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风力发电场防雷接地措施综合分析
2021-11-16
 目前,风力发电被称为明日世界的能源。由于它属于可再生能源,为人与自然和谐发展提供了基础,而且不像火电、核电、水电会造成环境问题,所以符合社会可持续发展对能源的要求。所以,风力发电已在我国达到了举足轻重的地位。然而,风力发电机组是在空旷、自然、外露的环境下工作,不可避免的会遭受到直接雷击。由于现代科学技术的迅猛发展,风力发电机组的单机容量越来越大。主体高度约80米、叶片长度约45米、即最高点高度约为120米的风机,在雷雨天气时极易遭受直接雷击。雷击是自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害,雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。风力发电场防雷是一个综合性的防雷工程,防雷设计的到位与否,直接关系到风电场在雷雨天气时能否正常工作,并且确保风机内的各种设备不受损害。为保证风力发电机组的正常、安全使用,我们特编制此方案。
 
一、风轮、机舱、水平轴、尾舵和塔身的等电位连接
 
机舱外壳应采用钢板制成,作为承受直击雷的载体,按照GB50057-2010的要求,钢板厚度必须大于4mm,在机舱的上方安装几支避雷短针,防止雷电发生绕击和侧击时,穿透机舱,对机舱内设备造成损坏。如果机舱外壳为复合材料时,应在机舱外面敷设金属网格,兼作接闪器和屏蔽之用。网孔宜为30cm×30cm,钢丝直径不宜小于2.5mm。必要情况下,需通过屏蔽计算,加大金属网格的密度和铁丝的直径。使各网格连接处应焊接以保证电气连接。
 
风轮与机舱间、机舱与塔柱间、尾舵与水平轴间应通过铆接、焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接,也可以通过单独的多股塑铜线(截面不小于16mm2),各连接过度电阻尽量小,一般不大于0.03Ω。以上各部件连接为一个电气的整体,使之遭受雷击时,能有一个快速的通道沿塔身引入接地装置。
 
 
风力发电厂防雷检测现场图
 
二、风力发电机电磁屏蔽
 
由于风力发电机为高耸塔式结构,非常紧凑,发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁,无论风轮、机舱、水平轴、还是尾舵受到雷击,机舱内的发电机及控制系统等设备可能受到机舱的高电位反击,在电源和控制回路沿塔筒引下过程中,也可能受到反击。对发电机及其励磁系统,继电保护和控制系统、通信和信号以及计算机系统都应安装相应的过电压保护装置。
 
电力和信息回路由机舱到地面并网柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆外,还应穿入接地铁管,使反击率降低。各回路应在柜内安装相应防雷装置,这样DBSGP(分流、均压、屏蔽、接地)系统在各节点层层设防。
 
各电气柜采用金属薄板制作,可以有效地防止电磁脉冲干扰,在电源控制系统的输入端,处于暂态过电压防护的目的,采用压敏电阻或暂态抑制二极管等保护设备与屏蔽系统连接,每个电控柜用不小于16mm2的多股塑铜线与接地端子连接。
 
三、机舱内各种柜的防护
 
各种柜内的进线、出线处必须按照雷电防护区域的划分,通过雷击风险评估后,根据评估结果进行设计,根据建筑物信息系统的重要性和使用性质确定雷电防护等级,该风力发电机可以定为B级防护。在被保护的设备处加装三级浪涌保护器。第一级采用开关型的电涌保护器,第二级和第三级采用限压型的电涌保护器。且各参数必须符合规范要求的最小值,即一级标称放电电流In≧25KA(10/350μs)或In≧80KA(8/20μs),二级标称放电电流I n≧40KA,三级标称放电电流I n≧20KA。对于690V/380V的风力发电机供电线路,为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备,供电回路建议采用TN-S供电方式。
 
 
甘肃环县某风电场实拍图
 
四、升压站站房接地系统
 
确定建筑防雷等级。一般风电场升压站属于三类防雷建筑物,第三类防雷建筑物上的接闪网、接闪器应沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设,并应在整个屋面组成不大于20m×20m或24m×26m的网格。当建筑物高度超过60m时,应设防侧击雷措施,首先应沿屋顶周边敷设接闪带,接闪带应设在外墙外表面或屋檐边垂直面上,也可设在外墙外表面或屋檐边垂直面外。接闪器之间应互相连接。
 
专设引下线不应少于2根,并应沿建筑物四周和庭院内四周均匀对称布置,其间距沿周长计算不应大于25m。当建筑物的跨度较大,无法在跨距中间设引下线时,应在跨距两端设引下线并减小其他引下线的间距,专设引下线的平均间距不应大于25m。
 
接地系统应与场内接地网共用,后面会详细指出。
 
五、风力发电输电线路的防雷
 
目前,我国风力输电线路防雷设计主要有以下几个方面: 合理选择线路路径; 架设避雷线; 降低杆塔接地电阻; 在部分地段装设避雷器; 提高线路整体绝缘水平。
 
这几种方法在目前的输电线路防雷设计中运用得非常多,在线路路径受地形和投资限制,选择范围不大的情况下,架设避雷线,降低杆塔接地电阻、装设避雷器、提高线路绝缘水平成为防雷设计的主要方法。避雷线、杆塔接地电阻、避雷针、线路绝缘的设计标准在各类规程和技术规范都有较为详细的阐述。
 
在选择设计输电线路的防雷设施时,应按照当地的雷点活动情况、系统的中性点接地方式、输电线路的绝缘情况、有无自动重合闸或备用自投装置、负荷的重要程度等各项条件来综合考虑,并按照技术经济比较的结果来做出决定采用最佳保护方案。
 
在输电线路防雷设计中,必须紧密结合当前风力发电电力生产和建设,不断收集和积累各种数据和资料,制造相应的保护装置,以满足不断发展的电网要求。
 
风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是在自然环境下工作,不可避免的会受到自然灾害的影响。由于现代科学技术的迅猛发展,风力发电机组的单机容量越来越大,为了吸收更多能量,轮毂高度和叶轮直径随着增高,相对的也增加了被雷击的风险,雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。为了降低自然灾害带来的损失,必须充分了解它,并做出有针对性的防范措施。
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