1、ICS 27.180 F 11 道昌中华人民共和国国家标准化指导性技术文件G/Z 25427-2010 凤力发电机组雷电防护Wind turbine generator systems-Lightning protection (IEC TR 61400-24: 2002 , Wind turbine generator systems Part 24: Lightning protection, MOD) 2010-11-10发布2011-01-01实施数码防伪中华人民共和国国家质量监督检验检菇总局中国国家标准化管理委员会发布G/Z 25427-2010 目次前言.m 引言.凹1 范围2 规
2、范性引用文件-3 术语和定义4 雷电和风力发电机组.4 5 损坏统计.10 6 雷电对风力发电机组造成损坏的风险评估7 风力发电机组叶片防雷8 轴承和齿轮箱的防护.28 9 电气和控制系统的防护.30 10 接地.4011 人员安全.42 12 结论及对未来工作的建议.43 附录A(资料性附录)典型雷击损坏问卷.45 参考文献.47 I G/Z 25427-2010 目。自GB/Z 25427指导性技术文件修改采用IECTR 61400-24: 2002(风力发电机组第24部分:雷电防护)(英文版)。本指导性技术文件根据IECTR 61400-24 :2002重新起草。本指导性技术文件共分11
3、章1个资料性附录。本指导性技术文件与IECTR 61400-24: 2002相比，修改了以下内容:一一本指导性技术文件按GB/T1. 1的规定，修改了IECTR 61400-24: 2002的范围;一一增加了第2章规范性引用文件，参考文献中的部分文件在正文中被规范性提及，其他章节序号顺延;一一本指导性技术文件删除了IEC61024系列和IEC61312系列标准的名称和部分内容，这些标准已由IEC/TC81(雷电防护标准化技术委员会)确定被IEC62305系列标准替代，本指导性技术文件中涉及到IEC雷电防护的标准时均由现行标准IEC62305等同转化而成的国家标准GB/T 21714系列替代;一
4、一删除了原文件中的3.6。删除了原文件部分表(如表4)，增加了一些新表如表8，修改了部分表的符号。按GB/T20000. 2的要求修改的部分在这些差异涉及的条款的外侧用垂直单线进行了标识。为了便于使用本指导性技术文件对IECTR 61400-24作了下列编辑性修改za) 删除了IECTR 61400-24:2002的前言，修改了IECTR 61400-24 :2002的引言。b) 将本技术报告一词改为本指导性技术文件气c) 用小数点代替作为小数点的逗号，;d) 增加了本指导性技术文件前言。本指导性技术文件由中国机械工业联合会提出。本指导性技术文件由全国风力机械标准化技术委员会(SAC/TC50
5、)归口。本指导性技术文件主要起草单位z中机生产力促进中心、成都兴业雷安电子有限公司、四川中光高科产业发展集团、北京欧地安科技有限公司。本指导性技术文件主要起草人:张苹、邱传睿、刘寿先、佟建勋。mm G/Z 25427-2010 引最近几年，因雷击造成风力涡轮机(简称风力发电机组)的损坏已被公认为日趋严重的问题。风力发电机组安装数量的增多和安装高度的增加使得雷电对它们造成的损坏大于预期可接受的修理费用。由于单台风力发电机组发电容量的增加以及风力发电机组离岸建设，雷电灾害对运行可靠性的影响引起了人们的关注。特别是几台大型风力发电机组同时在风电场运行时，任何一次雷击对这些大型风力发电机组造成潜在损失
6、都是不能接受的。人们可以有针对性地沿架空线路、变电站和发电厂等设施上部安装保护性导体。但风力发电机组则不同，由于风力发电机的物理尺寸和所处的自然环境，它们面临不同的防雷问题。典型的风力发电机组有23片叶片，直径可达100m，叶片旋转时离地面高度超过100mo此外，风力发电机大量使用绝缘复合材料，如玻璃纤维增强塑料作为承载部件。防雷系统必须与风力发电机组的各个不同部分联成一个整体，以保证风力发电机组各部分可能成为雷击点时，它们能安全耐受雷击的影响，并能将雷电流从雷击点安全传导至大地而不对风力发电机组造成不可接受的损坏，同时不干扰各系统的运行。本指导性技术文件目的在于为风力发电机组设计方、购货方、
