一种塔筒均压均流防雷接地装置和接地方法

技术领域

本发明涉及一种塔筒均压均流防雷接地装置和接地方法，属于风力发电机防雷接地技术领域。

背景技术

我国风电光伏也已成为新增发电装机和新增发电量的主体，2022年占比分别达到78%和55%以上，累计装机突破7亿千瓦。风力发电机一般位于山顶、海边等风力充沛的区域，且风机安装位置远高于地面，极易遭受雷击，据统计，由外部因素引起的风电机组故障中雷击事故约占4%。

当发生雷击时，雷电流短时间内释放的巨大能量不仅对风电机组的桨叶、传动装置、发变电设备造成严重破坏，由雷电流引起的强电磁场还会耦合到控制系统，破坏或干扰控制系统的正常运行、引起控制保护装置的误动。因此，风电机组的防雷技术一直是风电行业关注的话题。

塔筒是风力发电系统的重要组成部分之一，塔筒除具有支撑稳固风机的功能外，还兼有雷电流引下线的作用，是雷电流泄放的通道。在塔筒内布置着起控制及通讯作用的信号线路，当风机遭受雷击时，强大的雷电流通过塔筒流入大地，对位于其内部的信号线产生电磁干扰，威胁着风机控制和保护系统的正常运行，如何解决塔筒雷电流对信号线路的电磁干扰是风机二次系统电磁防护的难题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供了一种塔筒均压均流防雷接地装置和接地方法，其可有效减少塔筒雷电流对信号的电磁干扰。

为实现上述目的，本发明提出了以下技术方案：一种塔筒均压均流防雷接地装置，包括：上均压均流环和下均压均流环，所述上均压均流环设置的塔筒的顶部，所述下均压均流环设置在所述塔筒的底部，所述上均压均流环上均匀设置若干雷电流注入点；所述下均压均流环上均匀设置若干接地极连接点。

进一步，所述上均压均流环和下均压均流环均由高电导材料制成。

进一步，所述上均压均流环和下均压均流环均由铜材制成。

进一步，所述上均压均流环和下均压均流环的导体截面均为半圆形。

进一步，所述上均压均流环和下均压均流环均通过熔焊与所述塔筒紧密连接。

进一步，所述上均压均流环上均匀对称设置四个雷电流注入点，所述下均压均流环上均匀设置四个接地极连接点。

进一步，每个所述雷电流注入点均与一条雷电流引下线连接，每个所述接地极连接点均与接地极连接。

进一步，所述塔筒为风力发电机塔筒。

本发明还公开了一种塔筒均压均流防雷接地方法，采用上述任一项所述的塔筒均压均流防雷接地装置，包括以下步骤：根据塔筒上端口和下端口的外径，设定所述上均压均流环和下均压均流环内径；将所述上均压均流环连接所述塔筒的顶端，使所述上均压均流环与塔筒的接触电阻最小；将所述上均压均流环的若干雷电流注入点连接到避雷针的雷电流引下线；将所述下均压均流环连接所述塔筒的底端，是所述下均压均流环与塔筒的接触电阻最小；将所述下均压均流环的若干接地极连接点分别与接地极连接，通过接地极将雷电流引到接地网，由接地网将雷电流泄放到大地。

进一步，所述上均压均流环和下均压均流环均通过熔焊与所述塔筒紧密连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明的上均压均流环能够将雷电流从四个点同时注入到上均压均流环，由于铜的电导率极高，铜质均压均流环可以看作为等位体，使雷电流可以在上均压均流环首先得到均匀分布，然后再均匀地流入塔筒。

本发明的下均压均流环的高电导率的铜质材料在塔筒的底部形成等位体，与上均压均流环对应，可以改善上、下均压均流环之间电场的均匀性，进而使塔筒的雷电流在塔筒壁均匀分布。

本发明提出的均压均流环的环导体的截面为半圆形，其与塔筒接触的面为平面，可以减小均压均流环与塔筒表面的接触电阻。

本发明的下均压均流环具有对称的四个接地极连接点，可以将雷电流均匀泄放到风力发电场的接地网。

附图说明

图1是本发明一实施例中塔筒均压均流防雷接地装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中均压均流环的结构示意图，图(a)是均压均流环是三维图，图(b)是均压均流环是俯视图；

