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案例名称: 风电场防雷

风电场防雷接地工程


一、概述

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。

风力发电是借助风能动力来发电的。为了有效利用风能,通常风力发电机位于周围开阔的疾风区,随着风力发电机组的单机容量越来越大,为了吸收更多风能,风机的高度必须随着叶片直径增加而不断升高,由于其高度远高于周围的地形地物,再加上风力发电机安装地点土壤电阻率通常较高,非常容易遭受雷击。可以说雷击已成为自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的自然灾害,因此,加强风力发电机组件防雷是极为重要的。风机的防雷是一个综合性的防雷工程,防雷设计的到位与否,直接关系到风机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。

本方案针对风力发电机组的防雷接地。



二、风力发电机组件被雷击的原因

风力发电机组件能否避免遭受雷击,有两个很重要因素,一是采取有效的防雷措施,二是及时有效地将雷电流传导至大地。只要我们做好了以上两点,就可以降低使风电机组件的雷击的风险。 IEC TR 61400-24报告指出:风力发电机的防雷通常不同于普通建筑物的防雷,它需要重点解决叶片和轮毂、齿轮箱、轴承、传动装置、发电机、电气及控制等系统的雷电防护。为此报告给出了德国统计的风机主要部件遭受雷击的数据(见下图)。


统计数据表明:风机遭受的雷击分直接雷击和非直接雷击,直击雷是造成风机叶片、轮毂及齿轮箱等机械结构件损坏的主要因素,非直击雷主要针对风机的电气装置产生破坏作用。不论是哪种雷击产生的损坏,都与风机的接地系统紧密相关。由于雷电流总是选择电阻小的路径传导,发生雷击时,只要能保证风机传导雷电流通道阻抗足够低,连通导线有足够的导电截面及良好的导电性,就能迅速将雷电流安全地引入大地,使风机免遭雷电破坏。因此,对于风力发电机组的防雷来说,建立低阻抗的泄流通道尤为重要,它是迅速将雷电流引入大地,尽可能地减少雷电流导入设备,使风机雷击损失降到最低的重要保证。

三、现场情况说明

平鲁石堂山风电场位于山西省朔州市平鲁区高石庄乡东北一带,距离高石庄乡3km,南距平鲁区32km,南距朔州市城区约59km,风电场东西宽约9km,南北长约13km,面积约118km2。工程场区高程约为1500m~1700m 间,风电场南距G109国道6.5km。本工程总规划开发建设容量为250MW,在山西省风电规划之列,二期工程安装133台金风WTG-1500型风力发电机组,单机容量为1500kW。装机容量199.5MW。采用一机一变单元接线。箱变距风机塔20m 处布置。风电机组基础形式为圆形基础,箱变基础与风机间通过电缆沟相连。箱变高压侧架空出线至集电线路后汇集于本期风场220kV 场内升压站。新建石堂山风电场升压站-大山台风电场升压站220kV 单回线路,长度约为26.5公里。

风力发电场风场设计采用风机。土壤电阻率比较高,经现场勘查,由于有岩石的存在且石块较多,造成不同深度的土壤电阻率分布不均匀。接地电阻不达标,风机接地电阻要求做到4欧姆。

依据土壤电阻率计算公式:


式中: Rn-—任意形状边缘闭合接地网的接地电阻,Ώ

Re-—等值(即等面积、等水平接地极总长度)方形接地网的接地电阻Ώ

-—土壤电阻率Ωm

S-—接地网的总面积㎡

-—水平接地极的直径或等效直径m

-— 水平接地极的埋深m

-—水平接地网的外边缘线总长度m

-—水平接地极的总长度m

估算得当接地电阻小于4欧姆时,所需主要接地材料如下表所示:

序号

产品名称

规格

数量

1

降阻剂

YBD-Z25

3.5

2

镀锌扁铁

60*6mm

86

3

接地

Φ50*2500mm

10


 

 

 

四、接地材料的选择及地网设计

设计依据及相关标准

GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》(2010版)

