專利名稱：小型風(fēng)電場(chǎng)直擊雷完全防護(hù)的避雷針裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及戶外可再生能源裝置的直擊雷保護(hù)，具體來說，尤涉及山區(qū)河谷小型風(fēng)電場(chǎng)及其風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一種直擊雷完全防護(hù)的避雷針裝置。
背景技術(shù)：
風(fēng)電機(jī)組作為地面上高聳突出的發(fā)電物體，日夜暴露在大氣環(huán)境之中，空闊曠野之上，遭受直接雷擊是“司空見慣”，有的相對(duì)雷擊幾率甚至高達(dá)300%。遭受雷擊時(shí)，放電雷電流釋放出的巨大能量將對(duì)風(fēng)電機(jī)組的槳葉、傳動(dòng)裝置、發(fā)變電設(shè)備、變流裝置、電子設(shè)備和計(jì)算控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞，并對(duì)接近風(fēng)電場(chǎng)人員構(gòu)成生命威脅。隨著小型可再生能源在廣大農(nóng)村山區(qū)應(yīng)用日益廣泛，這種破壞和威脅，也如影相隨，同步增加。而當(dāng)今風(fēng)電機(jī)組的防雷，從思路到裝置，都仍沿用傳統(tǒng)方案，即在機(jī)組突出部位裝設(shè)避雷針、避雷帶等接閃器(如在槳葉葉尖部嵌裝金屬圓盤、槳葉表面鑲嵌金屬網(wǎng)帶、在機(jī)組艙尾部安裝避雷針等)，然后在機(jī)組內(nèi)部裝設(shè)引下線導(dǎo)體，使遭受雷擊時(shí)的雷電流經(jīng)風(fēng)輪葉根部輪轂，傳動(dòng)軸和塔筒等最終泄入大地(見圖I)。這種“引狼(雷)入室”的防雷方案，帶來的后果是每一次雷擊，都會(huì)對(duì)本應(yīng)被保護(hù)的機(jī)組構(gòu)成一次威脅。事實(shí)證明，雷擊機(jī)理十分復(fù)雜，雷電流一旦進(jìn)入機(jī)身，是不會(huì)按照人們主觀意圖流通的，而是可通過塔頂至塔底多條途徑肆意流過，雷電流泄放時(shí)所帶來的暫態(tài)電位抬高、電磁感應(yīng)和雷電反擊，將對(duì)機(jī)組機(jī)電設(shè)備和電子裝置乃至人身安全帶來極大威脅。不僅如此，通過機(jī)身電氣、電子設(shè)備和線路，直擊雷電波還會(huì)轉(zhuǎn)化為雷電侵入波進(jìn)入地面變電設(shè)備、控制裝置，導(dǎo)致次生雷擊，可能禍及整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)。此外，露天曠野中一個(gè)個(gè)突兀挺立的風(fēng)電機(jī)組，在風(fēng)雨雷電交加時(shí)，就是一支支引雷針，風(fēng)電場(chǎng)此時(shí)就有可能成為雷電場(chǎng)，各個(gè)機(jī)組利用自身、各防頂上雷的做法，也極易被老天爺?shù)睦纂姟案鱾€(gè)擊破”，無法保障整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)在雷電災(zāi)難天氣時(shí)設(shè)備和人身的安全。為此，本發(fā)明對(duì)于風(fēng)電設(shè)備，特別是應(yīng)用日益普遍，分布日益廣泛的小型風(fēng)電場(chǎng)及其中的小型風(fēng)電機(jī)組，從它們?cè)馐芾讚魴C(jī)會(huì)較多和防雷能力相對(duì)薄弱的現(xiàn)狀出發(fā)，運(yùn)用傳統(tǒng)的避雷針裝置，服務(wù)于“拒雷于機(jī)身之外”的現(xiàn)代防雷方案，對(duì)極易遭受直擊雷的小型風(fēng)電場(chǎng)及其風(fēng)電機(jī)組，乃至于地面實(shí)行全屏蔽保護(hù)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明涉及小型風(fēng)電場(chǎng)及其風(fēng)電機(jī)組完全防護(hù)直擊雷的一種避雷針裝置。