本发明专利技术提出了小型风电场直击雷完全防护的方法及装置。针对应用日益广泛的小型风力发电装置雷击几率高和防雷能力薄弱现状，运用传统避雷针装置，服务于“拒雷于机身之外”的现代防雷理念。具体言之，就是采用计算和作图相结合的方法、运用单元正方形概念，计算设置避雷针数量，考虑风电场引雷效应所产生的等值受雷面积，引进修正系数增加避雷针高度，正确调整避雷针相互距离与避雷针高度比例关系，装设焊接钢管分节联接的组合式结构的避雷针针体，最终形成以风电场机组为保护核心、风电场等值受雷地面完全屏蔽以及“母子座”、“双子座”和“三星座”等联合保护范围为安全通道的直击雷立体多重防护系统。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及户外可再生能源装置的直击雷保护，具体来说，尤涉及山区河谷小型风电场及其风力发电机组一种直击雷完全防护的方法及装置。
技术介绍
风电机组作为地面上高耸突出的发电物体，日夜暴露在大气环境之中，空阔旷野之上，遭受直接雷击是“司空见惯”，有的相对雷击几率甚至高达300%。遭受雷击时，放电雷电流释放出的巨大能量将对风电机组的桨叶、传动装置、发变电设备、变流装置、电子设备和计算控制系统造成严重破坏，并对接近风电场人员构成生命威胁。随着小型可再生能源在广大农村山区应用日益广泛，这种破坏和威胁，也如影相随，同步增加。而当今风电机组的防雷，从思路到装置，都仍沿用传统方法，即在机组突出部 位装设避雷针、避雷带等接闪器(如在桨叶叶尖部嵌装金属圆盘、桨叶表面镶嵌金属网带、在机组舱尾部安装避雷针等)，然后在机组内部装设引下线导体，使遭受雷击时的雷电流经风轮叶根部轮毂，传动轴和塔筒等最终泄入大地(见图I)。这种“引狼(雷)入室”的防雷思路和方法，带来的后果是每一次雷击，都会对本应被保护的机组构成一次威胁。事实证明，雷击机理十分复杂，雷电流一旦进入机身，是不会按照人们主观意图流通的，而是可通过塔顶至塔底多条途径肆意流过，雷电流泄放时所带来的暂态电位抬高、电磁感应和雷电反击，将对机组机电设备和电子装置乃至人身安全带来极大威胁。不仅如此，通过机身电气、电子设备和线路，直击雷电波还会转化为雷电侵入波进入地面变电设备、控制装置，导致次生雷击，可能祸及整个电力网络。此外，露天旷野中一个个突兀挺立的风电机组，在风雨雷电交加时，就是一支支引雷针，风电场此时就有可能成为雷电场，各个机组利用自身、各防顶上雷的做法，也极易被老天爷的雷电“各个击破”，无法保障整个风电场在雷电灾难天气时设备和人身的安全。为此，本专利技术对于风电设备，特别是应用日益普遍，分布日益广泛的小型风电场及其中的小型风电机组，从它们遭受雷击机会较多和防雷能力相对薄弱的现状出发，运用传统的避雷针装置，服务于“拒雷于机身之外”的现代防雷思路和方法，对极易遭受直击雷的小型风电场及其风电机组，乃至于地面实行全屏蔽保护。
技术实现思路
本专利技术涉及小型风电场及其风电机组完全防护直击雷的一种方法及装置。其特征是根据“拒雷于机身之外”的原则思路，针对山区河谷小型风电场中风电机组特有的安装排列位置，采用折线法计算与作图法相结合，运用单元正方形概念，设置独立避雷针，将机组对行排列的风电场划分若干个正方形单元小块，每个单元正方形的中心点就是避雷针安装点，其最低高度要保证处于单元正方形四角的四个机组在其完全屏蔽保护范围之内。在此基础上，应用旷野突出构建物引雷效应理论，在系数为(I. 2 I. 6)范围内修正初选避雷针高度，实现风电场等值受雷面积内直击雷的完全屏蔽防护，进而加强以风电机组为中心的保护。气象实践和理论都证明，山区河谷，尤其是构筑小水电站的峡口水面，盛行“山谷风”，白天为由谷吹向山坡的“谷风”，夜间相反，为山坡吹向谷口的“山风”，故风电场中小型风电机多采用对行排列(见图2)，考虑风速、风向变化，地形环境特点，特别是防止尾流效应，相邻机组间隔一般选定在(5 7) d(d为风轮直径)范围内。风电场直击雷的完全屏蔽防护，可通过避雷针的设置和联接装置来实现，其特征是，对任一风电机组对行排列的风电场，均可从中划分出若干个以避雷针为中心，风电机组各居四角的正方形单元(见图2)，每一单元以I : 4比例装设避雷针，机组数为4n(正为整数)，避雷针数为η ;机组数为4n+l (2,3),避雷针数为η+1，避雷针高度，用折线法初选hmin，再考虑突出构建物在旷野中的引雷效应，在系数(I. 2 I. 6)范围内修正增加针高，直至风电场等值受雷面积内得到完全屏蔽保护，并进而加强风电机组的重点保护。