截雷電流能力的方法與第一版標(biāo)準(zhǔn)相同,新增的附件N提供了用于驗(yàn)證相似性的信息清單,新增的附件0中提供了如何驗(yàn)證典型模擬方法的指南。
LPS的維護(hù)和檢查是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的特定情況而定的。通過(guò)模擬分析或與制造商之前記錄的LPS設(shè)計(jì)進(jìn)行比較,得到關(guān)于雷電有價(jià)值可靠的現(xiàn)場(chǎng)性能。附錄D (規(guī)范性附錄)“測(cè)試規(guī)范”有相關(guān)的測(cè)試要求。
葉片及額外的導(dǎo)電組件的安裝應(yīng)與LPS相協(xié)調(diào),可以通過(guò)絕緣或分離距離來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)。如果無(wú)法通過(guò)絕緣或分離距離確保協(xié)調(diào),則應(yīng)采用適當(dāng)?shù)牡入娢贿B接(有關(guān)間隔距離的信息,請(qǐng)參見(jiàn)IEC62305-3)。此外,第8章引入了軸承測(cè)試,表2描述了軸承和軸承保護(hù)設(shè)計(jì)概念的驗(yàn)證。關(guān)于旋轉(zhuǎn)和靜止軸承測(cè)試的指導(dǎo),包括示例測(cè)試設(shè)置說(shuō)明,包含在附錄P(資料性附錄)中。

第9章(風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地)主要闡述風(fēng)力發(fā)電機(jī)接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,重點(diǎn)介紹DC-1MHz范圍內(nèi)接地阻抗的瞬態(tài)動(dòng)態(tài)響應(yīng),特別注意等電位連接和自然電流路徑,如塔架、軸承、滑環(huán)、火花間隙、塔段連接、機(jī)艙等。附錄Q (資料性附錄)是有關(guān)風(fēng)電場(chǎng)接地系統(tǒng)的指南。
在管狀塔架內(nèi)部的平臺(tái)一般被視為安全地點(diǎn),因?yàn)樗苁且粋€(gè)近乎完美的法拉第籠。在出現(xiàn)雷暴以后,應(yīng)讓在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的人員停止工作,并轉(zhuǎn)移到塔架內(nèi)最近的平臺(tái),直到雷暴過(guò)去。
第11章(雷電防護(hù)系統(tǒng)的文件記錄)總結(jié)其它各節(jié)所需的所有文件。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電保護(hù)需要闡明獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和連接,并說(shuō)明雷電保護(hù)區(qū)(LPZ)及其邊界的電路圖。附錄E(資料性附錄)“雷電環(huán)境和防雷區(qū)域(LPZ)的應(yīng)用”給出了基本示例。
第12章(雷電防護(hù)系統(tǒng)的檢查)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試過(guò)程中,應(yīng)檢查雷電防護(hù)系統(tǒng)。在此過(guò)程中至少應(yīng)進(jìn)行目測(cè)檢查,并在無(wú)法檢查L(zhǎng)PS的地方進(jìn)行連續(xù)性測(cè)量。連續(xù)性測(cè)量應(yīng)按照IEC 62305-3進(jìn)行,并應(yīng)使用適當(dāng)?shù)膬x器進(jìn)行,例如四線微歐姆表。有關(guān)定義測(cè)量點(diǎn)的示例,請(qǐng)參閱附錄J。檢查時(shí)應(yīng)確保LPS的持續(xù)運(yùn)行,建議在調(diào)試階段后的預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行操作,安裝和調(diào)試。如果LPS設(shè)計(jì)方案中包含磨損部件(接閃點(diǎn)、機(jī)械滑動(dòng)觸點(diǎn)、火花間隙、電涌保護(hù)設(shè)備等),應(yīng)確保在定期檢查中定期維護(hù)好這些部件并保證其預(yù)期使用壽命。
2、資料性附錄
資料性附錄可以用作風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電保護(hù)的可靠信息源。
(1)附錄A (資料性附錄)“與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)的雷電現(xiàn)象”本附錄目的是以簡(jiǎn)短的形式提供與理解雷電現(xiàn)象有關(guān)的最必要信息以及雷電與風(fēng)力發(fā)電機(jī)相互作用時(shí)所涉及的過(guò)程。文獻(xiàn)頁(yè)提供了更全面的信息。
