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單體機組風力發電機系統防雷技術方案
來源: | 發布日期:2017-09-10 次 | 人氣:818

單體機組風力發電機系統防雷技術方案

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南京寧翔防雷

緒論

■我國幅員遼闊風能資源豐富,隨著風電技術水平的不斷提高,單機容量大型化成為風力發電的趨勢,中國風電裝容量也呈現加速增長勢頭,隨著單機容量的增加,為了獲取更多的能量風力發電機的塔架也建造的越來越高,因此風力發電機遭受雷擊的幾率也比過去增加了許多,所以風機的防雷保護技術也日益引起足夠的重視,大力發展防雷保護技術以使風力機在遭受雷擊時使受損的可能性減為最小。

■由于風機處于一個暴露的位置,它遭受雷擊的概率很高。風機內部集成了大量的電氣,電子設備(開關柜,馬達,驅動裝置,變頻器,傳感器)以及相應的總線系統等。這些設備集中在一個狹小的區域里,電涌都會給風機機組帶來嚴重的損壞。保障這些電氣裝置的正常工作是非常重要的,雷電流耦合或開關操作引起的過電壓在這些裝置上都會導致嚴重損壞,引起整個風機的停機。因此,風機的雷電和過電壓保護非常重要。由雷擊導致的風力發電機組損壞的主要有:變頻器,過程控制計算機,轉速表傳感器,測風裝置。

■接地泄流裝置是防雷保護裝置中的重中之重,是防雷設施安全措施的必要環節,是雷電流釋放的首要通道,同時是整體防雷體系的安全保障。

第一章:風力發電機系統雷電隱患概述

1、風力發電機組防雷所處環境的惡劣

1.1風力發電機組的整體防雷系統不同于智能建筑物,它具有一定的特殊性,風機分散安置在曠野、山頂或沿海區域,大型風機葉片高點(輪轂高度加風輪半徑)達60~100 m,遭受雷擊概率高,風力發電機組的電氣絕緣低(發電機電壓690 V、大量使用自動化控制和通信元件),因此,其防雷環境遠比智能建筑物防雷系統技術要求更嚴謹、防雷條件更難。

2、風力發電機組直擊雷防護裝置和接地泄流系統踏勘隱患分析說明

2.1經現場對《符離集清水風電場和官山白土風電場》外部防雷(直擊雷)裝置技術踏勘,塔筒直擊雷防護裝置采用的是塔筒本身筒體壁厚作為直擊雷的防護接閃體,筒體為封閉式立柱(壁厚符合GB50057-2010第5.2.8條相關技術參數要求)起到了對塔筒內的電源裝置和風力發電機組設備的屏蔽保護作用,有效地防止直擊雷(或側擊雷)的侵害。

2.2經現場對電源輸送架設塔(傳輸線)直擊雷防護裝置的技術踏勘,架設塔傳輸線纜頂端架設了專用的避雷線作為電源輸送架設塔(傳輸線)直擊雷防護裝置的直擊雷的接閃保護措施,技術措施符合《風力發電系統的防雷保護》 IEC TR 61400-24-2002和GB50057-2010第4.3.1條要求。

2.3經現場對輸變電設施直擊雷防護裝置的技術踏勘,現場采用的接閃器(避雷針)在原有的立桿頂端安裝的接閃針作為其直擊雷的防護措施,經目測計算,接閃高度符合有效的保護半徑,達到對輸變電設施的直擊雷的保護措施。

1.1.4經現場對直擊雷防護裝置專用引下線(表面層)技術踏勘,單體直擊雷防護裝置(接閃器)引下線(引下線數量)不滿足GB50057-2010第4.2.2.3條和第4.3.3條要求之專設引下線不應少于2根(現場目測單體引下連接線為1根),尤為塔筒體直擊雷接閃引下線目測數量少于2根(依據塔筒體內的電氣器件防雷等級和經濟價值應定為第二類防雷類別),根據塔筒體周長計算依據規范確定其引下泄流線不得少于2根以上(至少2根),引下線的數量直接關系到泄流的效果和防雷的重要性與安全性。

2.4風力發電機組接地置散流接地裝置體接地阻抗設計值要求為≤4Ω,經現場分別對《符離集清水風電場和官山白土風電場》風力發電機組各相關地電阻進行了現場測試,得出的數據均大于規范之要求和現場使用條件,現場采用VITOR4105A(符合國家現行規范DL/T475-2006之規定測試頻率40~60Hz)接地電阻測試儀測試部分數據(▲塔筒區域現場接地裝置阻抗值測試綜合值為:22.6Ω▲電源輸送架設四角塔現場接地裝置阻抗值測試綜合值為:7.2Ω▲輸變電設施區域現場接地裝置阻抗值測試綜合值為:5.8Ω)綜合表明,風力發電機組的泄流裝置措施不符合設計之要求和現場使用條件,在氣象條件下風力機組的金屬體接閃的雷電流無法正常通過接地體通道泄放雷電流而損壞風力機組設備造成重大經濟損失和人員傷亡。

