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風電用過電壓保護器
我國風電裝機連續(xù)4年翻番，風電裝機容量世界排名由2008年的第四名升至第三名。2009年底，全國共建設423個風電場，總?cè)萘窟_2268萬千瓦，約占全國發(fā)電裝機的2.6%，按照國家風電發(fā)展規(guī)劃，2020年，我國風電裝機容量有望達到1.5億千瓦。
截至2009年底，我國風電累計發(fā)電量約為516萬千瓦時，按照發(fā)電標煤煤耗每千瓦時350克計算，可節(jié)約標煤1806萬噸，減少二氧化碳排放5562萬噸，減少二氧化硫排放28萬噸。
大型風電機通常產(chǎn)生690V的三相交流電。然后電流通過風電機旁的變壓器（或在塔內(nèi)），電壓被提高至數(shù)千伏。
風電機結(jié)構大致包括以下幾部分：
機艙：機艙包容著風電機的關鍵設備，包括齒輪箱、發(fā)電機。維護人員可以通過風電機塔進入機艙。
轉(zhuǎn)子葉片：捉獲風，并將風力傳送到轉(zhuǎn)子軸心。現(xiàn)代600千瓦風電機上，每個轉(zhuǎn)子葉片的測量長度大約為20米，而且被設計得很象飛機的機翼。
軸心：轉(zhuǎn)子軸心附著在風電機的低速軸上。
低速軸：風電機的低速軸將轉(zhuǎn)子軸心與齒輪箱連接在一起。在現(xiàn)代風電機上，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相當慢，大約為19至30轉(zhuǎn)每分鐘。軸中有用于液壓系統(tǒng)的導管，來激發(fā)空氣動力閘的運行。
齒輪箱：齒輪箱左邊是低速軸，它可以將高速軸的轉(zhuǎn)速提高至低速軸的50倍。
高速軸及其機械閘：高速軸以1500轉(zhuǎn)每分鐘運轉(zhuǎn)，并驅(qū)動發(fā)電機。它裝備有緊急機械閘，用于空氣動力閘失效時，或風電機被維修時。
發(fā)電機：通常被稱為感應電機或異步發(fā)電機。在現(xiàn)代風電機上，至大電力輸出通常為500至1500千瓦。
偏航裝置：借助電動機轉(zhuǎn)動機艙，以使轉(zhuǎn)子正對著風。偏航裝置由電子控制器操作，電子控制器可以通過風向標來感覺風向。通常，在風改變其方向時，風電機一次只會偏轉(zhuǎn)幾度。
電子控制器：包含一臺不斷監(jiān)控風電機狀態(tài)的計算機，并控制偏航裝置。
為防止任何故障（即齒輪箱或發(fā)電機的過熱），該控制器可以自動停止風電機的轉(zhuǎn)動，并通過電話調(diào)制解調(diào)器來呼叫風電機操作員。
液壓系統(tǒng)：用于重置風電機的空氣動力閘。
冷卻元件：包含一個風扇，用于冷卻發(fā)電機。此外，它包含一個油冷卻元件，用于冷卻齒輪箱內(nèi)的油。一些風電機具有水冷發(fā)電機。
塔：風電機塔載有機艙及轉(zhuǎn)子。通常高的塔具有優(yōu)勢，因為離地面越高，風速越大?，F(xiàn)代600千瓦風汽輪機的塔高為40至60米。它可以為管狀的塔，也可以是格子狀的塔。
管狀的塔對于維修人員更為安全，因為他們可以通過內(nèi)部的梯子到達塔頂。格狀的塔的優(yōu)點在于它比較便宜。
風速計及風向標：用于測量風速及風向。
由于風力發(fā)電機組分散安置在風能資源比較好的各種復雜地形地帶，特別是風機的葉片高點甚至達到100米，高高聳立的風機很容易被雷電擊中。
國外統(tǒng)計風電場每100風機年的雷擊數(shù)基本維持在10 %左右。在所有引發(fā)風電機組故障的因素中，外部因素（如風暴、結(jié)冰、雷擊以及電網(wǎng)故障等）占16 %以上，其中雷擊事故約占4%。由于雷電現(xiàn)象具有非常大的隨機性，因此不可能完全避免風電機組遭受雷擊，只能在風電機組的設計、制造過程中，采取防雷措施，使雷擊造成的損失減到至小。
圖一 雷擊損壞的風力發(fā)電設備
雷電現(xiàn)象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現(xiàn)象。風電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風電機組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負極性放電具有較大的電流和較高的能量。雷擊保護比較關注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數(shù)。雷電參數(shù)包括峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷及電流陡度等。風電機組遭受雷擊損壞的機理與這些參數(shù)密切相關。
峰值電流