7、运行操作方、认证机构和安装部门提供最新的风力发电机组防雷技术。N GB/Z 25427-2010 风力发电机组雷电防护1 范围本指导性技术文件规定了风力发电机组雷电损坏的统计、雷电对风力发电机组造成损坏的风险评估、叶片、轴承、齿轮箱及电气和控制系统的防雷保护以及接地要求和人员安全。本指导性技术文件适用于风轮扫略面积大于或等于200m2水平轴风力发电机组的防雷保护，其他类型的风力发电机组也可参照使用。2 规范性引用文件下列文件中的条款通过本指导性技术文件的引用而成为本指导性技术文件的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本指导性技术文件，然而，鼓励根
8、据本指导性技术文件达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本指导性技术文件。GB/T 21714. 1-2008雷电防护第1部分z总则CIEC62305-1:2006 , IDT) GB/T 21714.2-2008雷电防护第2部分:风险管理(IEC62305-2: 2006 , IDT) GB/T 21714.3一2008雷电防护第3部分:建筑物的物理损坏和生命危险(IEC62305-3: 2006 , IDT) GB/T 21714.4-2008 雷电防护第4部分:建筑物内电气和电子系统(IEC62305-4: 2006 , IDT) 3 术
9、语和定义3. 1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 下列术语和定义适用于本指导性技术文件。可接受的雷闪次数CNc)accepted Iightning f1ash frequency CNc) 可接受的能够引起建筑物损坏的年平均雷闪次数。接闪系统air termination system 拦截雷闪的外部LPS的一部分。搭接导体bonding conductor 连接设备各分离部件的导体，使它们之间的电位相等。搭接母线bonding bar 母线。金属部件、电源和通信线以及其他电缆可以通过它与LPS连接。危险雄电dangerous sparking 雷电流在被保护建筑物上产生的不可接受的
10、放电现象。建筑物上直击雷闲次数(凡)direct Iightning f1ash frequency to a structure C凡)建筑物上平均每年预期的直击雷闪次数。1 G/Z 25427一20103. 7 引下结系统down conductor system 外部LPS的一部分，它将接闪系统拦截的雷电流传导到接地系统。3.8 下行雷downward f1ash 云到地间由向下先导引发的雷闪。下行雷由一个首次短雷击构成，其后可能跟随几个后续短雷击。还可能跟随一个长雷击。3.9 接地体earth electrode 接地系统的一部分，它提供直接的电气连接并将雷电流泄放入地。3. 10 接
11、地系统earth termination system 外部LPS的一部分，将雷电流传导和泄放入地。3. 11 有效高度Ch)effective height (h) 风力发电机组叶片能达到的最高点，即轮载的高度加上风轮的半径。3.12 LPS的效率efficiency of LPS (E) 不引起建(构筑物损坏的雷击数与建(构)筑物遭受雷击数目之比的年平均值。E可以表示为LPS的雷电拦截效率CE;)与LPS尺寸引起的对雷电控制效率CE.)的乘积，是LPS防护建(构)筑物免雷击损坏的概率。3. 13 等效拦截面积equivalent collection area CAe) 建(构)筑物的等效
12、拦截面积定义为每年与建(构)筑物截收相同雷击次数的地表面积。3. 14 3.15 3. 16 3. 17 3. 18 3. 19 2 外部防雷系统external lightning protection system 由一个接闪系统、一个引下线系统和一个接地系统构成。雷击电荷f1ash charge (Qn皿雷电流在整个雷击闪络持续时间内的时间积分。基础接地体foundation earth electrode 基础中的加强钢筋或在建筑物基础棍凝土中额外嵌入的导体并用作接地体。直击雷损坏次数frequency of damage by direct Iightning f1ashes 建筑物
