风光互补发电系统防雷接地知识和设计.doc

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1、风光互补发电系统防雷接地知识和设计一、任务导入 风力发电机安装在室外，塔架加风轮和轮毂高度达十几米，遭受雷击屡见不鲜，特别是雷电多发地区，雷击会造成风力发电机叶片损坏，并常常引起发电系统过电压，造成发电机击穿、控制设备烧毁、电气设备损坏等事故，甚至危及人员安全。所以，雷击威胁着风力发电机的安全运行。因此，在设计风光互补发电系统时，一定要做好防雷设计。图3-7所示是直接雷击示意图。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。我国沿海地区地形复杂，雷暴

2、日较多，应充分重视雷击给风力发电机组和运行人员带来的巨大威胁。图3-8所示是感应雷击示意图。 图3-8所示是感应雷击示意图二、 相关知识学习情境1风光互补发电系统防雷知识 1风光互补发电系统的避雷技术要求对于风光互补发电系统的避雷设计，主要考虑直击雷和感应雷的防护：风光互补发电系统的风力发电机、太阳能电池组件都安装在室外，当雷电发生时可能会受到直击雷的侵入，直击雷的防护通常采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属体作为接闪器，将雷电流接收下来，并通过引T线引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。图3-9 所示是避雷装置设计图。感应雷的防护主要考虑在风力发电机外壳、太阳能电池组件四周铝合金框

3、架与支架作等电位连接并可靠接地，交直流输电线路和逆变器等的感应雷防护措施主要是采用防雷保护器。 图3-9 避雷装置设计图2风光互补发电系统设备的雷电及过电压的影响 风光互补发电系统作为一种新兴的发电系统在能源发电领域中已备受关注及广泛应用，由于风光互补发电系统本身安装位置和环境的特殊性，其设备遭受雷电电磁脉冲损坏的隐患也越来越突出。因此，根据实际情况对风光互补发电系统防雷的研究有助于提高整个发电系统的安全、高效运行。雷电对风光互补发电系统设备的影响主要由以下几个方面造成： (1)直击雷。太阳能电池组件、风力发电机都安装在室外空旷的地方，所以雷电很可能直接击中太阳能电池组件、风力发电机，造成设备

4、的损坏，而导致无法发电。 (2)传导雷。远处的雷电闪击，由于电磁脉冲空间传播的缘故，会在太阳能电池组件、风光互补发电系统与控制器或者是逆变器、控制器到直流负载，逆变器到电源配电柜及配电柜到交流负载等的供电线路上产生浪涌过电压，损坏电气设备。 (3)地电位反击。在有外部防雷保护的风光互补发电系统中，由于外部防雷装置将雷电引人大地，从而导致地网上产生高电压，高电压通过设备的接地线进入设备，从而损坏控制器、逆变器或者是交、直流用电设备。3风光互补发电系统雷电防护风光互补发电站为三级防雷建筑物，防雷和接地涉及以下方面：(1)风光互补发电站站址的选择。 (2)尽量避免将风光互补发电站建设在雷电易发生和易

5、遭受雷击的位置。 (3)尽量避免将避雷针布置在风力发电机的迎风面及投影落在太阳能电池组件上。 风光互补发电系统外部防雷系统的作用是提供直击雷电流泄放通道，使雷电不会直接击中太阳能电池组件和风力发电机。外部防雷系统包括3部分：接闪器、引下线和接地地网。风光互补发电系统必须有相对完善的外部防雷措施，以保证裸露在室外的太阳能电池组件、风力发电机不被直接雷击损坏。4防雷系统的组成 风光互补发电系统的防雷主要由雷电电磁脉冲防护系统和直击雷防护系统组成。雷电电磁脉冲防护系统主要针对风光互补发电系统的控制系统；直击雷防护系统主要包括风塔、叶片及接地系统的防护。风光互补发电系统通常位于开阔的区域，而且很高，所

6、以整个风力发电机、太阳能电池组件都暴露在直接雷击的威胁之下，被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比的。风力发电机内部集成了大量的电气、电子设备，这些设备都集中在一个很小的区域内，因此，电涌可以给风光互补发电系统带来相当严重的损坏。 从广泛使用的雷暴活动水平这一指标中，可以知道某一地区一年中云对地闪击的次数。在欧洲，海岸地区和较低海拔的山区每年每平方公里发生的云地闪击一般按照13次来估算。平均每年的预计落雷数可以按照下列公式计算 n=2.410-5NgH2.05 (4-52)式中Ng每年每平方公里的云地闪击数； H物体的高度。 假设每平方公里年平均云地闪击数是2，一个75m高的物体，

7、其雷击概率大约是每3年一次。 在设计防雷装置时，还要考虑的是：当暴露在雷电直击范围内的物体高度超过60m时，除了云地闪击之外，地云的闪击也会出现。地云闪击也称为向上闪击，因地面先导伴随更大的雷击能量，因此地云闪击的影响对于风力发电机叶片的防雷设计和第一级防雷器的设计非常重要。 根据长期观察，雷击造成的损坏中除了机械损坏之外，风光互补发电系统的电子控制部分也常常损坏，主要有控制器、逆变器、过程控制计算机、转速传感器、测风装置。 防雷保护区概念是规划风光互补发电系统综合防雷保护的基础，它是一种对结构空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境。构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大