根據(jù)“拒雷于機(jī)身之外”的原則方案，針對(duì)山區(qū)河谷小型風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組特有的安裝排列位置，采用折線法計(jì)算與作圖法相結(jié)合，運(yùn)用單元正方形方案，設(shè)置獨(dú)立避雷針，將機(jī)組對(duì)行排列的風(fēng)電場(chǎng)劃分若干個(gè)正方形單元小塊，每個(gè)單元正方形的中心點(diǎn)就是避雷針安裝點(diǎn)，其最低高度要保證處于單元正方形四角的四個(gè)機(jī)組在其完全屏蔽保護(hù)范圍之內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用曠野突出構(gòu)建物引雷效應(yīng)理論，在系數(shù)為(I. 2 I. 6)范圍內(nèi)修正初選避雷針高度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)等值受雷面積內(nèi)直擊雷的完全屏蔽防護(hù)，進(jìn)而加強(qiáng)以風(fēng)電機(jī)組為中心的保護(hù)。氣象實(shí)踐和理論都證明，山區(qū)河谷，尤其是構(gòu)筑小水電站的峽口水面，盛行“山谷風(fēng)”，白天為山谷吹向山坡的“谷風(fēng)”，夜間相反，為山坡吹向谷口的“山風(fēng)”，故風(fēng)電場(chǎng)中小型風(fēng)電機(jī)多采用對(duì)行排列(見圖2)，考慮風(fēng)速、風(fēng)向變化、地形環(huán)境特點(diǎn)，特別是防止尾流效應(yīng)，相鄰機(jī)組間隔一般選定在(5 7) d(d為風(fēng)輪直徑)范圍內(nèi)。風(fēng)電場(chǎng)直擊雷的完全屏蔽防護(hù)，可通過避雷針的設(shè)置和聯(lián)接裝置來實(shí)現(xiàn)，對(duì)任一風(fēng)電機(jī)組對(duì)行排列的風(fēng)電場(chǎng)，均可從中劃分出若干個(gè)以避雷針為中心，風(fēng)電機(jī)組各居四角的正方形單元(見圖2)，每一單元以I : 4比例裝設(shè)避雷針，機(jī)組數(shù)為4n(n為整數(shù))，避雷針數(shù)為n ;機(jī)組數(shù)為4n+l(2、3)，避雷針數(shù)為n+1，避雷針高度，用折線法初選hmin，再考慮突出構(gòu)建物在曠野中的引雷效應(yīng)，在系數(shù)(I. 2 I. 6)范圍內(nèi)修正增加針高，直至風(fēng)電場(chǎng)等值受雷面積內(nèi)得到完全屏蔽保護(hù)，并進(jìn)而加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的重點(diǎn)保護(hù)。為適應(yīng)山區(qū)地形復(fù)雜、氣候多變環(huán)境，加強(qiáng)對(duì)直擊雷的屏蔽防護(hù)效果，在避雷針相互距離與針高之比D/h< (4-5)條件下，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)合保護(hù)，相鄰等高避雷針，組成“雙子 座”保護(hù)；相鄰不等高避雷針，組成“母子座”保護(hù)；三支成鼎足之勢(shì)的避雷針，組成“三星座”防護(hù)，這些“星座式”保護(hù)，可在風(fēng)電場(chǎng)形成若干具有一定寬度和高度的防雷安全通道，由此建立以風(fēng)電機(jī)組為保護(hù)核心、風(fēng)電場(chǎng)等值受雷地面完全屏蔽及具有聯(lián)合保護(hù)安全通道的直擊雷多重立體防護(hù)體系。