13、遭受直击雷的平均数。地闪密度CNg)ground f1ash densityCNg) 年平均地闪密度是建筑物所在地区每年每平方公里的雷击数。拦截效率interception efficiency 钮1)LPS接闪器系统拦截雷击的概率。G/Z 25427-2010 3.20 内部雷电防护系统internal lightning protection system 外部防护系统外所有的附加措施，它包括雷电等电位搭接、被保护建筑物内的安全距离以及减少雷电流的电磁效应。3.21 3.22 3.23 防雷系统(LPS)Lightning Protection System (LPS) 用来防护雷击建筑物
14、及其内含的完整系统，一般它包含外部防护系统和内部防护系统。雷电流(i)lightning current(i) 流过雷击点的电流。LPS的自然部件natural component of LPS 不是专门为防雷安装的导体部件，除可以用作LPS外，在某些情况下，还可提供LPS一个或多个部件的功能。3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 峰值(1)peak value(l) 雷电流的最大值。雷电等电位连接lightning equipotential bonding 将分离的导电部件直接或通过SPD连接到LPS，以减少由雷电流引起的这些部件间的电位差。雷击lightning s
15、troke 雷电对地闪击中的单次放电。雷电对地闪击lightning flash to earth 雷云与大地间的大气放电，由一个或多个雷击组成。雷电防护区(LPZ)Lightning Protection Zone (LPZ) 由雷击电磁环境定义和控制的区域。长雷击long stroke 雷击电流持续时间T10ng(从波头值10%到波尾值10%间的时间)典型值大于2ms而小于1s的雷击(参阅GB/T21714. 1)。3.30 金属设备metal installation 被保护建筑物中包含的金属部分，它可以成为雷电流通路的一部分，例如发动机舱底板、塔身、叶片、起重机轨道、线路和相互连接的加
16、强钢带。3.31 多重雷击multiple strokes 平均包括34次雷击的雷闪，每次雷击的典型时间间隔约50mso 3.32 雷击点point of strike 雷击大地、建筑物或被保护系统的那一点。3 GB/Z 25427-2010 3.33 雷电防护等级(LPL)Lightning Protection Level (LPL) 与一组雷电流参数概率值有关的数字，在自然界发生雷击时不会超过相关的最大和最小设计值。注2根据相关的一组雷电流参数，雷电防护等级用来设计防护措施。3.34 损害风险risk of damage 由于雷电作用，建筑物内每年可能出现的损失(包括人与物的损失)。3.
17、35 安全距离safety distance 被保护建筑物内两个导电部件间不发生危险放电的最小距离。3.36 短雷击short stroke 冲击电流的半峰值时间Tz的典型值小于2ms的雷击(参阅GB/T21714. 1)。3.37 控制效率钮，)sizing efficiency钮，)拦截雷击而不引起被保护建筑物损坏的概率。3.38 比能(W/R) specific energy (W /R) 在整个雷击期间雷电流的平方对时间的积分;它表示在单位电阻上雷电流能量的耗散。3.39 浪涌抑制器surge arrester 用来保护电气设备不受瞬态高电压影响并限制续流幅值的持续时间和发生次数的装置
18、。术语浪涌抑制器包括任何外部的串联间隙，当为服务设施安装浪涌抑制器时，无论是否是作为该装置不可分割的一部分，这些串联间隙都完成装置中必不可少的功能。3.40 3.41 3.42 浪涌保护器(SPD)surge protective device (SPD) 用以限制瞬态过压以及分流浪涌电流的装置。雷暴日(Td)thunderstorm days (Td) 从地图上等雷线获得的每年雷暴天数。上行雷upward f1ash 由雷云对接地的建筑物向上先导产生的雷击。一向上闪击至少有一首次长时间雷击，该首次长时间雷击上有或元叠加多次短时雷击。其后可能有多次短时雷击并可能含有一次或多次长时间雷击。4 雷