8、小决定了对这一空间电磁环境的要求。 作为一种保护措施，防雷保护区概念当然就包括了应在防雷保护区的边界处，将电磁干扰（传寻性干扰和辐射性干扰）降低到可接受的范围内，因此，被保护的构筑物的不同部分被细分为不同的防雷保护区。防雷保护区的具体划分结果与风光互补发电系统的结构有关，并且也要考虑这一结构建筑形式和材料。通过设置屏蔽装置和安装电涌保护器，雷电在防雷保护区0A区的影响在进入l区时被大大缩减，风光互补发电系统内的电气和电子设备就可以正常工作，不受干扰。按照防雷保护分区的概念，一个综合防雷系统包括如下。 (1)外部防雷保护系统：接闪器、引下线、接地系统。(2) 内部防雷保护系统：防雷击等电位连接、

9、电涌保护、屏蔽措施。学习情境2风光互补发电系统接地知识接地网是接地系统的基础设施，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成。以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地体的作用，主导作用是用接地体来完成的。1接地电阻 防雷界形成一种概念，就是接地电阻越小，防雷效果越好，可是实践并没有提供证据。接地电阻的定义与测量有关联：接地体的直流（或工频）接地电阻是指，当一定的直流（或工频）电流，流入接地体时，由接地体到无穷远处零位面之间必有电压V，V/I的值定义为接地电阻R

10、。图3-10所示是典型的接地体安装，显然，这里是把接地体和周围的大地一起看做是与金属导体相等同的导体了，并同时承认欧姆定律是适用的。因为欧姆定律是在金属导体上得到验证的，不论电流多大，V/I值总是恒定值，这个值就定义为金属导体的电阻。所以一般从事防雷的人员在接受接地电阻这一物理概念时毫不费力地就会把它当做金属导体的电阻考虑，很少有人会去思索两者间有很大差异。金属导体中欧姆定律之所以能够成立，完全可以从金属的电子理论得到解释，这个理论指出，金属导体内有密度非常大的自由电子，这个密度值是不随导体内的电场强度而变化的，所以导致电阻值R是与电压V及电流I无关连的恒量。而大地并不是金属组成的，传导电流的

11、微观结构和载流子等与金属有很大差异。当大地土壤里的电流或电压足够高时，会出现火花效应，也就是出现击穿效应，载流子数量突然剧增，电阻突然下降，也就是说此种状态不满足欧姆定律。防雷工程界引入“冲击接地电阻”概念，让人们注意到“接地电阻”的概念不简单，却不能提出准确的科学理论来定量描述闪电入地后的客观规律。这是由于自然界的落地雷是小概率的极端无规的随机现象，目前仍没有通过实验观测来研究出它的规律性。电阻这个物理概念是在直流电路范畴里建立的，在中频电路里就出现争议，到了高频和微波领域，就要增添种种补充说明，接地电阻这个物理概念就更加复杂。这里仅指出以下两点： (1)由于电流与电压有相位的差异，电阻应以

12、复数取代实数来表征。 (2)导电媒介不限于金属导体，它们在不同的频率下有不同的导电表现，珂以是导体（当传导电流远大于位移电流），也可能是不良导体，还可能是电介质（当传导电流远小于位移电流）。 例如，以低频下相对电容率=14和电导率g=10-2/m的土壤来考察，在l03 Hz频率下它的性质像导体，在3l010 Hz的微波频率下它的性质为介质或者说是绝缘体，而在107Hz的频率下它表现为不良导体。众所周知，雷电的频谱甚宽，从01016 Hz以上。既然雷电是一种频谱极广的电磁现象，那么仅以静电学和直流电路的概念来描绘雷电的种种物理过程已太脱离实际。 决定接地电阻大小的因素很多，计算传统地网接地电阻的

13、公式（仅以接地环接地时）如下 式(4-1)表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻值必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低1/2。 式(4-2)、式(4-3)表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。 单使用接地环是不可能达到接地网要求的电阻值的，因接地电阻与接地环包围的面积s 和土壤电阻率有关。以常见的土壤电阻率为200m来分析，要做接地电阻为1的地网就需要占地10000m2。对于大型建筑物而言，本身占地很大，也最多可以建设一个这样的地 网。若大型的

14、建筑中有要求独立的设备，一个地网是远远不够的。在建筑林立的城市和地形 复杂的山地要求大面积可供施工的土质空地是不太可能的，即使在地理条件许可的地方，由 于开挖量大、耗材多，费工费料工程费用高，是不可取的。所以，需要运用更好的接地材料 和施工设计方法。 通常防雷接地的接地电阻要求是 10，实际上某些设备防感应防雷的接地电阻要求 4或1。这里常常有个误区，认为做到10、4或1的接地电阻就满足设计要求 了，而没有考虑季节因数。因为，土壤电阻率是随季节变化的，规范所要求的接地电阻实际上是接地电阻的最大许可值，为了满足这个要求，地网的接地电阻要达到 (4-4)式中Rmax 接地电阻最大值，如要求值为10

15、、4或1的接地电阻； 季节因数，根据地区和工程性质取值，常用值为1. 45。所以接地电阻实际值是：R=6. 9( Rmax=10)；R=2.75(Rmax=4)；R=0.65(Rmax=1)。 这样，地网才是符合规范要求的，在土壤电阻率最高的时候（常为冬季）也能满足设计要求。接地工程本身的特点是周围环境对工程效果有着决定性的影响，脱离了工程所在地 的具体情况来设计接地工程是不可行的。设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因素的综 合考虑（如土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因数、气候及可施工面积等因素决定了接地网形状、大小、工艺材料的选择等）。2地网形式 地网的形状直接影响接地达到的效果和达到设计要求所需要的地网占地面积。首先应建立接地环（或接地面），