一種小型風(fēng)電場(chǎng)直擊雷完全防護(hù)的避雷針裝置，其特征是高度要比滾球法、折線法的計(jì)算高度多出20% 60%，但限高100m，避雷針針體為相互組合的連接，每個(gè)針體獨(dú)立安裝，避雷針針體為自上而下、從小到大，采用公差外徑連續(xù)遞增的DN20 DN108焊接鋼管分節(jié)聯(lián)接，上節(jié)鋼管插入大一號(hào)下節(jié)鋼管370mm 530mm，從距節(jié)頭，即上下鋼管開始重疊點(diǎn)50mm 60mm處開始，每隔120mm 130mm,采用4 12或4 16電焊釘，空間相互垂直穿管焊接4處，端頭焊固，即焊牢處焊縫AXBXH(長(zhǎng)X寬X高)不小于30mmX12mmX8mm或30mmX16mmX 10mm，最后將所有聯(lián)接鋼管節(jié)點(diǎn)處四周搭接焊牢(見

圖14、15及其附表)。為計(jì)算方便，假設(shè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組型號(hào)、規(guī)格及外形尺寸都相同(實(shí)際也常屬這種情況)。此外，考慮小型風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)機(jī)組功率多是50KW以下，風(fēng)輪直徑和塔架(桿)高度多在20m以內(nèi)，避雷針設(shè)計(jì)安裝高度均不會(huì)超過60-70m，故采用長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證可靠的折線法計(jì)算。I、機(jī)組總高H計(jì)算H = hi+d/2 (m)式中h「風(fēng)電機(jī)組塔架(桿)高度(m)；d-風(fēng)輪直徑(m)。2、求取機(jī)組高H平面保護(hù)直徑rH采用單元正方形作圖與計(jì)算結(jié)合法，求取機(jī)組高H平面的保護(hù)半徑rH。即對(duì)任一對(duì)行排列機(jī)組的小型風(fēng)電場(chǎng)，均可從中劃分出若干以避雷針為中心，四個(gè)風(fēng)電機(jī)組占4角的單元正方形(見圖3)。每個(gè)單元正方形以I : 4比例裝設(shè)避雷針。
IVTrH =— a2+a2 = -a (m)
II[0020]式中a為機(jī)組間距，也是單元正方形的邊長(zhǎng)，一般選定a = (5 7) d。要強(qiáng)調(diào)的是，按上述公式算出的rH還必須符合直擊雷完全防護(hù)的附加要求，即避雷針與機(jī)組塔桿最小平行間距Lmin要滿足下式條件rH > Lmin = La+5 (m)式中La為風(fēng)電機(jī)組機(jī)身長(zhǎng)度(m)；5m為避雷針與機(jī)組要求相距最小距離，目的是當(dāng)避雷針引來直擊雷電泄流時(shí)，它在所保護(hù)機(jī)組及其線路上產(chǎn)生電磁感應(yīng)、雷電反擊和接地高電位的危害被限制在安全范圍之內(nèi)，從而保證運(yùn)行人員、風(fēng)電機(jī)組、線路網(wǎng)絡(luò)和電力電子器件的安全。3、確定避雷針最低要求高度hmin 采用折線法，單支避雷針的保護(hù)范圍可看作是一折線圓錐形(圖3)。從針的頂點(diǎn)向下作45°斜線，構(gòu)成圓錐形的上半部；從距針腳I. 5倍針高處向上作斜線與前一斜線在針高二分之一處相交，交點(diǎn)以下構(gòu)成圓錐形的下半部。其地面上的保護(hù)半徑r按下式確定r = I. 5h若H彡h/2，有經(jīng)驗(yàn)公式
rHahrai =-+ H=~；-- +H (m)
K2K式中hmin_避雷針初選最低高度(m)；
5.5K-為避雷針高度影響系數(shù)，h < 30m, K = I ；30m < h 彡 120m, K =——。
\fh ■若H < h/2，有經(jīng)驗(yàn)公式
2rH 4n/T a 4HIiroin =-+-H =■ —-+ - (m)