2.5經現場與甲方工作人員交流,在現場踏勘前幾天(2015-11-12)當地天氣降雨量大概在20-30mm之間(相對的濕度對現場測試的阻抗值有一定的降阻值作用但不能達到設計值之要求和符合設備安全使用條件)。

2.6經現場對《符離集清水風電場和官山白土風電場》各區域地電阻測試的阻值均不符合(或高于設計值要求)設計值要求和國家現行相關防雷規范的技術要求,接地裝置阻抗值越高其隱患就越大,在氣象條件下遭受雷擊或過電壓時,由于接地電阻過大達不到(或不符合現場實際使用條件)設計規定值,雷電流就不能迅速泄入大地,造成區域內的發電機組設備自身泄流感抗殘壓值過高,或在接地電阻上產生很高的電壓降引起發電機組電子設備(尤其是微電子控制器件)燒毀事故,同時,地電阻值越高也會抬高附近地電位態勢瞬間值升高造成跨步電壓和接觸電壓而傷及現場工作人員的人身安全。

2.7塔筒接地裝置的位置布設不合理,依據GB50057-2010第4.6節124頁概述:為了將雷電流散入大地而不會產生高危的過電壓,接地裝置的布置和尺寸比接地裝置的特定值更重要,塔筒區域的接地裝置(或等電位連接)尤為重要(塔筒內布設了風力發電機組的核心設備)。

2.8經現場對《符離集清水風電場和官山白土風電場》各區域接地裝置(尤為引下泄流連接線)施工工藝技術要求和抗機械損傷踏勘均不符合GB50343-2012第6.3.4條和6.3.5條要求。

2.9經現場對《符離集清水風電場和官山白土風電場》各區域接地裝置引下連接線技術(表面層)踏勘,其引下泄流通道數量均不符合GB50343-2012第6.3.1條要求。

2.10經現場對引下泄流線(表面層)踏勘,其引下連接裝置施工工藝均未布設斷接測試板,不符合GB50057-2010第5.3.6和5.3.7條要求。

2.11經踏勘,現場接地裝置的施工工藝主要節點不符合D501-1~4建筑物防雷設施安裝規范之要求。

■接地裝置的地電阻值是整個接地置散流體的核心技術條件之一,也是整個防雷裝置系統的重中之重,防雷裝置在防雷系統中的作用取決于接地裝置的布設和地電阻值。

3、風力發電機組設備等電位(均壓防反擊)連接防護措施踏勘隱患分析說明

3.1經現場對《符離集清水風電場和官山白土風電場》接地(風力發電機組各單項設備泄流體)裝置電氣短接測試與踏勘和塔筒區域接地裝置阻抗值測試綜合值(▲塔筒區域接地裝置阻抗值:33.1Ω▲電源輸送架設塔接地裝置阻抗值:11.5Ω▲輸變電設施區域接地裝置阻抗值:7.7Ω不是均壓Ω值、而且阻抗壓差大)綜合表明該區域接地裝置為各自的單獨接地置散泄流體(塔筒區域內電源裝置變頻柜、電源柜及外部露天金屬設施等)未有等電位(均壓防反擊)聯接保護措施,在氣象條件下(或靜電狀態下產生的過電壓)易造成風力發電機組電子設備(尤其是微電子控制器件)金屬器件間產生的后續漏電流形成反擊和電磁波傷及人員安全和電磁脈沖的二次放電(電氣元器件負荷的接觸瞬間過電壓)產生火花而發生火災燒毀(或擊壞)發電機組的核心設備變頻柜(或微電子金屬器件)。

4、風力發電機組電源系統電磁脈沖保護裝置踏勘隱患分析說明

4.1經現場對《符離集清水風電場和官山白土風電場》塔筒區域內電源裝置(變頻柜、電源柜等)綜合踏勘,在負荷裝置端均并聯安裝了對應參數的浪涌,技術布置上符合現行的國家防雷規范GB50057-2010建筑物防雷設計規范和GB50343-2012建筑物電子信息系統的防雷設計規范設置電磁脈沖防護等級的條件,踏勘中發現浪涌安裝的位置、引下泄流連接線不符合GB50343-2012第6.5.1條要求,在氣象條件下產生的雷電流在過長的接地泄流線上產生過電壓和高電流、高阻抗影響泄流效果使冗余過電流無法迅速釋放在瞬間產生熱效應而燒毀與之關聯的微電子器件。