图3是本发明一实施例中均压均流环的导体截面图；

图4是本发明一实施例信号线在塔筒中的位置及电磁场耦合关系示意图；

图5是本发明一实施例塔筒壁电流密度均匀分布示意图；

图6是本发明一实施例雷电流有塔筒单点注入时筒壁电流密度分布图，图(a)是整体电流分布图；图(b)雷击点附近的局部放大图；图(c)沿塔筒圆周电流密度曲线图；

图7是本发明一实施例中塔筒内电磁场分布云图，图(a)是塔筒内电场分布云图；图(b)是塔筒内磁感应强度分布云图；

图8是本发明一实施例中均压措施后筒壁电流密度分布图，图(a)是整体电流分布图；图(b)雷击点附近的局部放大图；图(c)沿塔筒圆周电流密度曲线图；

图9是本发明一实施例中采用均压均流措施后塔筒内电磁场分布云图，图(a)是电场强度分布图；(b)磁感应强度分布图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了解决现有技术中存在的当风机遭受雷击时，强大的雷电流通过塔筒流入大地，对位于其内部的信号线产生电磁干扰，威胁着风机控制和保护系统的正常运行等问题，本发明提出了一种塔筒均压均流防雷接地装置和接地方法，包括：上、下两个均压均流环，均压均流环由高电导率的铜质材料制成，上均压均流环安装在风力发电机塔筒的顶部的外侧，采用熔焊的方式与塔筒紧密连接，在上均压均流环对称设置四个雷电流引入连接点；下均压均流环安装在风力发电机塔筒的底部的外侧，铜质均压均流环与塔筒之间采用熔焊的方式与塔筒紧密连接，在下均压均流环对称设置四个接地体连接点。其能够使雷电流在塔铜壁均匀分布，进而减小雷电流对塔筒内信号线的电磁干扰。

实施例1

本实施例以公开了一种风力发电机塔筒的均压均流防雷接地装置，如图1所示，包括：上均压均流环和下均压均流环，上均压均流环设置在塔筒的顶部，安装在风力发电机塔筒顶部的外侧，下均压均流环设置在塔筒的底部，安装在风力发电机塔筒底部的外侧，上均压均流环上均匀设置若干雷电流注入点；下均压均流环上均匀设置若干接地极连接点。上均压均流环和下均压均流环均通过熔焊与塔筒紧密连接。上均压均流环上均匀对称设置四个雷电流注入点，下均压均流环上均匀设置四个接地极连接点。每个雷电流注入点均与一条雷电流引下线连接，每个接地极连接点均与接地极连接。

上均压均流环和下均压均流环均由高电导材料制成。本实施例中优选为上均压均流环和下均压均流环均由铜材制成。本实施例中上均压均流环能够将雷电流从四个点同时注入到上均压均流环，由于铜的电导率极高，铜质均压均流环可以看作为等位体，使雷电流可以在上均压均流环首先得到均匀分布，然后再均匀地流入塔筒，下均压均流环的高电导率的铜质材料在塔筒的底部形成等位体，与上均压均流环对应，可以改善上、下均压均流环之间电场的均匀性，进而使塔筒的雷电流在塔筒壁均匀分布。

上均压均流环和下均压均流环的导体截面均为半圆形，其与塔筒接触的面为平面，可以减小均压均流环与塔筒表面的接触电阻；

目前，风机防雷一般是在风机桨叶表面安装接闪器，在桨叶内部敷设一根金属导体连接接闪器和桨叶根部的轮毂，再采用导线将机舱表面和塔筒连接。当雷击桨叶表面的接闪器时雷电流经接闪器、桨叶内部的导体、轮毂、机舱和塔筒泄放到地网。流过塔筒的雷电流电流密度的均匀程度直接影响塔筒内部电磁场的大小和均匀程度，进而影响对塔筒内信号线的电磁干扰的强度和干扰形式。

在雷击条件下塔筒内的电磁环境非常复杂，但干扰塔筒内信号线的电磁场主要是与导线方向平行的电场分量和与信号线垂直的磁场分量。设信号线的布置方向与塔筒平行。如图4所示，其中虚线表示信号线的两个导体；E

设在任意时

当雷电流的注入点位于塔筒顶部的一点时，通过电磁场分析可以得到雷电流沿塔筒壁的电流密度分布如图6所示，图中不同颜色深度表示电流密度的大小。从图6中可以明显地看出，塔筒壁的电流密度分布极不均匀。该雷电流某时刻在塔筒产生的电磁场分布如图7所示。由图7可以看出，塔筒内的电磁场分布也是不均匀的。

当在塔筒顶部和底部分别采用均压和均流措施后塔筒壁电流密度和塔筒内电磁场分布如图8和图9所示。由图8和图9的计算结果可以看出，采用均压和均流措施后，塔筒壁的电流密度分布和塔筒内的电场强度分布的均匀性得到极大的提高，塔筒内的磁感应强度明显减少，雷电流对塔筒内信号线的电磁干扰也会响应减少。

综上所述，增加雷电流在塔筒壁分布的均匀性，就可以增加塔筒内电场分布的均匀性、减少塔筒的磁感应强度，进而减少雷电流对塔筒内信号线的电磁干扰。

实施例2

基于相同的发明构思，本实施例公开了一种塔筒均压均流防雷接地方法，采用上述任一项的塔筒均压均流防雷接地装置，包括以下步骤：

S1根据塔筒上端口和下端口的外径，设定上均压均流环和下均压均流环内径；

S2将上均压均流环连接塔筒的顶端，使上均压均流环与塔筒的接触电阻最小，上均压均流环通过熔焊与塔筒紧密连接；

S3将上均压均流环的若干雷电流注入点连接到避雷针的雷电流引下线；

S4将下均压均流环连接塔筒的底端，是下均压均流环与塔筒的接触电阻最小，下均压均流环通过熔焊与塔筒紧密连接；

S5将下均压均流环的若干接地极连接点分别与接地极连接，通过接地极将雷电流引到接地网，由接地网将雷电流泄放到大地。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。