19、电和凤力发电机组4. 1 雷电特性可以认为雷击是一个电流源。目前记录到的单次雷击电流最大值在300kA左右。同样，记录到的电荷转移和比能的最大值分别为400C和20MJ/.a。在世界范围，这些最大值发生的百分比极少。中等量值的雷电流峰值大约为30kA，转移电荷和比4 GB/Z 25427-2010 能分别为5.2C和55kJ/n。此外，雷击的电气特性随雷闪的类型和地理位置而变化。4.2 雷电放电的形成及其电气参数雷云中电荷分离后紧跟着发生雷击，出版物lJ1、【2J、3J对此有详细的描述。当雷云间放电或雷云对地放电时均可以观察到雷击。本章关注这些放电中的第一次放电以及雷云与大地间电荷的转移。通常
20、，雷电放电包含几个部分。沿着同一电离路径的整个放电过程称为闪电，其持续时间可以达到1 s以上。单个的闪电被称为雷击。雷电放电有两种基本类型，下行雷和上行雷。下行雷由雷云开始向大地放电。相反，上行雷是大地暴露位置(如山顶)或地上的高大建(构)筑物顶端对雷云放电。通常称这两种基本类型为云对地闪或下行雷，和地对云闪或上行雷。两种雷电可以根据雷云移动的电荷极性进一步划分。负放电是雷云的负电荷对地放电，正放电是正电荷从雷云向大地转移。大部分雷电放电是负放电，在所有云对地放电中有90%的是负闪击。余下10%的云对地放电是正闪击。通常，后者有较高的电气参数。由于产生雷暴的雷云的自然变化，每次雷暴都有差别。例
21、如，不可能预知击中某个建筑物的下一个雷击的电流峰值是多少。我们只知道建筑物遭到超过某数值雷击的概率。人们在高塔上直接测量实际雷击，并已获得了描述雷击电气参数的概率分布33J、34Jo目前，世界上许多地方设置有地区性或全国性的雷电定位系统，因此现在可以获得更多的有关雷电的资料。雷电定位系统可以记录雷击的分布并且判断雷电流的峰值。每种类型的雷击(上行雷、下行雷、负雷击、正雷击)其描述雷击电气参数的概率分布各不相同。下面将描述每种类型放电的典型波形和概率分布。所给定的概率水平是雷击期间超过表中规定电气参数数值的概率。确定估算规定值的电气参数概率4J采用的是经验法。4.3 云对地问击4.3. 1 概述
22、云对地闪(下行雷)由雷云内的预放电开始。该过程的机理目前人们还不清楚，而对发生在云层以下的那部分放电过程却了解得很多。4.3.2 云对地负闪击在负闪击时，一个梯级先导从云中扑向地面，每一梯级约有数十米长，两个梯级间约有50的间歇。梯级持续时间短(典型的为1s)，冲击电流超过1kA。当先导充分发展时，先导通道中包含总数约10C或更多的电荷。先导通道的长度可达几十米。梯级先导过程的总持续时间为数十毫秒。肉眼并不能看到微弱的先导通道。先导终端和顶端的对地电位超过10MVo当先导顶端接近大地时，这一高电位将大地表面的电场强度抬高。地表面的电场强度超过空气的击穿值时，大地或地面上的建筑物开始发出迎面先导
23、(向上运动)。这些向上移动的先导被称为连接先导。连接先导可以确定雷击地面目标的雷击点。当向下的梯级先导与向上移动的连接先导相遇，那么，就建立起一个从云到地面的连续通道。然后，聚集在先导中的电荷，通过这一被电离的通道，以电流波的形式对地放电，放电速度约为光速的三分之一。该过程被称为首次回击。首次回击的峰值可达几百千安，持续时间数百微秒。图1描述了向下雷击寻找雷击点的过程。1 方括号内的数字是参考文献序号。5 GB/Z 25427-2010 图1云地闲的形成过程一段时间间隔后，先导/回击会沿着第一次回击的路径继续发生。通常，这些后续回击之前的(直窜)先导没有梯级并且速度很快(持续几毫秒)。雷闪中，
24、两次连续的回击间约有10ms到数百毫秒的间歇。一次雷闪平均有34次回击(包括第一次)。肉眼可以看见雷闪中的回击。随着一次或多次的回击，可能有地闪连续电流会在电离的通道中流动。地闪连续电流与持续时间短、电流幅值高的回击比较有许多差异:平均电流幅值在几百安培范围而持续时间可以长到几百微秒。地闪连续电流直接将大量电荷从雷云转移到大地。约有一半的云对地闪含有地闪连续电流成分。图2是典型负云对地闪的雷电流轮廓图。紧跟随梯级先导和连接先导的是(在地面)持续时间几百微秒，具有高幅值冲击电流的首次回击，电流峰值范围从几千安到100kA，中间值大约为30kA(表1)。首次回击后，可能会发生后续雷击和地闪连续电流