4.2塔筒區域內電源裝置(電源器件、現有防雷裝置敷設)的搭接頭工藝未有良好的滅弧裝置措施,電氣裝置在靜電狀態下產生的過電壓造成電氣裝置的短路現象而引起電弧發生熱效應引起火災隱患。

第二章:風力發電機系統雷電防護裝置技術完善措施設計方案內容

1、風力發電機組系統雷電防護裝置技術設計理念

1.1風力發電機組系統的防雷是一個系統工程,它包括直擊雷的防護、感應雷的防護、等電位連接措施、屏蔽措施、規范的綜合布線、安裝電涌保護器(SPD)、完善合理的接地系統六個部分組成。在一個完善的防雷系統工程中缺一不可。

1.2風力發電機組系統的防雷設計應進行全面規劃、綜合治理、多重保護,將外部防雷措施和內部防雷措施整體統一考慮,做到安全可靠、技術先進、經濟合理、施工維護方便。

1.3根據《符離集清水風電場和官山白土風電場》現場踏勘的綜合情況及甲方工作人員對《符離集清水風電場和官山白土風電場》整體的風力發電機組的防雷現狀隱患敘述,按照現行國家防雷規范相關技術措施要求和防雷減災的經濟角度出發建議完善《符離集清水風電場和官山白土風電場》原有的防雷裝置整改措施使之符合設計要求和使用條件,使防雷裝置真正起到防雷減災的作用,在氣象條件下保障風力發電機組設備正常的運行。

2、風力發電機組系統雷電防護裝置技術整改主要規范依據

2.1《風力發電系統的防雷保護》 IEC TR 61400-24,2002

2.2《建筑物防雷設計規范》 GB 50057-2010

2.3《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB50343-2012

2.4《雷電電磁脈沖的防護》 IEC 1312-1,2,3

2.5建筑物防雷設施安裝規范D501-1~4

2.6建筑電氣工程施工質量驗收規范GB50303—2002

2.7《低壓供電系統中的過電壓保護器》 IEC 61643,1998

2.8《計算機信息系統雷電電磁脈沖安全防護規范》 GA 267-2000

2.9《電子計算機房設計規范》 GB 50174-2008

2.10《建筑與建筑群綜合布線系統工程設計規范》 CECS 72-97

2.11《雷電電磁脈沖的防護》 IEC1312

3、風力發電機系統雷電防護裝置技術整改設計方案整改對象與主要內容

3.1風力發電機組系統雷電防護裝置整改對象

◆《符離集清水風電場和官山白土風電場》各單體風力發電機組

3.2風力發電機組系統雷電防護裝置整改措施主要內容

◆完善的外部防直擊雷系統

◆合理配置過電壓保護裝置(SPD保護裝置)

◆良好的接地裝置(接地裝置體地電阻值設計值≤4Ω)

◆等電位連接均壓裝置

◆防雷裝置設施(器材)施工技術工藝質量保障措施

第三章:風力發電機系統雷電防護裝置技術整改設計方案具體措施

1、風力發電機組系統外部防直擊雷防護措施技術方案

1.1《符離集清水風電場和官山白土風電場》外部防雷(塔筒直擊雷防護裝置)現場采用的是塔筒本身筒體壁厚作為直擊雷的防護接閃體,筒體為封閉式立柱(壁厚符合GB50057-2010第5.2.8條相關技術參數要求)起到了對塔筒內的電源裝置和風力發電機組設備的屏蔽保護作用,有效地防止直擊雷(或側擊雷)的侵害。

1.2《符離集清水風電場和官山白土風電場》電源輸送架設塔(傳輸線)直擊雷防護裝置現場采用架設塔傳輸線纜頂端架設了專用的避雷線作為電源輸送架設塔(傳輸線)直擊雷防護裝置的直擊雷的接閃保護措施,技術措施符合《風力發電系統的防雷保護》 IEC TR 61400-24-2002和GB50057-2010第4.3.1條要求。

1.3《符離集清水風電場和官山白土風電場》輸變電設施直擊雷防護裝置現場采用的接閃器(避雷針)在原有的立桿頂端安裝的接閃針作為其直擊雷的防護措施,接閃高度符合有效的保護半徑,達到對輸變電設施的直擊雷的保護措施。

