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IEC61400-24:2019《風力發電機組 第24部分:雷電防護》更新內容解讀
1、標準的主要內容
本部分介紹IEC 61400-24:2019標準的主要內容。
第1章至第5章是該標準的范圍、規范性引用文件、術語、定義和縮略語,和上一版標準相比,主要更新并添加了相關術語和縮略詞的定義。
在第6章(風力發電機組雷電環境)中,根據IEC 62305-1提出了雷電環境的概念,并且基于IEC 62305-1中定義的雷電流參數,可確定風力發電機防雷系統(LPS)的尺寸規格、分析和試驗。關于雷電現象的資料信息已經更新,并轉移到附錄A(資料性附錄)“與風力發電機組相關的雷電現象”，本
節未引人相關更改。
此外，相關雷電參數也適用于海上風力發電機，因為沒有證據表明在海上相關雷電參數有明顯不同。
第6章還提出了冬季雷電(WL)的概念(見圖1),并在本次修訂中被概念化為在寒冷季節發生的雷擊，促使了高層結構上行閃電的形成。由于上行閃電，在暴露于冬季雷擊的地方，雷電電荷可能達到Qnash=600Cn。
第7章(雷電風險評估)用于確定兩個方面。首先，由于不同的暴露情況需要不同的雷電防護等級,需進行雷電風險評估。
其次,雷電風險評估考慮嚴重程度(設計和測試水平)和發生信息,可用于確定磨損部件和子系統的預期壽命。如果默認選擇LPL I級進行設計,則只應評估風力發電機和場地的年度暴露情況以及對人員造成受傷風險的情況,并且需要記錄在案。附錄K(資料性附錄)是有關基于風險管理的雷擊損壞分類指南。基于附錄B和IEC62305,描述了評估風力發電機及其引入線上或附近的雷擊的相關方法。
第8章(零部件的雷電防護)表示，除非詳細和記錄在案的風險評估證明低于LPL I級的保護水平對于特定的風力發電機在經濟上是最佳的,否則所有子組件應按照LPL I級進行保護，如表1所示，防雷區(LPZ)的定義取決于是否會被雷電直接擊中，以及雷電流的大小以及該區域預期的相關磁場和電場(見附錄E),有關LPZ使用的進一 步指導,請參見附錄E。
風力發電機制造商應定義并記錄葉片的雷電環.境,詳見附錄E(資料性附錄)“雷電環境和防雷區域(LPZ)的應用”。驗證接閃器系統和引下線系統攔截雷電流能力的方法與第一版標準相同，新增的附件N提供了用于驗證相似性的信息清單,新增的附件0中提供了如何驗證典型模擬方法的指南。
LPS的維護和檢查是根據現場的特定情況而定的。通過模擬分析或與制造商之前記錄的LPS設計進行比較,得到關于雷電有價值可靠的現場性能。附錄D (規范性附錄)“測試規范”有相關的測試要求。
葉片及額外的導電組件的安裝應與LPS相協調，可以通過絕緣或分離距離來實現協調。如果無法通過絕緣或分離距離確保協調,則應采用適當的等電位連接(有關間隔距離的信息,請參見IEC62305-3)。此外,第8章引入了軸承測試，表2描述了軸承和軸承保護設計概念的驗證。關于旋轉和靜止軸承測試的指導,包括示例測試設置說明,包含在附錄P(資料性附錄)中。
第9章(風力發電機組的接地)主要闡述風力發電機接地系統設計的要求,重點介紹DC-1MHz范圍內接地阻抗的瞬態動態響應，特別注意等電位連接和自然電流路徑,如塔架、軸承、滑環、火花間隙、塔段連接、機艙等。附錄Q (資料性附錄)是有關風電場接地系統的指南。
在管狀塔架內部的平臺一般被視為安全地點,因為塔架是一個近乎完美的法拉第籠。在出現雷暴以后，應讓在風力發電機組中的人員停止工作,并轉移到塔架內最近的平臺,直到雷暴過去。
第11章(雷電防護系統的文件記錄)總結其它各節所需的所有文件。風力發電機組雷電保護需要闡明獨立的結構和連接,并說明雷電保護區(LPZ)及其邊界的電路圖。附錄E(資料性附錄)“雷電環境和防雷區域(LPZ)的應用”給出了基本示例。
