IEC61400-24:2019《风力发电机组 第24部分:雷电防护》更新内容解读

2022-03-02 · 阅读1952

1、标准的主要内容

本部分介绍IEC 61400-24:2019标准的主要内容。

第1章至第5章是该标准的范围、规范性引用文件、术语、定义和缩略语,和上一版标准相比,主要更新并添加了相关术语和缩略词的定义。

在第6章(风力发电机组雷电环境)中,根据IEC 62305-1提出了雷电环境的概念,并且基于IEC 62305-1中定义的雷电流参数,可确定风力发电机防雷系统(LPS)的尺寸规格、分析和试验。关于雷电现象的资料信息已经更新,并转移到附录A(资料性附录)“与风力发电机组相关的雷电现象”，本

节未引人相关更改。

此外，相关雷电参数也适用于海上风力发电机，因为没有证据表明在海上相关雷电参数有明显不同。

第6章还提出了冬季雷电(WL)的概念(见图1),并在本次修订中被概念化为在寒冷季节发生的雷击，促使了高层结构上行闪电的形成。由于上行闪电，在暴露于冬季雷击的地方，雷电电荷可能达到Qnash=600Cn。

第7章(雷电风险评估)用于确定两个方面。首先，由于不同的暴露情况需要不同的雷电防护等级,需进行雷电风险评估。

其次,雷电风险评估考虑严重程度(设计和测试水平)和发生信息,可用于确定磨损部件和子系统的预期寿命。如果默认选择LPL I级进行设计,则只应评估风力发电机和场地的年度暴露情况以及对人员造成受伤风险的情况,并且需要记录在案。附录K(资料性附录)是有关基于风险管理的雷击损坏分类指南。基于附录B和IEC62305,描述了评估风力发电机及其引入线上或附近的雷击的相关方法。

第8章(零部件的雷电防护)表示，除非详细和记录在案的风险评估证明低于LPL I级的保护水平对于特定的风力发电机在经济上是最佳的,否则所有子组件应按照LPL I级进行保护，如表1所示，防雷区(LPZ)的定义取决于是否会被雷电直接击中，以及雷电流的大小以及该区域预期的相关磁场和电场(见附录E),有关LPZ使用的进一 步指导,请参见附录E。

风力发电机制造商应定义并记录叶片的雷电环.境,详见附录E(资料性附录)“雷电环境和防雷区域(LPZ)的应用”。验证接闪器系统和引下线系统拦截雷电流能力的方法与第一版标准相同，新增的附件N提供了用于验证相似性的信息清单,新增的附件0中提供了如何验证典型模拟方法的指南。

LPS的维护和检查是根据现场的特定情况而定的。通过模拟分析或与制造商之前记录的LPS设计进行比较,得到关于雷电有价值可靠的现场性能。附录D (规范性附录)“测试规范”有相关的测试要求。

叶片及额外的导电组件的安装应与LPS相协调，可以通过绝缘或分离距离来实现协调。如果无法通过绝缘或分离距离确保协调,则应采用适当的等电位连接(有关间隔距离的信息,请参见IEC62305-3)。此外,第8章引入了轴承测试，表2描述了轴承和轴承保护设计概念的验证。关于旋转和静止轴承测试的指导,包括示例测试设置说明,包含在附录P(资料性附录)中。

第9章(风力发电机组的接地)主要阐述风力发电机接地系统设计的要求,重点介绍DC-1MHz范围内接地阻抗的瞬态动态响应，特别注意等电位连接和自然电流路径,如塔架、轴承、滑环、火花间隙、塔段连接、机舱等。附录Q (资料性附录)是有关风电场接地系统的指南。

第10章(人身安全)提到,在机舱外面以及叶片上工作的人员会面临风险。在工作人员走出风力发电机组塔架,站在塔架旁边,攀爬梯子,触摸或操作电路,连接通信系统线路时，如果雷电击中风力发电机组,就会给他们带来危险。因此，在这种情况下，应让他们停止工作,转移到安全地点，直到危险过去为止。

在管状塔架内部的平台一般被视为安全地点,因为塔架是一个近乎完美的法拉第笼。在出现雷暴以后，应让在风力发电机组中的人员停止工作,并转移到塔架内最近的平台,直到雷暴过去。

第11章(雷电防护系统的文件记录)总结其它各节所需的所有文件。风力发电机组雷电保护需要阐明独立的结构和连接,并说明雷电保护区(LPZ)及其边界的电路图。附录E(资料性附录)“雷电环境和防雷区域(LPZ)的应用”给出了基本示例。

第12章(雷电防护系统的检查)在风力发电机组调试过程中，应检查雷电防护系统。在此过程中至少应进行目测检查,并在无法检查LPS的地方进行连续性测量。连续性测量应按照IEC 62305-3进行，并应使用适当的仪器进行,例如四线微欧姆表。有关定义测量点的示例,请参阅附录J。检查时应确保LPS的持续运行,建议在调试阶段后的预定时间间隔内进行操作,安装和调试。如果LPS设计方案中包含磨损部件(接闪点、机械滑动触点、火花间隙、电涌保护设备等),应确保在定期检查中定期维护好这些部件并保证其预期使用寿命。