3K 33K34、風(fēng)電場(chǎng)等效受雷面積的計(jì)算如圖5所示，風(fēng)電場(chǎng)等效受雷面積Se計(jì)算如下Se = AB+2 (A+B) R+ Ji R2 (m2)式中A、B為風(fēng)電場(chǎng)的長(zhǎng)和寬(m)；R-風(fēng)電場(chǎng)因機(jī)組高度H引雷效應(yīng)而每邊擴(kuò)展的有效受雷寬度(m);當(dāng)機(jī)組高度H小于IOOm時(shí)，其擴(kuò)展寬度r = n/h (2 0 0-H) Cm)(此公式根據(jù)GB50343-2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》附錄A)從上述Se公式可知，直擊雷的完全防護(hù)應(yīng)將擴(kuò)展受雷面積2 (A+B) R+R2包括在屏蔽保護(hù)范圍之內(nèi)。5、地面保護(hù)半徑r確定，完全屏蔽防護(hù)地面保護(hù)初選半徑r = I. 5hmin以單元正方形的中心為圓心，以r = I. 5hmin為半徑畫圓，凡是圓與圓沒有相交的地方，即是沒有受到直擊雷屏蔽防護(hù)之處，則應(yīng)擴(kuò)大h，再以放大半徑r = I. 5h畫圓，直至沒有空白處為止。根據(jù)避雷針折線法工程計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式的反復(fù)運(yùn)用和防雷實(shí)踐長(zhǎng)期摸索，hmin增加系數(shù)在I. 2 I. 6范圍內(nèi)變化，可達(dá)到風(fēng)電場(chǎng)完全屏蔽之效果。6、雙支等高避雷針“雙子座”聯(lián)合最小保護(hù)寬度bmin計(jì)算兩支等高避雷針的保護(hù)范圍
權(quán)利要求1.一種小型風(fēng)電場(chǎng)直擊雷完全防護(hù)的避雷針裝置，其特征是高度要比滾球法、折線法的計(jì)算高度多出20% 60%，但限高100m，避雷針針體為相互組合的連接，每個(gè)針體獨(dú)立 安裝，避雷針針體為自上而下、從小到大，采用公差外徑連續(xù)遞增的DN20 DN108焊接鋼管分節(jié)聯(lián)接，上節(jié)鋼管插入大一號(hào)下節(jié)鋼管370mm 530m m，從距節(jié)頭、即上下鋼管開始重疊點(diǎn)50mm 60mm處開始，每隔120mm 130mm,采用4 12或4 16電焊釘，空間相互垂直穿管焊接4處，端頭焊固，即焊牢處焊縫AXBXH，即長(zhǎng)X寬X高，不小于30mmX12mmX8mm或30mm X 16mmX 10mm，最后將所有聯(lián)接鋼管節(jié)點(diǎn)處四周搭接焊牢。
專利摘要本實(shí)用新型提出了小型風(fēng)電場(chǎng)一種完全防護(hù)直擊雷的避雷針裝置。針對(duì)應(yīng)用日益廣泛的小型風(fēng)力發(fā)電裝置雷擊幾率高和防雷能力薄弱現(xiàn)狀，運(yùn)用傳統(tǒng)避雷針裝置，根據(jù)“拒雷于風(fēng)電機(jī)身之外”的現(xiàn)代防雷方案，采用一種小型風(fēng)電場(chǎng)直擊雷完全防護(hù)的避雷針裝置，其特征是所配置避雷針，高度要比滾球法或折線法的計(jì)算高度多出20％～60％，但極限高度不超過100m。避雷針采用現(xiàn)場(chǎng)安裝、組合結(jié)構(gòu)和獨(dú)立設(shè)置，其針體為自上而下、從小到大，采用公差外徑連續(xù)遞增的DN20～DN108焊接鋼管分節(jié)聯(lián)接，上節(jié)鋼管插入大一號(hào)的下節(jié)鋼管，每隔一定距離采用ф12或ф16電焊釘空間相互垂直穿管焊接4處，最后將所有聯(lián)接鋼管節(jié)點(diǎn)處四周搭接焊牢。
文檔編號(hào)H01T19/04GK202534936SQ20112028566
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者周世和, 李光杰, 郭陽(yáng)明, 陳小華, 陳巍 申請(qǐng)人:周志強(qiáng), 王文琛