25、。一般后续回击比首次回击的电流幅值低，持续时间短，但它的电流上升速率较高。负云对地放电可能由上述各种电流成分组成，图3是其图解。-/ t一一-圄2典型的一个雷云对地负闪击波形组成图(未按实际尺寸)6 G/Z 25427一2010-, 1 t 一一一一-/-a) b) -11 -i t一一-/一一-c) d) a) 仅有首次回击;b) 首次回击与地闪连续电流50 首次回击与后续回击;d) 首次回击与后续回击及地闪连续电流。图3典型的一个负云地闪波形组成图(未按实际尺寸)4.3.3 云对地正闪击和云对地负闪击相反，正雷闪开始时是连续向下传播的，没有梯级先导。先导和回击连接的那一时刻和4.3.2描述
26、的一样。云对地的正闪击往往只包含一次回击，这次回击电流可能是连续的。由于云对地正闪击的电流幅值、总电荷量以及比能都比负闪击大很多，在实际雷电防护中，云对地正闪击最为重要。与首次负回击比较，正回击的电流上升速率较低。图4是云对地正闪击的电流典型轮廓图。其典型的电气参数已经在表1中与负放电同时总结33J、34J。+i / -图4典型的一个正云地闪波形图7 G/Z 25427-2010 表1云地闪雷电流参数概率水平参数雷击类型95% 50% 5% 首次负雷击14 30 90 电流峰值/kA后续负雷击4.6 12 30 正雷击4.6 35 250 首次负雷击1. 1 5.2 24 总电荷/C后续负雷击
27、0.2 1. 4 11 正雷击20 80 350 首次负雷击6.0 55 550 比能b/(k/m后续负雷击0.55 6.0 52 正雷击25 650 15000 第一次负雷击9.1 24 65 最大(di/dt)/(kA/s)后续负雷击10 40 162 正雷击0.2 2.4 32 a Q= J i(t)dt b E=Jt2(t)dt 4.4 由下向上的问击雷云中的电荷引起地球表面电场上升，但通常不足以发出向上移动的先导。然而山顶、高于地面的物体、高大建筑物顶部和风力发电机组的叶片等处，电场强度会明显增加。这些地区，电场可以强到促使地面向雷云发出向上运动的先导。高度超出地表面100m的建(构
28、)筑物(如现代风力支电机组)，明显地暴露在向上闪击中。发生向上闪击时，先出现地闪连续电流。在地闪连续电流中，叠加有冲击电流(图5)。地闪连续电流阶段可能沿着同一通道紧跟着出现后续回击。这些回击和云对地闪的后续回击十分相似(参阅4.3)。向上闪击并不包含相似于云对地放电首次回击的那一部分。向上雷击在建筑物的雷击点位置就是向上先导的出发点。一般上行雷放电的参数在易于遭受这类雷击的高大物体上测试。一个实例是每年至少遭受50次这种雷击的加拿大多伦多电视塔5J0 6J和7J的工作报告详细地描述了在德国巴伐利亚派森贝格450kW.故障数:123 囱 40 30 10 20 结构部件轮载传动系统传感器液压系
29、统偏航系统机械制动器风轮叶片齿轮箱发电机电气系统控制系统。各部件的故障(德国)5.2.3 凤力发电机组的规模和年代评估被损坏的部件分布与风力发电机组规模的关系很实用。正如已经指出的那样，现在风力发电机组的规模变大(风力发电机组高度和额定功率)，同时对雷电防护更加有效。近年建设的风力发电机组都在450kW以上，而这些风力发电机组已经进行了雷电防护。图9(德国)和图10(丹麦)显示了以450 kW为界限的新旧风力发电机组的损坏部件的分布。圄912 GB/Z 25427-2010 故障率/%回 |日450kW.故障数:29 60 40 20 其他整个风力发电机塔架轴承液压系统偏航系统机械制动器风轮叶
30、片齿轮箱发电机电气系统控制系统。固10各部件的故障(丹麦)比较新旧风力发电机组后，很有趣的注意到新旧风力发电机组的损坏方式不同。旧风力发电机组控制系统坏的最多，而新风力发电机组坏得最多的是叶片。这是令人鼓舞的结果，因为它表明，近年来，控制系统的防雷己获得进步。5.2.4 损坏的修理费用德国数据记载的雷击故障产生的各种部件的平均修理费(用德国马克z注，2003年100德国马克等于51.13欧元，2002年德国马克按照1.955 83比1的固定折算率折算欧元)如图11。这里面包括所报告的部件更换或修理的开销，即劳务、部件和起重设备的费用等。到目前为止，叶片的损坏是最昂贵的修理项目，诚如大家所预见，
