TWI893271B - 避雷接地裝置以及避雷接地方法 - Google Patents

Abstract

本發明的避雷接地裝置用於設置於海上的海上結構物的避雷，其包括：電性接地，連接於所述海上結構物上設置的電氣設備，接地於海中；避雷接地，連接於所述海上結構物，接地於海中，並且與所述電性接地並聯連接；以及反應器，包括環形線圈，所述環形線圈將所述電性接地與所述電氣設備之間連接的環形單元捲繞8圈以上，所述反應器基於落雷時自所述避雷接地流入所述電性接地的雷電電流產生電阻，使自所述電性接地流入所述電氣設備的所述雷電電流衰減，而保護所述電氣設備，經由所述避雷接地將所述雷電電流放電至海中。

Description

避雷接地裝置以及避雷接地方法

本發明是有關於一種用於海上結構物的落雷對策的避雷接地裝置以及避雷接地方法。

近年來，業界正研究於海上進行風力發電的海上風力發電裝置。海上風力發電裝置由於周圍不存在高的結構物或自然物，故而容易受到落雷的影響。因此，對海上風力發電設備要求發生落雷時的避雷對策。

於風力發電機的設計基準中，將接地電阻設為10[Ω]以下。並且，根據該基準，多數情形時不加區別地共用雷擊用的避雷接地與風力發電機的內部的發電裝置及通訊機器等電氣設備類所使用的電性接地。於風力發電機中共用避雷接地與電性接地的情形時，有落雷時產生的雷擊電流導致對電氣設備類誘導過度的電壓及電流，而破壞電氣設備類之虞。

申請人於專利文獻1中提出一種分開設置風力發電裝置的避雷接地與電性接地的技術。根據專利文獻1所記載的風力發電裝置的避雷接地裝置，包括連接於風力發電裝置的避雷接地、連接於電氣設備的電性接地、及連接於避雷接地與電性接地之間的環形線圈，環形線圈以於落雷時切斷的方式構成。

[現有技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開2020-137301號公報

海上風力發電裝置由於設置海上，故而與設置於地上的風力發電裝置相比，無法頻繁地前往作業。於將專利文獻1所記載的技術應用於海上風力發電裝置的情形時，存在落雷後被切斷的環形線圈的更換等管理困難的可能性。發明者們進行了銳意研究，對應用於海上結構物的避雷接地裝置進行了開發。

本發明的目的在於提供一種能夠防止對設置於海上結構物的電氣設備的雷擊、並且降低管理成本的避雷接地裝置以及避雷接地方法。

本發明的一形態是一種用於設置於海上的海上結構物的避雷的避雷接地裝置，其包括：電性接地，連接於所述海上結構物上設置的電氣設備，接地於海中；避雷接地，連接於所述海上結構物，接地於海中，並且與所述電性接地並聯連接；以及反應器，包括環形線圈，所述環形線圈將所述電性接地與所述電氣設備之間連接的環形單元捲繞8圈以上，所述反應器基於落雷時自所述避雷接地流入所述電性接地的雷電電流產生電阻，使自所 述電性接地流入所述電氣設備的所述雷電電流衰減，而保護所述電氣設備，經由所述避雷接地將所述雷電電流放電至海中。

根據本發明，於共用避雷接地與電性接地的海上結構物中，藉由於電性接地與電氣設備之間設置反應器，可於落雷時產生基於雷電電流的電阻，防止雷電電流流入電氣設備側。根據本發明，於落雷後亦可將反應器循環利用，無需作業者為了更換而前往海上結構物，可降低管理成本。

又，本發明的所述反應器可使所述電氣設備側產生的異常電流通過，並經由所述電性接地放電至海中。

根據本發明，於通常時，針對電氣設備中所產生的異常電流，反應器不會產生電阻，而可如通常的銅線般發揮功能，經由電性接地將異常電流放電至海中。根據本發明，不使用複雜的控制，僅設置反應器即可於落雷時及通常時保護電氣設備。

