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60MW风电机组防雷接地与阴极保护牺牲阳极系统施工

发布时间:2020-08-31  

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。
然而,风力发电机组是在空旷、自然、外露的环境下工作,不可避免的会遭受到直接雷击。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。主体高度约80米、叶片长度约40米、即zui高点高度约为120米的风机,在雷雨天气时极易遭受直接雷击。它是自然界中对风力发电机组安全运行危害很大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。
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。
接地材料的选择及地网设计
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。在地网开挖面积有限、土壤电阻率较高的环境条件下,要能达到上面的技术要求,用传统常规的角钢、扁铁等接地材料进行施工是非常困难的。本方案建议采用新型的接地材料:低阻接地极。
下面介绍常规接地材料与新接地模块的使用。
1、常规接地材料
一般来说,水平接地体采用不小于40×4mm的热镀锌扁钢,垂直接地体采用不小于50×50×5mm的角钢,每根角钢的长度大约2.5-3米。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至2倍,即为5-6米。
单根垂直接地体的接地电阻Rg,可按下式计算:在一定的土壤电阻率下,为达到要求的接地电阻值,通常需要若干根垂直接地体。
根据上式计算,在土壤电阻率为450Ω.M的情况下,接地电阻按4Ω考虑,所需3米长的角钢大约也要60多条。占地面积大约42米×42米。
由此可以看出,以现在的风机地貌、可开挖面积来看,用传统的接地材料想达到接地电阻值的要求是非常困难的。此外,传统金属接地体的接地电阻随气候(土壤潮湿程度)的变化会发生大幅度的起伏,随着腐蚀的加剧地阻也会不断增大。
2、梅花型低阻接地体
河南邦信防腐材料有限公司生产的低阻接地体是一种以非金属材料为主的接地体,由导电性、稳定性较好的非金属矿物质和电解物质组成,它不含对人体有害和污染水源、土壤、环境的有害物质。其特殊的形状增大了接地体本身的散流面积,减小了接地体与土壤之间的接触电阻,接地电阻值低。其优良的吸湿保湿及改善周围土壤导电特性的能力,使接地电阻不断减小而趋于长期稳定。因具有抗盐、酸、碱腐蚀的能力,使用寿命长达50年。特别适用于沙漠、戈壁、盐碱地、高原和常年冻土带等恶劣地质条件的地区。

风电机组防雷接地施工图
单根梅花型接地体的接地电阻Rg,可按下式计算:在一定的土壤电阻率下,为达到要求的接地电阻值,通常需要若干根梅花型接地体。接地体的间距不小于4米。    根据上式计算,在土壤电阻率为450Ω.M的情况下,接地电阻按4Ω考虑,所需梅花型低阻接地体25多块。占地面积大约16米×16米。通过以上计算可以看出,采用梅花型低阻接地体,所需数量、占地面积远比传统材料少。技术经济比较    通过以上计算可以看出,采用梅花型低阻接地体,所需数量、占地面积远比传统材料少。