31、对于大多数类型的损坏，规模较大的风力发电机组维修费用较昂贵。平均修理费/马克曰旧450kW 40 000 10 000 30 000 20 000 结构部件偏航系统液压系统传动系统机械制动器齿轮箱控制系统传感器电气系统发电机风轮叶片轮毅。图门两种不同大小风力发电机组各故障部件的修理费(德国)5.2.5 对电力生产的影响雷击造成的风力发电机组损坏需要故障判断和修理时间，这些都会中断运行。由中断运行造成的发电损失即为风力发电机组业主的收入损失。图12根据德国数据和按照部件分类，绘出了由这类故障造成的平均中断运行时间。也许是发动机和叶片订货到交货以及装运花费时间，这些部件损毁造成的风力发电机组中断运
32、行时间较长。出乎意外的是控制系统的修理也会导致长的中断运行时间。13 GB/Z 25427一2010图12两种大小凤力发电机组各故障部件的平均中断运行时间(德国)将因雷电损坏造成的发电量损失与其他故障造成的发电量损失进行比较非常有趣。表6列出了丹麦1992年1997年进行比较的结果。毫无疑问，雷击故障的影响大于平均故障。表6与其他故障相比较的发电量损失故障数量风力发电机组平均中断时间/发电量的平均损失/故障类别h (kW/h) 丹麦丹麦丹麦全部故障10 192 91 2 249 雷击故障461 110 3 200 与平均放障的差+20.8% 十42.3%5.2.6 故障的季节性分布如本文件其他
33、部分所讨论，雷击是随机事件。雷电活动和对地闪击随季节和年份变化。图13是丹麦风力发电机组雷击故障数与当年雷暴日数的关系曲线。雷暴日和雷击损毁/%。雷暴日数/夭。风力发电机组损坏百分比20 15 10 5 。% % 00 M % % 图13历年雷电活动和设备损坏变化(丹麦)图14和图15所示根据丹麦和德国数据绘制的一年内变化的资料。注意，两个国家都显示了冬季雷暴频度比夏季低而由雷暴引起的故障数却相对高。14 G/Z 25427-2010 -雷电损毁事件数150 -.-= 口平均甜日数/%总事件数85150 100 。月月月四月五月份六月月七月八月九月十月十月十月图14雷击故障(丹麦1990-19
34、98) 雷电损毁事件数口平均眼睛/%150 总事件数74050 100 。月月月四月五月六七月月八月九月十月十月十月月份图15雷击故障(德国1991-1998)5.3 数据库的价值和缺点瑞典、丹麦和德国都有大量单位建立风力发电机组的操作和维修数据库。这些数据库有一定价值，但利用这些数据解释雷击损坏的数据时也存在问题。5.3.1 概述由于下列因素，从三个数据库可以得出不同的分析结果:一一风力发电机组高度不同;一一风力发电机组雷电防护等级不同(风力发电机组的类型或特殊地点); 一一当地配电系统(架空明线)对传导浪涌的敏感程度;一一当地雷电影响范围和地貌的不同;一一上报案例和上报可靠性的不同。一次雷
35、击可以引起多起故障。如何将这些故障进行数据处理，设备操作人员如何有选择性的上报损坏，可能会有很大差异。这些数据的性质只是上报出现的问题和故障(假设风力发电机组不会自动重新启动)，没有报告对直击雷或非直接浪涌防护良好的风力发电机组的情况。因此，采用这些数据有低估风险级别的可能尤其新近安装(有良好防护)的设备。5.3.2 丹麦在丹麦，5000台风力发电机组中，有2/3的风力发电机组有相当完整的运行和维修数据，并由下面单位保存:15 GB/Z 25427-2010 Energi og Miljoedata Niels Jernes Vej 10 DK 9220 Aalborg，DenmarkC丹麦奥