第12章(雷電防護系統的檢查)在風力發電機組調試過程中，應檢查雷電防護系統。在此過程中至少應進行目測檢查,并在無法檢查LPS的地方進行連續性測量。連續性測量應按照IEC 62305-3進行，并應使用適當的儀器進行,例如四線微歐姆表。有關定義測量點的示例,請參閱附錄J。檢查時應確保LPS的持續運行,建議在調試階段后的預定時間間隔內進行操作,安裝和調試。如果LPS設計方案中包含磨損部件(接閃點、機械滑動觸點、火花間隙、電涌保護設備等),應確保在定期檢查中定期維護好這些部件并保證其預期使用壽命。
2、資料性附錄
資料性附錄可以用作風力發電機的雷電保護的可靠信息源。
(1)附錄A (資料性附錄)“與風力發電機組相關的雷電現象”本附錄目的是以簡短的形式提供與理解雷電現象有關的最必要信息以及雷電與風力發電機相互作用時所涉及的過程。文獻頁提供了更全面的信息。
(2)附錄B (資料性附錄)“雷電暴露評估”提出并描述了確定風電場風力發電機的年平均雷擊次數的方法,用于評估風力發電機的雷擊次數和損壞。易受冬季雷電(WL)活動影響的地理區域進行了更新,并首次納入WL世界地圖;這為WL活動較高的地區(如日本西海岸)提供設計風電場的有用信息。IEC 62305-2定義了在風電場中基于概率計算估算損壞和損失的術語。為了適應風力發電機的計算,附錄B編輯了相關的術語。
(3)附錄C (資料性附錄)“保護葉片的方法”本附錄更新了葉片LPS的最新設計和最佳實踐。圖2描繪了在葉片中實現的常見LPS,包括了不同接閃器系統(接閃器),金屬網和引下線及其組合的不同類型和設計。
基于過去十年中研究的幾種葉片設計,大量現場數據顯示了葉片尖端區域雷擊概率更高的趨勢。表3顯示了基于數年收集數據的轉子葉片的預期附著分布。
制造商可以自由地為特定的葉片設計定義單位雷電暴露,前提是該暴露通過分析或現場數據記錄得來，或者用本附錄中提出的雷電環境概念作為LPS設計的實用信息(不具有約束力)。針對暴露于不同的直擊雷, A型葉片雷電環境將轉子葉片分為四個區域，而B型則使用兩個區域,每個區域對應的LPL等級是不同的1。
(5)附錄F (資料性附錄)“在風力發電機組內選擇并安裝協調配合的SPD浪涌保護器防護”
電涌保護裝置(SPD)是保護風力發電機電氣設備(控制和電力)免受電涌影響的重要部件。本附錄闡述了有關SPD浪涌保護器協調,安裝和操作的建議。
本附錄闡述了關于風力發電機中的等電位連接和屏蔽以及如何設計和確保正確功能的實際且有用的討論。公開了一-些實用信息,包括瞬態電壓計算、屏蔽、磁耦合、傳遞阻抗和具有建議值的安裝技術。
本附錄闡述了可用于系統電位抗擾度試驗的試驗方法。在-般性系統試驗中，將該設備啟動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。其中,應連接適用的附加回路,例如通訊線路、傳感器、電機。此外，還包括在屏蔽和非屏蔽線路或電纜的情況下注人測試電流的各種示例。
(8)附錄I (資料性附錄)“接地系統”
本附錄包含應用于風力發電機裝置中的典型接地系統的分類、設計和安裝的建議。例如,形成風力發電機基礎的一部分的結構鋼筋可以用作接地系統,目的是獲得最低的接地電阻。如果選擇安裝一個單獨的帶有接地極的接地系統，必須確保接地系統與地基鋼筋保持適當的連
接,以避免在設計電氣設備中出現意外的電弧和危險的電位上升(跨步和觸摸電壓)，特別是當這些系統安裝在公共區域時。
(9)附錄J (資料性附錄)“界定的測量點示例”
附錄J是一-個關于測量點的示例。
(10)附錄K(資料性附錄)“基于風險管理的雷電損壞分類'
風電發電機的防雷包括制造商的設計和操作人員的維護，應從風險管理的角度出發。采取單一對策來保護所有類型的雷擊損壞是不合理的,因為雷擊損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的對策,以滿足安全要求和經濟
預算是極其重要的。根據日本WL損壞經驗的最新發現,提出了一種表征損壞模式的方法，以便進行比較并制定對策。
(11)附錄L (資料性附錄)“監測系統”