风电机组防雷接地网施工图
1、占地面积
在一般条件下(ρ≤100Ωm)使用金属接地材料,在变电站占地面积内一般均可达到接地电阻要求。在ρ≥500Ωm时,由公式Rj=0.5ρ/√s可知,此时土壤电阻率ρ为常值,若要降低Rj,只有增大√s,此时占地面积S将急剧增大,表现为外接多个外引地网,征地费用大幅增加,总费用剧增,显然是不可取的解决办法。若在原场地上大规模换土,更需动用几千至几万方粘土,其总费用更是惊人。采用低电阻接地模块作垂直接地极时: “低电阻接地模块”采用了一系列降阻技术。首先降低接地极与土壤之间的表面接触电阻,同时成倍增加了接地体的散流面积。由于接地体本身含有丰富的离子,又具有吸湿保湿特性,采用电子十离子导电的散流方式,大大优于金属的电子导电的散流方式。尤其是在高土壤电阻率时,这种工作方式更是大幅度提高了电流的散流效果。采用低电阻接地模块一般情况下均能在变电站本身占地面积内达到接地电阻要求。
2、两种接地材料的对比
以目前钢铁材料市场的价格,不考虑运输及施工费用,角钢的材料总费用大约是接地模块的1/3~1/2。但角钢的施工面积却是接地模块的7倍,即用角钢的施工费要远远超过接地体。因此从总成本上看,采用低阻接地体的总成本会略高一些,但其所需的场地却要小的多。
3,腐蚀和寿命问题
由设计手册可知扁钢的腐蚀速度为0.1~0.2mm/年,在酸碱度大的地区腐蚀速度更快,这样在变电站工作几年后,由于扁钢表面已腐蚀,散流时接触电阻迅速增大,整个地网的接地电阻值将逐渐增大。同时变电站由于工频泄放的问题,进一步加速了扁钢的腐蚀速度。低电阻接地模块采用的是导电性能优良的非金属材料,金属极芯和富含电解质的材料制成的。外层是非金属材料,金属极芯采用的是不锈钢(可达五十年寿命),抗腐蚀能力极强,腐蚀速度极低,可忽略不计。
4、污染
低电阻接地模块由于材料与工艺的原因,没任何污染,同时又有很强的抗污染抗腐蚀能力。则受污染的影响很大。
5、费用
就单个材料而言,低电阻接地模块的费用要高些,但就高土壤电阻率的情况下,工程总费用和全寿命期费用则要明显低于用扁钢的地网。风力发电防雷防雷接地工程如何达到0.5欧姆防雷接地.
阴极保护技术是电化学保护技术的一种,其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流,被保护结构物成为阴极,从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制,避免或减弱腐蚀的发生。
金属-电解质溶解腐蚀体系受到阴极极化时,电位负移,金属阳极氧化反应过电位ηa 减小,反应速度减小,因而金属腐蚀速度减小,称为阴极保护效应。利用阴极保护效应减轻金属设备腐蚀的防护方法叫做阴极保护 。

由外电路向金属通入电子,以供去极化剂还原反应所需,从而使金属氧化反应(失电子反应)受到抑制。当金属氧化反应速度降低到零时,金属表面只发生去极化剂阴极反应。

两种阴极保护法:外加电流阴极保护和牺牲阳极保护。

1、牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接,并处于同一电解质中,使该金属上的电子转移到被保护金属上去,使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下。该方式简便易行,不需要外加电源,很少产生腐蚀干扰,广泛应用于保护小型(电流一般小于1安培)或处于低土壤电阻率环境下(土壤电阻率小于100欧姆.米)的金属结构。如,城市管网、小型储罐等。根据国内有关资料的报道,对于牺牲阳极的使用有很多失败的教训,认为牺牲阳极的使用寿命一般不会超过3年,最多5年。牺牲阳极阴极保护失败的主要原因是阳极表面生成一层不导电的硬壳,限制了阳极的电流输出。产生该问题的主要原因是阳极成份达不到规范要求,其次是阳极所处位置土壤电阻率太高。因此,设计牺牲阳极阴极保护系统时,除了严格控制阳极成份外,一定要选择土壤电阻率低的阳极床位置。

2、外加电流阴极保护是通过外加直流电源以及辅助阳极,是给金属补充大量的电子,使被保护金属整体处于电子过剩的状态,使金属表面各点达到同一负电位,使被保护金属结构电位低于周围环境。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构,如:长输埋地管道,大型罐群等。

1.所有强制电流电源每两月检查一次,间隔长一些或短一些也可能是合适的。运行正常的判据是:电流输出、正常的功耗、表示正常运行的信号或管道上令人满意的阴极保护水平。

2.作为预防性维护计划的一部分,为减少使用中的损坏,所有强制电流保护设施应每年检查一次。检查内容包括电气故障、安全接地的连接点、仪表的精度、效率及回路电阻。

3.反向电流开关、二极管、干扰跨接和其他保护装置等,如果失效可能危及构筑物的保护,其正常的功能检查应每两个月一次。

4.应定期检查并评价绝缘接头、电连续性跨接及套管绝缘的有效性,可通过电测量完成。


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