(2)附錄B (資料性附錄)“雷電暴露評(píng)估”提出并描述了確定風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年平均雷擊次數(shù)的方法,用于評(píng)估風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷擊次數(shù)和損壞。易受冬季雷電(WL)活動(dòng)影響的地理區(qū)域進(jìn)行了更新,并首次納入WL世界地圖;這為WL活動(dòng)較高的地區(qū)(如日本西海岸)提供設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)的有用信息。IEC 62305-2定義了在風(fēng)電場(chǎng)中基于概率計(jì)算估算損壞和損失的術(shù)語(yǔ)。為了適應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的計(jì)算,附錄B編輯了相關(guān)的術(shù)語(yǔ)。
(3)附錄C (資料性附錄)“保護(hù)葉片的方法”本附錄更新了葉片LPS的最新設(shè)計(jì)和最佳實(shí)踐。圖2描繪了在葉片中實(shí)現(xiàn)的常見(jiàn)LPS,包括了不同接閃器系統(tǒng)(接閃器),金屬網(wǎng)和引下線及其組合的不同類型和設(shè)計(jì)。
基于過(guò)去十年中研究的幾種葉片設(shè)計(jì),大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示了葉片尖端區(qū)域雷擊概率更高的趨勢(shì)。表3顯示了基于數(shù)年收集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)子葉片的預(yù)期附著分布。
制造商可以自由地為特定的葉片設(shè)計(jì)定義單位雷電暴露,前提是該暴露通過(guò)分析或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)記錄得來(lái),或者用本附錄中提出的雷電環(huán)境概念作為L(zhǎng)PS設(shè)計(jì)的實(shí)用信息(不具有約束力)。針對(duì)暴露于不同的直擊雷, A型葉片雷電環(huán)境將轉(zhuǎn)子葉片分為四個(gè)區(qū)域,而B(niǎo)型則使用兩個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的LPL等級(jí)是不同的1。
(5)附錄F (資料性附錄)“在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)選擇并安裝協(xié)調(diào)配合的SPD浪涌保護(hù)器防護(hù)”
電涌保護(hù)裝置(SPD)是保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣設(shè)備(控制和電力)免受電涌影響的重要部件。本附錄闡述了有關(guān)SPD浪涌保護(hù)器協(xié)調(diào),安裝和操作的建議。
本附錄闡述了關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的等電位連接和屏蔽以及如何設(shè)計(jì)和確保正確功能的實(shí)際且有用的討論。公開(kāi)了一-些實(shí)用信息,包括瞬態(tài)電壓計(jì)算、屏蔽、磁耦合、傳遞阻抗和具有建議值的安裝技術(shù)。
本附錄闡述了可用于系統(tǒng)電位抗擾度試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。在-般性系統(tǒng)試驗(yàn)中,將該設(shè)備啟動(dòng)并連接于其額定電源電壓,并施加所安裝SPD的額定放電電流參數(shù)。其中,應(yīng)連接適用的附加回路,例如通訊線路、傳感器、電機(jī)。此外,還包括在屏蔽和非屏蔽線路或電纜的情況下注人測(cè)試電流的各種示例。
(8)附錄I (資料性附錄)“接地系統(tǒng)”
本附錄包含應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置中的典型接地系統(tǒng)的分類、設(shè)計(jì)和安裝的建議。例如,形成風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的一部分的結(jié)構(gòu)鋼筋可以用作接地系統(tǒng),目的是獲得最低的接地電阻。如果選擇安裝一個(gè)單獨(dú)的帶有接地極的接地系統(tǒng),必須確保接地系統(tǒng)與地基鋼筋保持適當(dāng)?shù)倪B
