風(fēng)力發(fā)電接地標(biāo)準(zhǔn)

1、風(fēng)能是當(dāng)前技術(shù)最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的可再生潔凈能源。風(fēng)能發(fā)電為人與自然和諧發(fā)展提供了基礎(chǔ)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是在自然環(huán)境下工作，不可避免的會(huì)受到自然災(zāi)害的影響。由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對(duì)的也增加了被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，雷擊成了自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害。雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。我國沿海地區(qū)地形復(fù)雜，雷暴日較多，應(yīng)充分重視雷擊給風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組和運(yùn)行人員帶來的巨大威脅。例如，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)建成投產(chǎn)至今發(fā)生了多次雷擊事件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片被擊中率達(dá)4%

2、,其他通訊電器元件被擊中率更高達(dá)20%。為了降低自然災(zāi)害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對(duì)性的防范措施。風(fēng)機(jī)的防雷是一個(gè)綜合性的防雷工程，防雷設(shè)計(jì)的到位與否，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)在雷雨天氣時(shí)能否正常工作，并且確保風(fēng)機(jī)內(nèi)的各種設(shè)備不受損害等。一、直擊雷防護(hù)該風(fēng)機(jī)主體高度約80米，葉片長(zhǎng)度約40米，即風(fēng)機(jī)最高點(diǎn)高度約為120米，且大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于空曠地帶，較孤立。風(fēng)機(jī)的高度加上所處特殊的環(huán)境，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)在雷雨天氣時(shí)極易遭受直擊雷。國際電工委員會(huì)對(duì)防雷過電壓保護(hù)的防護(hù)區(qū)域劃分為：LPZ0區(qū)（LPZ0A、LPZ0B）,LPZ1區(qū)，LPZ2區(qū)。在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機(jī)艙的外部（包括機(jī)

3、艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應(yīng)屬于LPZ0區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞雷）或不遭受直擊雷但電磁場(chǎng)沒有衰減的部位。機(jī)艙內(nèi)、塔架內(nèi)的設(shè)備應(yīng)屬于LPZ1區(qū)，這其中包括電纜、發(fā)電機(jī)、齒輪箱等。塔架內(nèi)電氣柜中的設(shè)備，特別是屏蔽較好的弱電部分應(yīng)屬于LPZ2。對(duì)與現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的LPZ0區(qū)防雷過電壓保護(hù)裝置進(jìn)行分析后，在LPZ0區(qū)內(nèi)，直擊雷的防護(hù)在沒有技術(shù)突破的前提下仍然沿用傳統(tǒng)的富蘭克林避雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護(hù)物受雷擊，以達(dá)到保護(hù)避雷的目。這就要求風(fēng)機(jī)的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導(dǎo)電性

4、能良好、自身重量輕的類似于碳纖維的材料，用單獨(dú)的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個(gè)良好的通道。機(jī)艙主機(jī)架除了與葉片相連，還連接機(jī)艙頂上避雷棒（筆者在給天津海事局燈塔做防雷工程時(shí)，在煙臺(tái)北長(zhǎng)山島上近距觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)看到的），與葉片位于相反的方向，估計(jì)該避雷棒用作為保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)免受雷擊。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用性質(zhì)及其重要性，參照建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范50057-94（2000版）關(guān)于建筑物的防雷分類，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)劃分為二類防雷建筑。二類防雷建筑對(duì)應(yīng)的滾球半徑為45米，根據(jù)電氣一幾何模型hr=10I0.65hr雷閃的最后閃絡(luò)距離（擊距），即滾球半徑I與hr對(duì)應(yīng)的得到保護(hù)的最小雷電流幅