■綜合現場外部原有的(塔筒直擊雷防護裝置、電源輸送架設塔(傳輸線)直擊雷防護裝置、輸變電設施直擊雷防護裝置)防雷設施依據現行的防雷規范技術要求和現場環境符合在氣象條件下風力發電機組的常規運行,本案不作風力發電機系統的外部防雷技術措施的設計與防雷工程工藝的整改。

2、風力發電機組系統過電壓(SPD)保護裝置技術方案

2.1《符離集清水風電場和官山白土風電場》現場塔筒區域內電源裝置(變頻柜、電源柜等)在負荷裝置端均并聯安裝了對應參數的浪涌,技術布置上符合現行的國家防雷規范GB50057-2010建筑物防雷設計規范和GB50343-2012建筑物電子信息系統的防雷設計規范設置電磁脈沖防護等級的條件。

■綜合現場風力發電機組系統原有的過電壓(SPD)保護裝置依據現行的防雷規范技術要求和現場環境符合在氣象條件下風力發電機組的常規運行,本案不作風力發電機系統的過電壓(SPD)保護裝置技術參數的設計與整改。

3、風力發電機組系統接地裝置整改措施技術方案

3.1依據GB50057-2010第4.4.5條要求和《風力發電系統的防雷保護》 IEC TR 61400-24-2002防雷裝置(接閃器、等電位均壓環)的泄流接地置散體采用共用接地裝置,根據本案的防護等級和綜合條件本案防雷裝置(接閃泄流系統、過電壓SPD保護裝置和等電位均壓環)的泄流接地置散體的地電阻阻抗值設計值為≤4Ω。

3.2接地置散泄流體整改措施采用冗余式制作模式

3.2.1本案風力發電機系統均安裝聳立在山體上(海撥約250-400m之間),土壤(土壤率平均值≥2000)環境復雜(山體石與土的比例為10:1),給原有的接地阻抗值(小于≤4Ω)帶來了相當的難度,根據現場環境和風力發電機系統在氣象條件下接閃的雷電流泄流的特定要求,良好的接地裝置是保障風力發電機組不受雷電侵害的重要途徑之一。

3.2.2根據現場復雜的土壤環境和惡劣條件,制作符合風力發電機系統泄流的接地置散泄流體,依靠原有的土壤制作接地泄流體(地電阻值≤4Ω)是不可能達到(或符合)設計值的要求,只有采用換土的模式和采用離子接地棒、高導模塊、降阻劑和地籠式來制作(冗余式)接地置散泄流體,使冗余式接地置散泄流體達到風力發電機系統對泄流體≤4Ω的技術要求。

3.2.3依據GB50057-2010第4.6節124頁概述:為了將雷電流散入大地而不會產生高危的過電壓,接地裝置的布置和尺寸比接地裝置的特定值更重要,在人員必經路過區域并作防跨步電壓和接觸電壓裝置設置(跨步電壓防護裝置措施制作方法參照GB50057-2010第4.5.6.2.2條實施)。

3.2.4接觸電壓和跨步電壓分布曲線圖(略圖)

3.2.5為了風電機組系統單體的各金屬體接閃的閃電電涌快速安全的泄放,接地泄流裝置與接閃金屬體可靠地連接有效地防止接觸電壓的產生,并在接閃金屬體的醒目位置制作一組安全警示牌,其主要警示內容:《在氣象條件下切勿靠近接閃裝置,防止接觸電壓的產生傷及人員安全》,條件允許下制作安全防護欄有效地防護接觸電壓的產生。

3.2.6綜合考慮風力發電機系統單體機組在氣象條件下的工作環境和條件及安全的重要性,本案設計風力發電機系統單體機組的泄流地電阻為≤4Ω的主要目的是防止接觸電壓和防跨步電壓的產生(接地電阻值越小則接觸電壓和防跨步電壓產生率就越低)及泄流體通道的暢通有效保障風力發電機系統的安全運行。

■具體的冗余式接地置散泄流體制作方式和制作設計圖詳見施工組織技術方案,技術設計方案不作具體標注只作文字略計說明。

4、風力發電機組系統等電位連接均壓裝置整改措施技術方案

4.1依據GB50057-2010第6.3.1條要求和GB50343-2012第6.4條及《風力發電系統的防雷保護》 IEC TR 61400-24-2002防雷裝置、《雷電電磁脈沖的防護》 IEC 1312-1,2,3要求實施本案風力發電機系統單體機組(塔筒、電源輸送架設塔、輸變電設施)內的金屬器件(電氣設備)的等電位連接,有效地防止相互間產生的過電壓(過電流)形成反擊造成安全生產的隱患。