接,以避免在設(shè)計(jì)電氣設(shè)備中出現(xiàn)意外的電弧和危險(xiǎn)的電位上升(跨步和觸摸電壓),特別是當(dāng)這些系統(tǒng)安裝在公共區(qū)域時(shí)。
(9)附錄J (資料性附錄)“界定的測(cè)量點(diǎn)示例”
附錄J是一-個(gè)關(guān)于測(cè)量點(diǎn)的示例。
(10)附錄K(資料性附錄)“基于風(fēng)險(xiǎn)管理的雷電損壞分類'
風(fēng)電發(fā)電機(jī)的防雷包括制造商的設(shè)計(jì)和操作人員的維護(hù),應(yīng)從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度出發(fā)。采取單一對(duì)策來(lái)保護(hù)所有類型的雷擊損壞是不合理的,因?yàn)槔讚魮p壞的程度都是不一樣的。了解雷擊損壞及其可能的原因和相應(yīng)的對(duì)策,以滿足安全要求和經(jīng)濟(jì)
預(yù)算是極其重要的。根據(jù)日本W(wǎng)L損壞經(jīng)驗(yàn)的最新發(fā)現(xiàn),提出了一種表征損壞模式的方法,以便進(jìn)行比較并制定對(duì)策。
(11)附錄L (資料性附錄)“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”
本附錄包含了有關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建議。風(fēng)力渦輪機(jī)配備設(shè)備以檢測(cè)雷擊,同時(shí)監(jiān)控此類雷擊的當(dāng)前水平,并向控制中心或操作員提供關(guān)于已經(jīng)影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷擊水平的信息,有助于排除損壞并且及時(shí)地遠(yuǎn)程恢復(fù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的操作。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)”指的是轉(zhuǎn)子掃風(fēng)面積小于或等于200m2的風(fēng)力發(fā)電機(jī),適用于低于1000VAC或1500VDC的電壓下的并網(wǎng)和離網(wǎng)狀態(tài)。這類風(fēng)力發(fā)電機(jī)被稱為小型或微型發(fā)電機(jī)。這些通常設(shè)計(jì)用于家庭或輕工業(yè)應(yīng)用,其中電力主要用于現(xiàn)場(chǎng)使用。
小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷電暴露和環(huán)境與大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)有很大不同,因此防雷的要求也將大不相同。
(13)附錄N(資料性附錄)“葉片相似性驗(yàn)證指南”
對(duì)于根據(jù)長(zhǎng)度,層壓板鋪設(shè)等不同的替代或新的轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì),有可能通過(guò)相似性要求驗(yàn)證。如果葉片設(shè)計(jì)沒(méi)有明顯偏離先前驗(yàn)證的設(shè)計(jì),并且葉片相對(duì)于雷電環(huán)境的功能性能非常相似,則這是允許的。
在本附錄中描述的相似性約束,可以基于例如長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的LPS設(shè)計(jì)提供有用的指導(dǎo)。
用于設(shè)計(jì)和驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電機(jī)中LPS的數(shù)學(xué)方法應(yīng)該根據(jù)類似幾何學(xué)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本資料性附錄提供了關(guān)于如何使用所提供的通用幾何學(xué)實(shí)現(xiàn)此類驗(yàn)證的實(shí)用和簡(jiǎn)單指南。使用分析或數(shù)學(xué)方法進(jìn)行工程分析的技術(shù)提供者應(yīng)通過(guò)與測(cè)試結(jié)果或現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來(lái)記錄其計(jì)算程序是否足以達(dá)到此目的。
(15)附錄P (資料性附錄)“旋轉(zhuǎn)部件的測(cè)試”
本附錄的測(cè)試適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子葉片的軸承,主要目的是確定軸承的載流量。圖3為測(cè)試變槳軸承的示例。