5、值（KA）,即比該電流小的雷電流可能擊到被保護(hù)的空間。當(dāng)hr=45米時(shí)，I=10.1KA,即在選用滾球半徑為45米時(shí)，當(dāng)雷電流大于10.1KA時(shí)，雷電閃擊就會(huì)擊在接閃器上；當(dāng)雷電流小于10.1KA時(shí)，會(huì)發(fā)生繞機(jī)，即雷電可能擊在被保護(hù)物上，而不是接閃器上；如果被保護(hù)物自身的高度超過45米時(shí)，還會(huì)發(fā)生側(cè)擊，即發(fā)生雷電時(shí)，閃擊可能擊在塔身上（塔身高約80米）。根據(jù)莫斯科燈塔觀測(cè)到的雷擊，有多次時(shí)擊在燈塔下方的，即發(fā)生了側(cè)擊。同時(shí)，較大的高度使得上行雷的概率增大。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔身較高，使得積雨云下端與葉片的距離接近，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度突增，導(dǎo)致發(fā)生局部的空氣擊穿而產(chǎn)生向上發(fā)展的流光，終至出現(xiàn)上行先導(dǎo)。關(guān)于

6、風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷擊概率，可以參照高層建筑電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的一個(gè)估算的經(jīng)驗(yàn)公式。它是根據(jù)美國、波蘭、日本、瑞典對(duì)特高層建筑的觀察記錄，得出的經(jīng)驗(yàn)公式：N=3X10-5H2H的單位為m,適用于1KL=10.由此可以估算出，在1KL=30的地區(qū)（上海接近此數(shù)），100m高的建筑，每年大約遭受1次雷擊。從這個(gè)公式中可以揭示出一個(gè)規(guī)律，即高層建筑雷擊概率與其高度的平方成正比。以上直擊雷的防護(hù)是建立在一個(gè)有良好接地體的基礎(chǔ)上的，參照建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-94及微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范YD2011-93相關(guān)條款，風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷接地電阻不能小于5Qo二、風(fēng)輪、機(jī)艙、水平軸、尾舵和塔身的等電位連接機(jī)艙

7、外殼應(yīng)采用鋼板制成，作為承受直擊雷的載體，按照GB50057-94的要求，鋼板厚度必須大于4mm,在機(jī)艙的上方安裝幾支避雷短針，防止雷電發(fā)生繞擊和側(cè)擊時(shí)，穿透機(jī)艙，對(duì)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備造成損壞。如果機(jī)艙外殼為復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)在機(jī)艙外面敷設(shè)金屬網(wǎng)格，兼作接閃器和屏蔽之用。網(wǎng)孔宜為30cmx30cm,鋼絲直徑不宜小于2.5mm。必要情況下，需通過屏蔽計(jì)算，加大金屬網(wǎng)格的密度和鐵絲的直徑。初步估算，對(duì)于0.25/100的雷電流，應(yīng)不小于40db,各網(wǎng)格連接處應(yīng)焊接以保證電氣連接。風(fēng)輪與機(jī)艙間、機(jī)艙與塔柱間、尾舵與水平軸間應(yīng)通過挪接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨(dú)的多股塑銅線（截面不小于16

8、mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03Q。以上各部件連接為一個(gè)電氣的整體，使之遭受雷擊時(shí)，能有一個(gè)快速的通道沿塔身引入接地裝置。三、電磁屏蔽由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)為高聳塔式結(jié)構(gòu)，非常緊湊，發(fā)電機(jī)、信息系統(tǒng)、控制系統(tǒng)都靠近塔壁，無論風(fēng)輪、機(jī)艙、水平軸、還是尾舵受到雷擊，機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)等設(shè)備可能受到機(jī)艙的高電位反擊，在電源和控制回路沿塔筒引下過程中，也可能受到反擊。對(duì)發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)，繼電保護(hù)和控制系統(tǒng)、通信和信號(hào)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都應(yīng)安裝相應(yīng)的過電壓保護(hù)裝置。電力和信息回路由機(jī)艙到地面并網(wǎng)柜、變流器、塔底控制柜處應(yīng)采取屏蔽電纜外，還應(yīng)穿入接地鐵管，使反擊率降低。各回路應(yīng)在柜內(nèi)安裝相應(yīng)