當雷電流流過被擊物時，會導致被擊物溫度的升高，風電機組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應有關。熱效應從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關，其中峰值電流起到很大的作用。當雷電流流過被擊物時（如葉片中的導體）還可能產(chǎn)生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現(xiàn)電弧。電弧產(chǎn)生的膨脹過壓與雷電流波形有關，其燃弧過程中的強烈高溫將對被擊物產(chǎn)生極大的破壞。這也是導致許多風電機葉片損壞的主要原因。
轉(zhuǎn)移電荷
物體遭受雷擊時，大多數(shù)的電荷轉(zhuǎn)移都發(fā)生在持續(xù)時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續(xù)時間較長的電流將在被擊物表面產(chǎn)生局部金屬熔化和灼蝕斑點。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發(fā)生電弧的地方出現(xiàn)灼蝕斑點，如果雷電流足夠大還可能導致金屬熔化。這是威脅風電機組軸承安全的一個潛在因素，因為在軸承的接觸面上非常容易產(chǎn)生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現(xiàn)軸承熔焊現(xiàn)象，軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損，降低其使用壽命。
電流陡度
風電機組遭受雷擊的過程中經(jīng)常發(fā)生控制系統(tǒng)或電子器件的損壞，其主要原因是感應過電壓的存在。感應過電壓與雷電流的陡度密切相關，雷電流陡度越大，感應電壓就越高。
在風電機組中，可能產(chǎn)生感應過電壓的區(qū)域是：
① 機艙內(nèi)部和穿過偏航軸承的地方；
②連接到控制室和配電室的電纜中。
位于這些區(qū)域任何一端的電氣控制設備，都需要裝設電涌保護器件。風電場中使用的電力電纜與變壓器相連，而變壓器需要裝設特殊的過電壓保護裝置進行保護。
另一方面，風電企業(yè)、氣象部門與電網(wǎng)部門的協(xié)調(diào)統(tǒng)籌能力以及氣象預報的準確度低。風電本身具有不穩(wěn)定性，不易準確預計，風況不穩(wěn)定，產(chǎn)生的電能就不穩(wěn)定，在歐洲12至24小時的風能產(chǎn)能預報的準確度達到90％以上，未來3天預報的準確度可達80％。這種不穩(wěn)定需要大容量電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，我國的電網(wǎng)沒有發(fā)達國家這種調(diào)節(jié)能力。風電的電能質(zhì)量較差，其電壓不穩(wěn)和諧波往往得不到有效控制，導致風電有可能成為電網(wǎng)管理部門頭疼的“垃圾電”，因此風電的過電壓防治協(xié)調(diào)問題比較突出。
我們依據(jù)風力發(fā)電機的特點，設計TBP-690V系統(tǒng)輸出電壓的新一代電涌保護器。其外型結(jié)構依然設計為35mm導軌安裝型。
圖二 690V風電專門使用電涌保護器
產(chǎn)品按雷電發(fā)生的環(huán)境，對保護電流進行了區(qū)別，適用不同的區(qū)域選型。
表一 690V電涌保護器的環(huán)境選型
按額定電壓不小于760V，進行的壓敏設計和配套元件設計，滿足風電機的特殊需要。其各項參數(shù)指標均不低于進口同類產(chǎn)品。
表二 690V電涌保護器的典型技術參數(shù)
SBTG風電變電用過電壓保護器，與常規(guī)過電壓保護器的主要區(qū)別，在于大容量設計。不只具有常規(guī)的防感應雷和操作過電壓功能，同時具有特殊的意義。一方面有效的降低殘壓，吸收大電流，提高風電電壓自身的穩(wěn)定性；另一方面防止由于風電電壓不穩(wěn)定導致的干擾嚴重保護器本身容易燒毀問題。在多個風電場變壓器保護使用，效果明顯。
表三 風電配電專門使用過電壓保護器的典型技術參數(shù)
圖三 風電專門使用大容量過電壓保護器（35kV）
雷擊是影響風電機組乃至整個風電場安全運行的重要因素，電壓不穩(wěn)是造成風電不受重視的重點關鍵。關注風電，關注風電機過電壓保護技術，是改善風電環(huán)境中不可或缺的組成部分，它對保證風電的安全運行具有重要的意義。選擇適當?shù)慕Y(jié)構，合理設計保護設備，降低風力發(fā)電中的雷擊和電壓不穩(wěn)定性因素，應予以足夠的重視。
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