關(guān)于試樣和試驗(yàn)裝置,本附錄描述的基本試驗(yàn)原理區(qū)分了在發(fā)生雷擊時(shí)可被視為靜止或準(zhǔn)靜止的軸承,例如變槳軸承,或發(fā)生雷擊可被視為旋轉(zhuǎn)的軸承,例如主軸承。
(16)附錄Q (資料性附錄)“風(fēng)電場(chǎng)接地系統(tǒng)”
風(fēng)電場(chǎng)通常由確定數(shù)量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)、建筑物、電纜或架空線、基礎(chǔ)設(shè)施、高壓變電站和信號(hào)電纜組成。每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)有自己的接地系統(tǒng)。各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和高壓子站的接地系統(tǒng)應(yīng)該優(yōu)先地與水平接地導(dǎo)體相連接,以形成整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)接地系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接地系統(tǒng)之間的連接應(yīng)采用接地導(dǎo)體并采用連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電力采集電纜的路徑。
風(fēng)電場(chǎng)的接地系統(tǒng)對(duì)于保護(hù)電氣系統(tǒng)非常重要,因?yàn)榈妥杩菇拥叵到y(tǒng)減少了風(fēng)電場(chǎng)的不同結(jié)構(gòu)之間的電位差,因此減少了對(duì)電氣系統(tǒng)的干擾。
3、規(guī)范性附錄
該更新的標(biāo)準(zhǔn)包括在所有4個(gè)葉片槳距角處相對(duì)于地平面在90°,30°和10°方向上的葉片的初始先導(dǎo)雷擊測(cè)試,如圖4所示。地平面代表發(fā)電機(jī)上方的電場(chǎng)中的等電位平面。

對(duì)于雙葉片轉(zhuǎn)子,沿葉片的附件分布將與三葉片轉(zhuǎn)子不同。因此,高壓初始引導(dǎo)附著測(cè)試應(yīng)該以更低的角度(優(yōu)選盡可能接近0° )進(jìn)行,以證明尖端以及葉片的內(nèi)側(cè)部分具有足夠的攔截效果。
所使用的電壓波形應(yīng)為雙指數(shù)切換式?jīng)_擊電壓,至峰值時(shí)間為250μs+20%,并且至半峰值衰減時(shí)間為2500μs土60%。由于這種電壓波形最能代表初始先導(dǎo)雷擊過(guò)程中結(jié)構(gòu)附近的電場(chǎng),因此選擇這種電壓波形。
高壓后續(xù)雷擊測(cè)試介紹了接閃器周圍區(qū)域的詳細(xì)設(shè)計(jì),圖5是該測(cè)試的布置。目的是模擬在初始先導(dǎo)裝置連接到接收器并且雷電流到達(dá)之后由于葉片的運(yùn)動(dòng)而沿著掃過(guò)先導(dǎo)裝置產(chǎn)生的電壓,這種情況可以解釋有時(shí)在接收器后觀察到的擊穿。

在該測(cè)試中,葉片樣品LPS接地,并且將電壓施加到位于掃掠通道區(qū)域內(nèi)的后緣處的球形電極。成功的測(cè)試結(jié)果是當(dāng)通過(guò)空氣中的明顯閃絡(luò)或葉片外表面上的表面閃絡(luò)沒(méi)有將表面擊穿,外部接閃器能夠攔截放電。如果發(fā)生擊穿,可以調(diào)整本地葉片的保護(hù)設(shè)計(jì)以防止擊穿。

在柔性電流路徑(滑動(dòng)觸點(diǎn),電刷,軸承,火花隙等)或其他設(shè)計(jì)中,其中電流和電荷部分在開(kāi)放電弧中傳輸,引人長(zhǎng)雷擊元件后進(jìn)行傳導(dǎo)電流測(cè)試,以重現(xiàn)電弧根造成損壞。
4、結(jié)論
本文介紹了IEC 61400-24:2019《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第24部分:雷電防護(hù)》更新的內(nèi)容,該標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際電工委員會(huì)IEC/TC/88/MT24工作組編寫(xiě)。此次標(biāo)準(zhǔn)修訂是基于第一版標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布以來(lái)近十年積累的成熟經(jīng)驗(yàn),重點(diǎn)關(guān)注了標(biāo)準(zhǔn)化雷擊和過(guò)電壓保護(hù)實(shí)踐的要求。
參考文獻(xiàn):

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