4.2等電位均壓環裝置采用S型等電位連接方式作為單點連接的等電位接地基準點,水平連接裝置采用扁鐵60*6熱鍍鋅(或≥BVR95mm)制作。

4.3依據GB50343-2012第6.3.1條要求本案等電位均壓環裝置泄流引下連接裝置與接地裝置體之間連接引下水平連接帶本案泄流點為2組,材料采用扁鐵40*4熱鍍鋅制作,其連接點采用焊接方式型式搭接,其施工工藝和抗機械損傷參照GB50343-2012第6.3.4條和6.3.5條實施。

4.4依據GB50343-2012第6.4.4條要求等電位連接網格的連接本案采用焊接方式型式搭接,金屬器件(電氣設備)與等電位均壓環裝置采用螺栓連接,其連接線采用屏蔽金屬導線黃色相間BVR50mm制作。

4.5依據GB50057-2010第4.5節124頁概述:共用接地網或帶的作用就是降低地電阻值和均衡互相間的單體地電阻值,防雷泄流得到的改善越多。由此可見,風力發電機系統內防雷裝置引下泄流設施采用共用接地網絡的泄流模式,是保障防雷裝置在防雷電閃擊泄流中的重要性和防雷泄流的可靠性,共用接地網絡(等電位鏈接)的泄流作用在整體防雷系統中顯得尤為重要。

4.6風力發電機系統單體機組內的金屬設施等電位連接裝置必須實施年檢巡查制度,測試均壓等電裝置的有效電氣通路和工藝節點防腐蝕維保,保障等電位均壓裝置在正常的運行中有效地保護風力發電機系統單體機組內的設備安全運轉。

■具體的風力發電機系統單體機組內的金屬設施等電位連接裝置制作方式和制作設計圖詳見施工組織技術方案,技術設計方案不作具體標注只作文字略計說明。

5、風力發電機組系統防雷設施(器材)施工工藝質量整改措施技術方案

5.1根據GB50343-2012第6.2.4條要求和GB50303—2002第24.2.1條要求,接地裝置頂面埋設深度不應小于 0.5m。圓鋼、角鋼及鋼管接地極應垂直埋入地下,間距不應小于 5m。接地裝置的焊接應采用搭接焊,搭接長度應符合下列規定:

1) 扁鋼與扁鋼搭接為扁鋼寬度的 2 倍,不少于三面施焊;

2) 圓鋼與圓鋼搭接為圓鋼直徑的 6 倍,雙面施焊;

3) 圓鋼與扁鋼搭接為圓鋼直徑的 6 倍,雙面施焊;

4)扁鋼與鋼管,扁鋼與角鋼焊接,緊貼角鋼外側兩面,或緊貼 3/4 鋼管表面,

上下兩側施焊;

5)除埋設在混凝土中的焊接接頭外,有防腐措施。

5.2根據GB50343-2012第6.4條要求建筑物等電位聯結干線應從與接地裝置有不少于 2 處直接連接的接地干線或總等電位箱引出,等電位聯結干線或局部等電位箱間的連接線形成環形網路,環形網路應就近與等電位聯結干線或局部等電位箱連接。支線間不應串聯連接。

5.3根據GB50343-2012第6.3條要求,接地裝置應在不同的位置至少引出兩根連接導體與室內等電位連接裝置匯流排可靠連接,接地引出線與接地裝置連接處應焊接或熱熔焊,連接點應有防腐措施。

5.4接地裝置泄流體施工流程

施工人員確定→接地裝置技術設計參數→施工計劃→材料確定→現場材料分類→安裝位置確定→確定安裝材料型號→主材與輔材型號配比→接地裝置地溝開挖→垂直接地極預埋→水平連接帶焊接→與引下線裝置連接(斷接卡)→接地裝置水平連接帶瀝青防腐(絕緣)處理→Ω值測試→回填土→安裝自檢→正常復位→安裝記錄

5.5等電位鏈接施工流程

施工人員確定→安裝計劃→材料確定→現場材料分類→安裝位置確定→確定安裝材料型號→主材與輔材型號配比→均壓環平面間距定位→絕緣子固定→匯流排固定間距打孔→匯流排與絕緣子固定連接→主匯流排與分匯流排搭接與連接→主匯流排與接地裝置引下線裝置可靠連接→匯流排與等電位實施(設備)PE點連接→安裝自檢→正常復位→安裝記錄

■具體的風力發電機系統單體機組內的防雷設施(器材)施工工藝質量整改措施制作方式和制作設計圖詳見施工組織技術方案,技術設計方案不作具體標注只作文字略計說明。

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