GB 50054-95 《低压配电设计规范》

GB 50174-93 《电子计算机机房设计规范》

GB 50169-92 《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》

IEC 61312 《雷电电磁脉冲的防护》

IEC TR 61400-24 《风力涡轮发电机系统–雷电防护》

DL/T621-1997 《交流电气装置的风机、箱变联合接地》

DL/T 620-1997 《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》

GB50168-2006 《电气装置安装工程施工及验收规范》

DL/T475-2006 《风机、箱变联合接地装置特性参数测量导则》

五、防雷接地系统

1、总接地网

2、风力发电机组接地布置

六、地网设计

接地是指将风机的外壳与大地连接一起,以便在正常运行、事故接地和遭受雷击的情况下,将其接地点的电位固定在允许范围内,从而保证人身和设备安全。风机的接地系统是风机防雷保护系统中一个关键环节。

6.1风机接地网

6.1.1风机防雷的特点

风机自身的特殊性决定了风力发电机的防雷不同于其他建筑物。首先是位于旷野的风力发电机高度过高(超过60米滚球半径),使暴露在外的由复合材料所制成风机叶片和引擎盖不能承受直接雷击或传导雷电电流;叶片和引擎盖在旋转,雷电流必须通过风力发电机组件传导至地面,雷电流会直接或间接的通过几乎所有的风力发电机的组件;风机安装位置的接地土壤条件较差。因此,要想达到较好的防雷效果,要求接地电阻越小越好,这样就必须将风场内所有风机基础钢筋和地网间利用导电截面积足够的金属导体连接为一体,形成可靠的低电阻地网。

6.1.2 接地的形式

按照IEC TR 61400-24报告的要求,为使风机将雷电流泻放到大地,每个风机都必须设置自己的低阻抗接地系统,并与整个风场的接地系统相连接,形成一个巨大的地网。

           

6.2接地网设计

根据GB50057-942000)规范要求,评价防雷地网的主要技术指标有三个,即接地体流散电阻(冲击接地电阻Ri)、接地体的有效长度(Le)及接地面积(A)。对于防雷接地来说,这三个指标按“规范”的表述是并列的,必须全部满足,而非仅满足其一即可。在地网设计和实际施工时,要同时满足冲击接地电阻Ri值,有效的地网接地面积(A)和有效长度(Le)。

6.2.1冲击接地电阻Ri与接地有效长度(Le

雷电冲击电压的最大值与冲击电流最大值的比值即为冲击接地电阻(Ri),冲击接地电阻并无实际物理意义。在雷电高频冲击电流的作用下,接地体的呈现的电感效应将阻止电流向接地体的远端泄放,远端接地极则不能象近端接地体一样有效地泄放雷电流。在工程中,我们只能对工频接地电阻进行测试,冲击接地电阻只能靠换算得出,即Ri=αR~,α为冲击系数,通过实验方法取得,α一般小于1。冲击接地电阻的大小与接地体的形状、冲击电流的幅值及土壤的电气参数有关。

受雷电流冲击特性的影响,接地体的长度受到一定限制,超出接地有效长度(Le)以外的接地体,对雷电流的泄流贡献很小。接地体有效长度与接地体的形式和土壤电阻率有关,即。通常风机的地网大多采用圆环形地网,当环形地网的周长的一半≥Le时,α取1;当环形地网的周长的一半时,α<1。在防雷接地的设计时,应充分考虑。

6.2.2地网的有效接地面积(A

接地电阻与接地的面积成反比,接地面积愈大,在同样土壤电阻率的情况下,接地电阻越小。在雷电冲击电流的作用下,一方面地网呈现的电感效应将阻碍雷电流向远端接地体散流,限制了地网面积;另一方面施工现场不能满足更大的接地面积。在风机接地现场受限的情况下,要满足接地电阻的设计要求,采用垂直地极或深埋地极就成为工程施工的必然选择。

要能达到上面的技术要求,本方案建议采用传统常规的镀锌扁铁、热镀锌管等接地材料围绕风机进行施工。下面介绍常规接地材料。

常规接地材料:降阻剂

                        

降电阻原理:降阻剂由多种成份组成,其中含有电解质、固化剂、润滑剂、导电水泥、填充材料等。它是一种良好的导电体,将它使用于接地体和土壤之间,一方面能够与金属接地体紧密接触,形成足够大的电流流通面;另一方面它能向周围土壤渗透,降低周围土壤电阻率,在接地体周围形成一个变化平缓的低电阻区域。