2、资料性附录

资料性附录可以用作风力发电机的雷电保护的可靠信息源。
(1)附录A (资料性附录)“与风力发电机组相关的雷电现象”本附录目的是以简短的形式提供与理解雷电现象有关的最必要信息以及雷电与风力发电机相互作用时所涉及的过程。文献页提供了更全面的信息。

(2)附录B (资料性附录)“雷电暴露评估”提出并描述了确定风电场风力发电机的年平均雷击次数的方法,用于评估风力发电机的雷击次数和损坏。易受冬季雷电(WL)活动影响的地理区域进行了更新,并首次纳入WL世界地图;这为WL活动较高的地区(如日本西海岸)提供设计风电场的有用信息。IEC 62305-2定义了在风电场中基于概率计算估算损坏和损失的术语。为了适应风力发电机的计算,附录B编辑了相关的术语。

(3)附录C (资料性附录)“保护叶片的方法”本附录更新了叶片LPS的最新设计和最佳实践。图2描绘了在叶片中实现的常见LPS,包括了不同接闪器系统(接闪器),金属网和引下线及其组合的不同类型和设计。

基于过去十年中研究的几种叶片设计,大量现场数据显示了叶片尖端区域雷击概率更高的趋势。表3显示了基于数年收集数据的转子叶片的预期附着分布。

(4)附录E (资料性附录)“雷电环境和雷电防护区(LPZ)应用”
制造商可以自由地为特定的叶片设计定义单位雷电暴露,前提是该暴露通过分析或现场数据记录得来，或者用本附录中提出的雷电环境概念作为LPS设计的实用信息(不具有约束力)。针对暴露于不同的直击雷, A型叶片雷电环境将转子叶片分为四个区域，而B型则使用两个区域,每个区域对应的LPL等级是不同的1。

(5)附录F (资料性附录)“在风力发电机组内选择并安装协调配合的SPD浪涌保护器防护”

电涌保护装置(SPD)是保护风力发电机电气设备(控制和电力)免受电涌影响的重要部件。本附录阐述了有关SPD浪涌保护器协调,安装和操作的建议。

(6)附录G(资料性附录)“关于等电位连接及屏蔽及安装工艺的信息”

本附录阐述了关于风力发电机中的等电位连接和屏蔽以及如何设计和确保正确功能的实际且有用的讨论。公开了一-些实用信息,包括瞬态电压计算、屏蔽、磁耦合、传递阻抗和具有建议值的安装技术。

(7)附录H(资料性附录)“系统电位抗扰度试验的试验方法”
本附录阐述了可用于系统电位抗扰度试验的试验方法。在-般性系统试验中，将该设备启动并连接于其额定电源电压,并施加所安装SPD的额定放电电流参数。其中,应连接适用的附加回路,例如通讯线路、传感器、电机。此外，还包括在屏蔽和非屏蔽线路或电缆的情况下注人测试电流的各种示例。

(8)附录I (资料性附录)“接地系统”

本附录包含应用于风力发电机装置中的典型接地系统的分类、设计和安装的建议。例如,形成风力发电机基础的一部分的结构钢筋可以用作接地系统,目的是获得最低的接地电阻。如果选择安装一个单独的带有接地极的接地系统，必须确保接地系统与地基钢筋保持适当的连
接,以避免在设计电气设备中出现意外的电弧和危险的电位上升(跨步和触摸电压)，特别是当这些系统安装在公共区域时。

(9)附录J (资料性附录)“界定的测量点示例”
附录J是一-个关于测量点的示例。

(10)附录K(资料性附录)“基于风险管理的雷电损坏分类'
风电发电机的防雷包括制造商的设计和操作人员的维护，应从风险管理的角度出发。采取单一对策来保护所有类型的雷击损坏是不合理的,因为雷击损坏的程度都是不一样的。了解雷击损坏及其可能的原因和相应的对策,以满足安全要求和经济
预算是极其重要的。根据日本WL损坏经验的最新发现,提出了一种表征损坏模式的方法，以便进行比较并制定对策。

(11)附录L (资料性附录)“监测系统”
本附录包含了有关监测系统的建议。风力涡轮机配备设备以检测雷击,同时监控此类雷击的当前水平,并向控制中心或操作员提供关于已经影响风力发电机的雷击水平的信息,有助于排除损坏并且及时地远程恢复风力发电机的操作。

(12)附录M (资料性附录)“小型风力发电机组指南”
小型风力发电机”指的是转子扫风面积小于或等于200m2的风力发电机,适用于低于1000VAC或1500VDC的电压下的并网和离网状态。这类风力发电机被称为小型或微型发电机。这些通常设计用于家庭或轻工业应用,其中电力主要用于现场使用。