为适应山区地形复杂、气候多变环境，加强对直击雷的屏蔽防护效果，其特征是在避雷针相互距离与针高之比D/h< (4 5)条件下，可实现联合保护，相邻等高避雷针，组成“双子座”保护；相邻不等高避雷针，组成“母子座”保护；三支成鼎足之势的避雷针，组成·“三星座”防护，这些“星座式”保护，可在风电场形成若干具有一定宽度和高度的防雷安全通道，由此建立以风电机组为保护核心、风电场等值受雷地面完全屏蔽及具有联合保护安全通道的直击雷多重立体防护体系。所配置避雷针的特征是，高度要比滚球法、折线法的计算高度多出(20 60) %,作为接闪器的避雷针须经现场勘探、精细计算和加工成型后在现场组装。组合式结构的避雷针针体为自上而下、采用公差外径连续递增的焊接钢管分节联接，上节钢管插入大一号的下节钢管370 530 (mm)，从距节头50 60 (mm)处开始，每隔120 130 (mm)，采用￠12(16)电焊钉，空间相互垂直穿钉焊接4处，端头焊固，焊牢处(长X宽X高)不小于30X12(16) X 8 (10) (mm)，最后将所联接钢管节点处四周搭接焊牢(见附图说明图10_a、b及其附表1、2)。为计算方便，假设风电场风电机组型号、规格及外形尺寸都相同(实际也常属这种情况)。此外，考虑小型风电场单台机组功率多是50KW以下，风轮直径和塔架(杆)高度多在20m以内，避雷针设计安装高度均不会超过60-70m，故采用长期实践验证可靠的折线法计算。I、机组总高H计算H = hi+d/2 (m)式中h「风电机组塔架(杆)高度(m)；d-风轮直径(m)。2、求取机组高H平面保护直径rH采用单元正方形作图与计算结合法，求取机组高H平面的保护半径rH。即对任一对行排列机组的小型风电场，均可从中划分出若干以避雷针为中心，四个风电机组占4角的单元正方形(见图3)。每个单元正方形以I : 4比例装设避雷针。 1/_ \Γ r H =—^a2+ a2 =---a (m) 22式中a为机组间距，也是单元正方形的边长，一般选定a = (5 7) d。要强调的是，按上述公式算出的rH还必须符合直击雷完全防护的附加要求，即避雷针与机组塔杆最小平行间距Lmin要满足下式条件rH > Lmin = La+5 (m)式中La为风电机组机身长度(m)；5m为避雷针与机组要求相距最小距离，目的是当避雷针引来直击雷电泄流时，它在所保护机组及其线路上产生电磁感应、雷电反击和接地高电位的危害被限制在安全范围之内，从而保证运行人员、风电机组、线路网络和电力电子器件的安全。3、确定避雷针最低要求高度hmin采用折线法，单支避雷针的保护范围可看作是一折线圆锥形(图3)。从针的顶点向下作45°斜线，构成圆锥形的上半部；从距针脚I. 5倍针高处向上作斜线与前一斜线在针高二分之一处相交，交点以下构成圆锥形的下半部。其地面上的保护半径r按下式确定r = I. 5h若H≥h/2，有经验公式权利要求1.一种小型风电场直击雷完全防护的方法，其特征是根据“拒雷于机身之外”的原则思路，针对山区河谷小型风电场中风电机组特有的安装排列位置，采用折线法计算与作图法相结合，运用单元正方形概念，设置独立避雷针，将机组对行排列的风电场划分若干个正方形单元小块，每个单元正方形的中心点就是避雷针安装点，其最低高度要保证处于单元正方形四角的四个机组在其完全屏蔽保护范围之内。在此基础上，应用旷野突出构建物本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种小型风电场直击雷完全防护的方法，其特征是根据“拒雷于机身之外”的原则思路，针对山区河谷小型风电场中风电机组特有的安装排列位置，采用折线法计算与作图法相结合，运用单元正方形概念，设置独立避雷针，将机组对行排列的风电场划分若干个正方形单元小块，每个单元正方形的中心点就是避雷针安装点，其最低高度要保证处于单元正方形四角的四个机组在其完全屏蔽保护范围之内。在此基础上，应用旷野突出构建物引雷效应理论，在系数为(1.2～1.6)范围内修正初选避雷针高度，实现风电场等值受雷面积内直击雷的完全屏蔽防护，进而加强以风电机组为中心的保护。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈巍，陈小华，郭阳明，周世和，李光杰，
申请(专利权)人：周志强，王文琛，
类型：发明
国别省市：
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