又，本發明的所述反應器可包括固定構件，所述固定構件保持鄰接的所述環形單元彼此的位置。

根據本發明，可防止因落雷時流入反應器的雷電電流導致鄰接的環形單元的排列變形。

又，本發明的所述反應器可由直徑大致為100mm的所述環形線圈形成。

根據本發明，藉由將反應器形成為特定尺寸，可產生針對雷電電流特定的電阻。

又，本發明的所述反應器可由截面面積大致為60mm² 的銅線形成。

根據本發明，反應器是以對異常時流動的電流充分具有耐性的方式形成。

又，可為本發明的所述海上結構物建構於在海上漂浮的浮體結構物上，所述避雷接地及所述電性接地經由所述浮體結構物而接地於海中。

根據本發明，於海上結構物為浮體結構物的情形時，可經由浮體結構物將雷電電流高效地放電至海中。

又，可為本發明的所述海上結構物建構於經由基椿固定於海底的著床結構物上，所述避雷接地及所述電性接地經由所述基椿而接地於海中。

根據本發明，於海上結構物為著床結構物的情形時，可經由支持著床結構物的基椿將雷電電流高效地放電至海中。

本公開的一形態是一種用於設置於海上的海上結構物的避雷的避雷接地方法，其包括下述步驟：將電性接地連接於所述海上結構物上設置的電氣設備而接地於海中；將避雷接地連接於所述海上結構物而接地於海中，並且與所述電性接地並聯連接；連接反應器，所述反應器包括環形線圈，所述環形線圈於所述電性接地與所述電氣設備之間將環形單元捲繞8圈以上；以及當落雷於所述海上結構物時，基於自所述避雷接地流入所述電性接地的雷電電流使所述反應器產生電阻，使自所述電性接地流入所述電氣設備的所述雷電電流衰減而保護所述電氣設備，並且經 由所述避雷接地將所述雷電電流放電至海中。

根據本發明，於共用避雷接地與電性接地的海上結構物中，藉由於電性接地與電氣設備之間連接反應器，不使用複雜的控制，即可於落雷時及通常時保護電氣設備。

能夠防止對設置於海上結構物的電氣設備的雷擊，並且降低管理成本。

1、1A:風力發電設備

2:浮體結構物

3:系泊索

3A:基椿

10:風力發電裝置

11:風車塔

20:風車

20A:輪轂

20B:機艙

20D:電氣設備

20E:發電用電氣設備

20F:電力用電氣設備

21:葉片

22:旋轉軸

23:發電機

24:電動機部

25:第一計測部

26:電力調整部

27:變壓器部

28:空調部

29:第二計測部

30、30A:避雷接地裝置

31:電性接地

32:避雷接地

B:海底

R:反應器

R1:環形線圈

R2:環形單元

R3:第一端子

R4:第二端子

R6:固定構件

R7:固定台座

圖1是概略性地表示本發明的實施形態的海上發電設備的結構的圖。

圖2是表示避雷接地裝置的結構的方塊圖。

圖3是表示反應器的結構的側面圖。

圖4是表示反應器的結構的正面圖。

圖5是表示避雷接地方法的各步驟的流程圖。

圖6是概略性地表示變形例的海上發電設備的結構的圖。

圖7是表示變形例的避雷接地裝置的結構的方塊圖。

以下，對本發明的實施形態的避雷接地裝置進行說明。避雷接地裝置是用於設置於海上的海上結構物的避雷的設備。

如圖1所示，海上結構物例如為風力發電設備1。風力發電設備1包括浮於海上的浮體結構物2、及立起設置於浮體結構物2上的風力發電裝置10。浮體結構物2建構為支持風力發電裝置10的重量、並且以浮於海面的方式調整浮力的半潛水式的浮體。浮體結構物2藉由多條系泊索3系泊於海上。系泊索3的一端側固定於海底B。系泊索3的另一端側固定於浮體結構物2。系泊索3例如由鏈條、鋼絲索、樹脂繩等繩體所形成。浮體結構物2的形式、利用系泊索3的系泊形式可根據設置海域的水深、氣象等環境條件適當變更。

風力發電裝置10例如包括立起設置於浮體結構物2上的風車塔11、及以自由旋轉的方式由風車塔11支持的風車20。風車塔11例如為形成為越朝向頂部截面越減少的圓柱狀的鐵塔。風車塔11的基端由浮體結構物2所支持。於風車塔11的上端側設置有以自由旋轉的方式軸支承風車20的機艙20B。風車20的旋轉軸例如沿著與風車塔11的軸線方向正交的大致水平方向設定。

風車20包括於前視下以輪轂20A為中心呈放射狀均等配置的多個葉片21。葉片21例如設置有3個。各葉片21的短邊方向的截面形成為翼截面形狀。各葉片21相對於輪轂20A呈攻角。藉此，各葉片21於逆風時沿著與風向正交的一方向受力，而使風車20沿著特定方向旋轉。各葉片21的攻角以可根據風速進行調整的方式控制。於輪轂20A連結有風車20的旋轉軸22。

設置於機艙20B內的發電機23的軸經由增速機(未圖示)連結於旋轉軸22。旋轉軸22的旋轉藉由增速機增大轉速並傳導至發電機23的軸。或未必一定設置有增速機，亦可藉由直接驅動方式將旋轉軸22與發電機23的軸連結。藉由所述結構，發電機23藉由基於風車20的旋轉產生誘導電壓而發電。由於風力發電裝置10是設置於海上的高處結構物，故而存在落雷的情形。於風力發電裝置10設置有保護發電機23等電氣設備20D免受雷擊的避雷接地裝置30。

如圖2所示，避雷接地裝置30包括：電性接地31，與設置於風力發電裝置10的電氣設備20D電性連接，接地於海中；避雷接地32，與風力發電裝置10的風車20及塔11等殼體部分電性連接，接地於海中；以及反應器R，將電性接地31與電氣設備20D之間連接。