36、尔堡)在Windstat杂志中经常有报告。5.3.3 德国德国有关雷击时间的数据取自250MW风力发电机组项目和随同一起的科学测试和评估项目。由以下单位负责保存:Institut fr Solare Energieversorgungstechnik e. V. (lSET) C太阳能工程技术研究所)Knigstor 59 D-34119 Kassel,Germany C德国卡塞尔)所有在该项目资助下的风力发电机组运营商有责任最少在10年内，为ISET提交保养和维修报告。报告内容应在风力发电机组故障时填写，内容包括推测的故障原因，如雷击。由于运营商有义务参加WMEP并在正在进行的项目中获得资金
37、和永久数据校对，这些数据的可靠性相对较高。5.3.4 瑞典瑞典的风力发电机组业主必须每月提交维修和生产报告。这些瑞典数据保存在zSwedPower AB, Vindstatistisik 527 邮政信箱S-162 16斯德哥尔摩瑞典5.4 结论和建议5.4.1 结论以上数据强调了需要改进风力发电机组的雷电防护。报告的数据显示:一一在北欧国家，每100台风力发电机组，一年有48次雷击故障;一在德国，安装在低山地区的风力发电机组，每100台风力发电机组，一年雷击故障多达14次;一一7%10%的雷击战障与叶片损坏有关;43%51%的雷击故障与控制系统有关;一一20%32%的雷击故障与电源系统有关;
38、与平均故障相比，雷击故障损失的能量多40%，停机时间多20%;一一虽然叶片的损坏是最昂贵的损坏，但最普遍的还是控制系统损坏。然而，为防止误解，应当对数据加以说明。以下是几种情况:一一即使给定国家或地区，雷击频度的变化也会很大z一一防护好的风力发电机组，即使它们遭到雷击(直接雷击和间接雷击)只要没有引起故障，也未在数库中显示;一一风力发电机组的高度、防护等级、当地的地形地貌都影响这些数据;一一不同的报告方式也影响统计数据。5.4.2 数据库的改进要加深对各种损坏机理影响的理解，在风力发电机组业主的报告中，应当囊括更多的有价值的资料。当然，这并非经常可行，但建议只要可能就这样做。在附录A中，推荐了
39、一款雷击损害调查表。建议采用这一调查表，以使每一国家的维修数据库都提供相同内容的报告。6 雷电对风力发电机组造成损坏的风险评估6. 1 简介GB/Z 25427-2010 在设计任何防雷系统时，都应当考虑雷击建筑物并损害建筑物的问题。雷击任何建筑物的风险都是建筑物高度、地形地貌和当地雷电活动水平的函数。雷击可以以跨步电压、接触电压或雷闪引起爆炸以及火灾的形式伤害人类。雷害也可以使建筑物或建筑物内的物体实体遭受损害。凡有可能，都应收集当地雷击状况的资料(例如高纬度地区的冬雷可能特别危险)。任何防雷系统的目标都是将雷害减少到一个可以容忍的水平。容忍水平就是涉及人身安全风险时可以接受的水平。若不涉及
40、人身安全，或损害的风险在可接受的人身风险以下，则任何分析都是纯经济的。这些都在确定雷电防护系统的花费和可能出现损坏的花费后完成。GB/T 21 7l4. 2-2008包含一些评估建筑物雷击风险的资料。下面总结了这些出版物中的资料并用它说明某些对风力发电机组风险的特殊问题。然而，分析是有一定限制的，不能原封不动的套用。应当参考完整的标准和技术报告。6.2 雷电对风力发电机组闪击次数的评估任何雷电风险评估的第一步都是确定雷闪的次数。GB/T21714. 22008给出了确定雷闪次数的指导。当估算雷击建筑物的次数时，有必要收集当地地闪密度(Ng)的详细数据。在世界上的许多地区，这个数值可以根据地闪定
41、位网络系统得到。在中国，气象部门可以提供这一资料。如果没有Ng的分布图，在温带地区，可以以式(1)估算zNg :吕O.lTd. ( 1 ) 式中zNg一一每km2每年平均地闪密度;Td 从等雷线地图(从国家气象部门获取)获得的每年雷暴日数。建筑物遭受直击雷的年平均频度以式(2)计算:Nd =Ng XAd XCd X 10-6 ( 2 ) 式中zNd一一建筑物遭受直击雷的年平均数;Ad -孤立建筑物遭受直击雷时的等效雷击截收面积5Cd一一环境因子，其近似值平原上的风力发电机组为Cd=l，山地或小山上的风力发电机组为Cd=20 建筑物遭受直击雷时的等效雷击截收面积，定义为与建筑物有相同年雷闪次数的