9、防雷裝置，這樣DBSGP（分流、均壓、屏蔽、接地）系統(tǒng)在各節(jié)點(diǎn)層層設(shè)防。各電氣柜采用金屬薄板制作，可以有效地防止電磁脈沖干擾，在電源控制系統(tǒng)的輸入端，處于暫態(tài)過電壓防護(hù)的目的，采用壓敏電阻或暫態(tài)抑制二極管等保護(hù)設(shè)備與屏蔽系統(tǒng)連接，每個(gè)電控柜用不小于16mm2的多股塑銅線與接地端子連接。四、機(jī)艙內(nèi)各種柜的防護(hù)：各種柜內(nèi)的進(jìn)線、出線處必須按照雷電防護(hù)區(qū)域的劃分，通過雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，根據(jù)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑物信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)確定雷電防護(hù)等級(jí)，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以定為B級(jí)防護(hù)。在被保護(hù)的設(shè)備處加裝三級(jí)浪涌保護(hù)器。第一級(jí)采用開關(guān)型的電涌保護(hù)器，第二級(jí)和第三級(jí)采用限壓型的電涌保護(hù)器。且各參數(shù)必

10、須符合規(guī)范要求的最小值，即一級(jí)標(biāo)稱放電電流InA15KA（10/350）或InA60KA（8/20科s）,二級(jí)標(biāo)稱放電電流In>40KA,三級(jí)標(biāo)稱放電電流In>20KA對(duì)于690V/380V的風(fēng)力發(fā)電機(jī)供電線路，為防止沿低壓電源侵入的浪涌過電壓損壞用電設(shè)備，供電回路建議采用TN-S供電方式。1、變槳控制柜：變槳控制柜位于風(fēng)機(jī)頂端，雷雨天氣時(shí)容易遭受直擊雷，所以柜里電源線3x400vac/20A,300vdc/6A,24vdc(b)/10A,230vac(b)/2A等用電設(shè)備進(jìn)線前端應(yīng)安裝相應(yīng)的三相交流避雷器(imax：100KA)、單項(xiàng)交流避雷器(imax：100KA)和24V直流

11、電源避雷器(In:5KA)。2、機(jī)艙到變槳柜通訊線采用雙絞線通訊，雙絞線兩端在進(jìn)入設(shè)備前應(yīng)安裝信號(hào)避雷器。雙絞線必須穿金屬管敷設(shè)或采用屏蔽雙絞線，且金屬管或屏蔽層兩頭接地。3、機(jī)艙控制室：機(jī)艙控制室位于風(fēng)機(jī)頂端，雷雨天氣時(shí)極易遭受直擊雷，里面的開關(guān)電源送到變漿控制柜內(nèi)的出線端230vac(b)a300vdc/6A(變槳控制柜)，開關(guān)電源230vac(b)d24Vde(b)/10A(變槳控制柜)直流電源必須安裝電源浪涌保護(hù)器(In：5KA),開關(guān)電源UPS230va©24vdc(c)/10的24伏電源處安裝24V直流電源避雷器(In:5KA)。從塔底控制室到機(jī)艙控制室的Ups進(jìn)線端(機(jī)艙控制室)安裝電源避雷器(Imax:100KA)。以上設(shè)備處必須安裝能承受通過一級(jí)分類實(shí)驗(yàn)的電源浪涌避雷器。塔底設(shè)備柜的防護(hù)1、UPS230vac塔底控制室到機(jī)艙控制室的ups輸出端(塔底控制室)加裝電源避雷器(In:40KA)2、變流器到機(jī)艙發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的出線端和進(jìn)線端分別加裝通過二級(jí)分類試驗(yàn)的電源避雷器(In：40KA)和通過一級(jí)分類試驗(yàn)的電源避雷器(Imax:100KA)3、并網(wǎng)柜到發(fā)電機(jī)定子之間的出線端和進(jìn)線端分別加裝通過二級(jí)分類試驗(yàn)的電源避雷器(In：40KA)和通過一級(jí)分類試驗(yàn)的電源避雷器(Imax:100KA)4、各機(jī)柜的二次儀表線路應(yīng)加裝相應(yīng)