本附錄包含了有關監測系統的建議。風力渦輪機配備設備以檢測雷擊,同時監控此類雷擊的當前水平,并向控制中心或操作員提供關于已經影響風力發電機的雷擊水平的信息,有助于排除損壞并且及時地遠程恢復風力發電機的操作。
小型風力發電機”指的是轉子掃風面積小于或等于200m2的風力發電機,適用于低于1000VAC或1500VDC的電壓下的并網和離網狀態。這類風力發電機被稱為小型或微型發電機。這些通常設計用于家庭或輕工業應用,其中電力主要用于現場使用。
小型風力發電機的雷電暴露和環境與大型風力發電機有很大不同,因此防雷的要求也將大不相同。
(13)附錄N(資料性附錄)“葉片相似性驗證指南”
對于根據長度,層壓板鋪設等不同的替代或新的轉子葉片設計,有可能通過相似性要求驗證。如果葉片設計沒有明顯偏離先前驗證的設計,并且葉片相對于雷電環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,可以基于例如長期經驗為風力發電機的LPS設計提供有用的指導。
用于設計和驗證風力發電機中LPS的數學方法應該根據類似幾何學的測試結果進行驗證。本資料性附錄提供了關于如何使用所提供的通用幾何學實現此類驗證的實用和簡單指南。使用分析或數學方法進行工程分析的技術提供者應通過與測試結果或現場數據進行比較來記錄其計算程序是否足以達到此目的。
(15)附錄P (資料性附錄)“旋轉部件的測試”
本附錄的測試適用于風力發電機轉子葉片的軸承,主要目的是確定軸承的載流量。圖3為測試變槳軸承的示例。
關于試樣和試驗裝置,本附錄描述的基本試驗原理區分了在發生雷擊時可被視為靜止或準靜止的軸承,例如變槳軸承,或發生雷擊可被視為旋轉的軸承,例如主軸承。
(16)附錄Q (資料性附錄)“風電場接地系統”
風電場通常由確定數量的風力發電機、建筑物、電纜或架空線、基礎設施、高壓變電站和信號電纜組成。每個風力發電機應有自己的接地系統。各個風力發電機和高壓子站的接地系統應該優先地與水平接地導體相連接,以形成整個風電場接地系統。風力發電機組接地系統之間的連接應采用接地導體并采用連接風力發電機組的電力采集電纜的路徑。
風電場的接地系統對于保護電氣系統非常重要,因為低阻抗接地系統減少了風電場的不同結構之間的電位差,因此減少了對電氣系統的干擾。
3、規范性附錄
該更新的標準包括在所有4個葉片槳距角處相對于地平面在90°，30°和10°方向上的葉片的初始先導雷擊測試，如圖4所示。地平面代表發電機上方的電場中的等電位平面。
對于雙葉片轉子,沿葉片的附件分布將與三葉片轉子不同。因此,高壓初始引導附著測試應該以更低的角度(優選盡可能接近0° )進行，以證明尖端以及葉片的內側部分具有足夠的攔截效果。
所使用的電壓波形應為雙指數切換式沖擊電壓,至峰值時間為250μs+20%,并且至半峰值衰減時間為2500μs土60%。由于這種電壓波形最能代表初始先導雷擊過程中結構附近的電場,因此選擇這種電壓波形。
高壓后續雷擊測試介紹了接閃器周圍區域的詳細設計,圖5是該測試的布置。目的是模擬在初始先導裝置連接到接收器并且雷電流到達之后由于葉片的運動而沿著掃過先導裝置產生的電壓，這種情況可以解釋有時在接收器后觀察到的擊穿。
在該測試中，葉片樣品LPS接地,并且將電壓施加到位于掃掠通道區域內的后緣處的球形電極。成功的測試結果是當通過空氣中的明顯閃絡或葉片外表面上的表面閃絡沒有將表面擊穿,外部接閃器能夠攔截放電。如果發生擊穿,可以調整本地葉片的保護設計以防止擊穿。
在柔性電流路徑(滑動觸點,電刷，軸承,火花隙等)或其他設計中，其中電流和電荷部分在開放電弧中傳輸,引人長雷擊元件后進行傳導電流測試,以重現電弧根造成損壞。
4、結論
本文介紹了IEC 61400-24:2019《風力發電機組 第24部分:雷電防護》更新的內容,該標準由國際電工委員會IEC/TC/88/MT24工作組編寫。此次標準修訂是基于第一版標準發布以來近十年積累的成熟經驗,重點關注了標準化雷擊和過電壓保護實踐的要求。
參考文獻：