42、一定面积。对孤立的建筑物，等效截收面积是封闭在边界线内的一块地方，边界是这样定的:建筑物最上面部分斜率为1 : 3的直线沿建筑物旋转一周在地面画出的面积。建议所有的风力发电机组都参照高榄杆，其高度为轮载高度加风轮的半径。对采用各种类型叶片，包括用玻璃纤维增强塑料等纯粹非导电材料制成叶片的风力发电机组都是正确的。图16是安装在平地的风力发电机组的雷击截收面积图。它的圆半径是风力发电机组高度的三倍。式(3)可以用来确定安装在平地的风力发电机组每年雷击次数:Nd =Ng X 9h2 X 10-6 . ( 3 ) 式中:h一一风力发电机组的有效高度，单位为米(m)。17 GB/Z 25427-2010
43、 /寸 3X风力发电机组商度等效雷击截收面积图16风力发电机组的有效雷击截收面积处于复杂地形或临近其他建筑物时，也可在GB/T21714.2-2008中找到确定风力发电机组每年雷击次数的资料。6.3 凤力发电机组雷击损坏概率的评估GB/T 21714系列标准引入了防护等级的概念，表7是4种不同等级雷电防护系统需要的雷电流、比能、电流上升率和电荷转移水平等参数。若雷电防护系统按照I级设计，它就应承受峰值为200kA的电流而不被损坏。一旦确定了建筑物的雷击次数，就应选择相适应的雷电防护系统。雷电防护系统的失效被认为是严重事件。若雷电防护系统的失效可能造成人员伤亡，每年容许严重风险事件数可能由国家或
44、者地方法令或制定法规的权威部门规定。若雷击仅仅是纯经济损失，则每年容许严重风险事件数可由建筑物业主自行确定。表8是GB/T21714. 2-2008规定的典型风险容许值RT0 表7各雷电防护等级相应的雷电参数最大值防护等级电流峰值/单位能量/平均电流上升率/转移的电总荷/kA (kJ/m (kA/,.,.s) C I 200 10 000 200 300 E 150 5600 150 225 田100 2500 100 150 N ) 表8典型的风险窑许值RTRT(/年10-5 10-3 18 G/Z 25427-2010 一般，容许严重事件数根据建筑物的用途、位置、结构和任何时间在建筑物内或
45、附近的人数有一定变化。当防雷措施符合GB/T21714. 3一2008中关于减少人畜伤害和建筑物本身损害的保护措施和GB/T 21714.4-2008中关于减少内部系统故障的保护措施时，表9、表10和表11中给出的概率值有效。其中，雷击致活体伤害的概率为PA，雷击致实体损害的概率为凡，雷击使建筑物内部失效的概率为PC，建筑物内部失效与采用的浪涌保护器SPD有关，因此，PC=PSPDo如果保护措施或特性适用于需保护的整个建筑物区域以及所有相关设备，概率Px只能选小于1的值。表9雷击建筑物因接触和跨步电压导致人畜触电的概率PA防护措施P A 元防护措施1 外露引下线作电气绝缘(例如，采用至少3mm
46、厚的交链聚乙烯)10-2 有效的地面电位均衡措施10-2 警示牌10-1 表10减少建筑物本身损害的保护措施所对应的PB值建筑物特性LPS的防护等级PB 未采取LPS防护1 N 0.2 E 0.1 采取LPS防护E 0.05 I 0.02 具有符合LPS1要求的接闪器以及作为自然引下线的连续金属框架或钢筋混凝土框架的建筑物0.01 具有金属屋顶或可能包含自然部件的接闪器、所有的屋顶装置都有着完善的直击雷防护和具有作为自然引下线的连续金属框架或钢筋混凝土框架建筑物0.001 表门根据LPL选取SPD时的PSPD值LPL PSPD 未采取匹配的SPD保护1 皿-N0.03 E 0.02 I 0.0
47、1 实例:设风力发电机组轮毅高度为60m，风轮直径60m。安装在每平方公里每年平均地闪密度为0.2的平地。每年容许严重事件数(即IEC标准和我国国家标准的风险容许值RT)为1/100000(英国标准，实际与国际标准一致:RT=lO-S/年)。因为风力发电机组不包括每年超过1%的责任事故，风力发电机组每年容许严重事件数可以修改为1/1OOO(即1/100000与1%的商。即与IEC标准和我国国家标准的仅考虑公众服务损失时的风险容许值RT=10-3/年一致)。首先要确定预期的雷击次数。Ad:孤立建筑物遭受直击雷时的等效雷击截收面积，这里为(3X风力发电机组高度)2=9h2 Cd:位置因子，其近似值，平原上的风力发电机组为Cd=l19 GB/Z 25427一2010因此，这里Nd=0.2X9(90)2 X 10-6 Nd =0.046/年=4.6X10-2Cl/年)元LPS防护，PB=l、元户外人员活动RA=