小型风力发电机的雷电暴露和环境与大型风力发电机有很大不同,因此防雷的要求也将大不相同。

(13)附录N(资料性附录)“叶片相似性验证指南”
对于根据长度,层压板铺设等不同的替代或新的转子叶片设计,有可能通过相似性要求验证。如果叶片设计没有明显偏离先前验证的设计,并且叶片相对于雷电环境的功能性能非常相似,则这是允许的。
在本附录中描述的相似性约束,可以基于例如长期经验为风力发电机的LPS设计提供有用的指导。

(14)附录0 (资料性附录)“ 数学分析方法验证指南”
用于设计和验证风力发电机中LPS的数学方法应该根据类似几何学的测试结果进行验证。本资料性附录提供了关于如何使用所提供的通用几何学实现此类验证的实用和简单指南。使用分析或数学方法进行工程分析的技术提供者应通过与测试结果或现场数据进行比较来记录其计算程序是否足以达到此目的。

(15)附录P (资料性附录)“旋转部件的测试”
本附录的测试适用于风力发电机转子叶片的轴承,主要目的是确定轴承的载流量。图3为测试变桨轴承的示例。

关于试样和试验装置,本附录描述的基本试验原理区分了在发生雷击时可被视为静止或准静止的轴承,例如变桨轴承,或发生雷击可被视为旋转的轴承,例如主轴承。

(16)附录Q (资料性附录)“风电场接地系统”
风电场通常由确定数量的风力发电机、建筑物、电缆或架空线、基础设施、高压变电站和信号电缆组成。每个风力发电机应有自己的接地系统。各个风力发电机和高压子站的接地系统应该优先地与水平接地导体相连接,以形成整个风电场接地系统。风力发电机组接地系统之间的连接应采用接地导体并采用连接风力发电机组的电力采集电缆的路径。
风电场的接地系统对于保护电气系统非常重要,因为低阻抗接地系统减少了风电场的不同结构之间的电位差,因此减少了对电气系统的干扰。

3、规范性附录

自第一版标准以来,制造商、运营商、认证机构和学术界积累了丰富的经验。通过总结,对规范性附录进行了修改。本附录描述了用于验证叶片设计处理雷击放电影响能力的测试方法,包括雷击搞压测试和大电流物理损坏测试。

雷击高压测试包括高压初始先导雷击测试和高压后续雷击装置测试。高压初始先导雷击测试通常在占叶片长度15%的叶片尖端或完整叶片上进行,测试过程中使用叶片的不同桨距角和叶片与平面之间的不同角度。
该更新的标准包括在所有4个叶片桨距角处相对于地平面在90°，30°和10°方向上的叶片的初始先导雷击测试，如图4所示。地平面代表发电机上方的电场中的等电位平面。

对于双叶片转子,沿叶片的附件分布将与三叶片转子不同。因此,高压初始引导附着测试应该以更低的角度(优选尽可能接近0° )进行，以证明尖端以及叶片的内侧部分具有足够的拦截效果。

所使用的电压波形应为双指数切换式冲击电压,至峰值时间为250μs+20%,并且至半峰值衰减时间为2500μs土60%。由于这种电压波形最能代表初始先导雷击过程中结构附近的电场,因此选择这种电压波形。

高压后续雷击测试介绍了接闪器周围区域的详细设计,图5是该测试的布置。目的是模拟在初始先导装置连接到接收器并且雷电流到达之后由于叶片的运动而沿着扫过先导装置产生的电压，这种情况可以解释有时在接收器后观察到的击穿。

在该测试中，叶片样品LPS接地,并且将电压施加到位于扫掠通道区域内的后缘处的球形电极。成功的测试结果是当通过空气中的明显闪络或叶片外表面上的表面闪络没有将表面击穿,外部接闪器能够拦截放电。如果发生击穿,可以调整本地叶片的保护设计以防止击穿。

大电流物理损坏测试包括电弧击人试验和传导电流试验。最重要的验证测试是电弧击入测试(见图6),本试验适用于暴露于直接雷击的叶片及机舱等结构,用于测定:闪电通道雷击位置处或在雷击过程中大电流及能量密度可能从击入点流出情况下可能对叶片造成的直接(物理损害)影响。实例包括叶片接闪器系统及相关电气导体、金属箔片、避雷带及雷电电流路径内的连接器。

传导电流测试显示所有连接部件暴露在外并受到雷电流的影响,该测试旨在评估设计的充分性。关于冬季型雷电,其幅度和上升速度通常非常小，IEC测试很好地涵盖了加热和电动力。

在柔性电流路径(滑动触点,电刷，轴承,火花隙等)或其他设计中，其中电流和电荷部分在开放电弧中传输,引人长雷击元件后进行传导电流测试,以重现电弧根造成损坏。

4、结论

本文介绍了IEC 61400-24:2019《风力发电机组 第24部分:雷电防护》更新的内容,该标准由国际电工委员会IEC/TC/88/MT24工作组编写。此次标准修订是基于第一版标准发布以来近十年积累的成熟经验,重点关注了标准化雷击和过电压保护实践的要求。

IEC 61400-24:2019在修订过程中,参考了IEC62305系列标准、IEC 61000系列标准以及相关的机械电气系统等相关标准。

参考文献：

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