产品使用范围:本产品用途十分广泛,用于国民经济的各个领域中。它用于电力、电信、建筑、广播、电视、铁路、公路、航空、水运、国防军工、治金矿山、煤炭、石油、化工、纺织、医药卫生、文化教育等行业中的电气接地装置中。

产品的优点: 降电阻效果明显,能减少施工工作量,可少打接地体,尤其可用水平接地体代替难于施工的垂直接地体(在山区及岩石地区等)。施工方便,可解决施工场地受局限的困难,可大量节省金属材料,具有长效性与稳定性,防腐性能好。较少受气候的影响。综合技术经济性好等。

技术指标:1、降电阻率:50%-95%(土壤电阻率越高,降电阻越显著);2、稳定性及长效性,降电阻剂的理论有效期为30年以上;3、其保水性、吸水性比以往产品有较显著的提高;

五、接地技术要求及施工

风机基础接地网

风力发电机组接地系统的施工应考虑当地土壤情况。接地系统应包含:

水平接地环(围绕基础)

垂直接地极(视需求而定)

本风电场风机基础地质松软,风机基础外圈接地布置初步推荐采用以风机中心为中心设置多圈环形水平接地带,圆环敷设在混凝土基础外开挖的基坑内,并与风机基础预留接地扁铁焊接,直径根据风机基础的开挖情况确定,接地环由两个连接端连接至等电位连接导体,安装角度相差180°。外部水平接地及垂直接地视各风机土壤电阻率不同而定。

从风机及箱变接地工程网最外圈通过两根水平接地线与箱变接地网相连,为保护箱变免受雷击损害,每根接地线的埋地长度要求大于15m

d 风机及箱式变电站接地电阻要求

为降低投资及防止地网间的反击,风机及箱变接地工程装置与箱变接地装置应联合成一个接地系统,风机箱变接地系统包括风机及箱变的工作接地、保护接地及防雷接地,其工频接地电阻值按风机制造商要求小于4Ω,也满足规范要求的低压系统接地装置工频接地电阻不宜超过4Ω的要求。

根据GB50057《建筑物防雷设计规范》的要求,为使雷电流得到有效泄流,风机及箱变接地工程装置的冲击接地电阻不宜超过10Ω。

施工完成后,需测量每台风机的接地电阻及升压站的接地电阻、接触电势和跨步电势,并通过相关部门的验收。

一般来说,水平接地体采用不小于60×6mm 的热镀锌扁铁,垂直接地体采用Φ50*2500mm热镀锌管。考虑到减少接地体的屏蔽效应,垂直接地体的间距一般为其长度的1.5 2 倍,即为56米。

地网施工要求

1) 地网是防雷工程的基础,也是防雷工程的重点。

2) 根据当地土壤电阻率情况,规范、合理、经济的设置地网,满足接地要求。

3) 施工前认真勘察现场,了解地网所设位置的情况,如周围建筑物、地下管线布置等。

4)严格进行安全施工作业,确保施工迅速、顺利完成。

地网施工步骤

1) 土方开挖

接地装置采用沿建筑外墙呈环形敷设,接地装置距建筑外墙不小于1米以外。

在敷设接地极以前,需沿接地体的线路挖沟,以便打入接地体和敷设连接这些接地体的扁钢。接地装置需埋于地表层以下,一般接地体顶部距地面应不小于0.6m

按设计规定的接接地装置线路进行测量划线,然后以线开挖,一般沟深0.8-1.0m,沟上部宽0.6m,底部宽0.4m,沟要挖得平直,深浅一致,且要求沟底平整。如有石子应清除。挖沟时如附近有建筑物或构筑物,沟的中心线与建筑物或构筑物的距离不宜小于2m

2) 埋设垂直接地体

挖好沟以后,尽快敷设接地体,以防止塌方。接地体采用手锤打入地中,接地体与地面保持垂直,防止接地体与土壤产生间隙,增加接地电阻影响散流效果。

垂直接地体采用8LAD003非金属接地体。接地体应敷设在易于检查的地方,且应有防止机械损伤及化学腐蚀的保护措施。从接地干线敷设到用电设备的接地支线的距离越短越好。

3) 敷设水平接地体

地网水平接地体采用40mm×4mm的热镀锌扁钢。在垂直接地体埋设好以后,将扁钢沿挖好的沟槽,采用侧放的方式,放置于沟内,以便于焊接,并减小散流电阻。水平接地体与垂直接地体焊接连接,就近与车站建筑物主钢筋和结构地板钢筋相互多处焊接连接,形成接地网。

在进行接地网土壤回填时,应先在水平接地体周围包裹物理降阻剂,以减小接地网接地电阻值。

4)接地体焊接

接地采用普通焊接连接。

首先清理接地体焊接表面,不能有油污和其它杂物,接地体之间的连接采用搭焊连接,焊接时,两连接件应紧密靠拢。

焊接长度为:

扁钢与扁钢之间焊接为其宽度的两倍,当宽度不同时,以窄的为准,且至少要3边焊接;

圆钢和扁钢、圆钢与圆钢连接为其直径的6 倍;

扁钢与角钢焊接时,为了连接可靠,除应在其接触部位两侧进行焊接外,还应焊以由扁钢弯成的弧形(或直角形)卡子,或直接将接地扁钢本身弯成弧形(或直角形)进行焊接。

5)施工检查

在完成以上施工后,检查确认接地体焊接质量、接地电阻等符合要求,对不满足焊接要求的,即使进行返工处理;接地电阻不符合要求时,应仔细确认接地体连接是否可靠,必要时,应与业主协商解决方案。

6)防腐处理

焊接好以后,所有焊点均做防腐处理。外露的焊接点采用涂敷防锈漆、银粉漆的方式进行防腐处理,埋于地下的焊接点采用涂敷沥青漆的方式进行防腐处理。

7)土方回填

在完成防腐处理后,先采用细土从垂直接地体处进行回填,边回填,边踩踏夯实回填土,使其与接地体之间间隙最小,形成一个整体。最后大面积全面回填。

在完成回填以后,将不需要碎石泥土清理干净。

8)现场恢复

对因接地网开挖、施工时所破水泥地面、绿地等,应进行恢复,尽可能恢复原状,清理干净现场,注意环境保护。

9)标示设置

地网引出线敷设在易于检查和测试的地方,采用穿钢管防止机械损伤,或穿PVC管使其更美观和谐。在地网引出线位置,设置防雷接地安全标示牌。

七、接地材料清单及报价

                                           注:此报价为单独一个接地点报价。

八、技术支持及售后服务

为了不断满足顾客的需求,达到优质服务的目的。坚持质量第一,用户至上,终身免费维修。为客户提供专业、及时、优质、令您满意的服务宗旨,特制定以下售后服务细则:

1 、我公司确保其提供的货物是全新的、未使用过的,采用的是最佳材料和第一流的工艺,并在各个方面符合招标文件规定的质量、规格和性能要求。我公司保证其货物经过正确安装、合理操作和维护保养,在货物寿命期内运转良好。

2 我公司按每台或每套设备给甲方提供至少一套 完整的技术资料随货物包装发运,其中包括设备的中文使用说明书、操作手册或产品彩页等内容。

3、质量保证期为防雷接地系统工程竣工验收合格交付使用,工程质量保证五年内免费保修、更换, 系统终身维护。交付使用后,我公司每年巡查一次,除人为破坏或不可抗拒力,属生产、安装及材料质量问题所造成的一切责任和损失由我公司负责。

4、维修响应时间:收到业主维修要求半小时内响应,八小时内到达设备安装现场,要求中标人必须提供详细的响应保障措施。

5 维修工程师接到客户通知后,按上述时间内到达指定地点;

6、五年跟踪维护,定期电话回访,必要时现场检查,终身免费咨询

7、我公司免费为客户培训3~5名该防雷系统的技术人员,培训地点在乙方专用培训办公室或甲方项目办公室培训日期在1

8、培训内容为:

①防雷产品的工作原理;②接地系统的检查和维护;

③地网的接地电阻的测量;④避雷器的检查和维护。



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