電氣設備20D包括設置於風力發電裝置10的電氣機器。電氣設備20D例如包括設置於機艙20B內的發電用電氣設備20E、及設置於塔11內的電力用電氣設備20F。發電用電氣設備20E例如包括發電機23、設置有用於控制風車20的周邊機器的電動機部24、以及包括用於發電機23及電動機部24的計測的感測器或計測機器的第一計測部25。發電用電氣設備20E經由反應器R連接於電性接地31。

電力用電氣設備20F例如包括：電力調整部26，對發電機23所發出的電力進行調整；變壓器部27，轉換所發出的電力的 電壓；空調部28，對塔11內的空氣的溫度及濕度進行調整；以及第二計測部29，包括用於電力調整部26、變壓器部27、及空調部28的控制所需的計測的感測器或計測機器。電力用電氣設備20F經由反應器R連接於電性接地31。根據電力用電氣設備20F的設置位置與接地方法，亦可不設置反應器R。

電性接地31以將海中設為基準電位點的方式與海中電性連接。電性接地31例如由電氣設備20D的接地用的導線所形成。電性接地31經由反應器R電性連接於發電用電氣設備20E及電力用電氣設備20F，並且接地於浮體結構物2。電性接地31以如下方式構成：將基於電氣設備20D側所產生的接地短路或漏電的異常電流傳導至浮體結構物2，經由浮體結構物2放電至海中，而將電氣設備20D與海中的電位差等電位化。電氣設備20D側所產生的異常電流例如為基於50/60Hz的商用電源的電流。除此以外，異常電流為於設置於電氣設備20D的直流(direct current，DC)電路中流動的直流電流。於電性接地31並聯地電性連接有避雷接地32。

避雷接地32以將海中設為基準電位點的方式與海中電性連接。避雷接地32例如由風力發電裝置10的接地用的導線所形成。避雷接地32可包括風車20、機艙20B、及塔11。避雷接地32例如電性連接於風車20、機艙20B、及塔11，並且接地於浮體結構物2。避雷接地32以如下方式構成：將落雷於海上結構物時流動的雷電電流傳導至浮體結構物2，經由浮體結構物2放電 至海中，而將風力發電裝置10與海中的電位差等電位化。避雷接地32電性連接於電性接地31，因此於電氣設備20D側發生接地短路或漏電的情形時，亦作為電氣設備20D的接地發揮功能。

於風力發電裝置10發生落雷的情形時，避雷接地裝置30因雷電突波的影響產生過渡性的異常電壓，並且流動基於此的過渡性的異常電流(雷電電流)。雷電電流經由避雷接地32放電至海中，並且經由電性接地31放電至海中。此時，為了保護電氣設備20D不因於電性接地31中流動的雷電電流受損，反應器R發揮功能。反應器R設置於電性接地31與發電用電氣設備20E之間。反應器R亦設置於電性接地31與電力用電氣設備20F之間。

如圖3及圖4所示，反應器R例如包括捲繞導線所形成的環形線圈R1。環形線圈R1是多個環形單元R2連續而形成。環形線圈R1例如為8圈以上的環形單元R2連續而形成。反應器R由導線所形成。導線例如為銅制的撚線。導線的截面面積以對於萬一發生事故的情形時或落雷時等異常時流過的電流具有耐性的方式形成。導線的截面面積確保滿足特定的基準(例如內線規程JEAC 8001(日本電氣協會編))的充分的截面面積。導線的截面面積例如大致形成為60mm²。導線的直徑例如為12.5mm。環形單元R2例如以產生針對雷電電流特定的電阻的方式形成為直徑為特定直徑(例如大致100mm)的圓環狀。環形線圈R1的一端側電性連接有第一端子R3。第一端子R3例如電性連接於電性接地31。環形線圈R1的另一端側電性連接有第二端子R4。第二端 子R4例如電性連接於電氣設備20D側。

反應器R包括將鄰接的環形單元R2彼此固定的固定構件R6。固定構件R6例如由環氧樹脂等具有絕緣性的樹脂材料形成為長方體狀。固定構件R6於內部封入有環形線圈R1。固定構件R6例如藉由將環形線圈R1固定於模框(未圖示)內，使固化前具有流動性的樹脂材料流入模框內後，將樹脂材料固化而形成。藉此，將固定構件R6與環形線圈R1一體形成。於固定構件R6設置有用於固定於風力發電裝置10側的固定對象的固定台座R7。固定台座R7例如形成為矩形的板狀。固定台座R7藉由螺栓及螺母等固定於固定對象。藉由固定構件R6，反應器R可防止於雷電電流流過時鄰接的線圈單元R2的排列變形。

雷電電流例如於直擊的情形時為10/350μS的電流波形、25kHz~1kHz的頻率、100kA、50庫侖的電流值。雷電電流例如於為誘導雷的情形時，為8/20μS的電流波形、25kHz~1kHz的頻率、100kA、2庫侖的電流值。反應器R於落雷時產生基於自避雷接地32流入電性接地31的高頻且高電壓的雷電電流所誘導的誘導性電抗的電阻(電抗)。若將落雷時流入避雷接地的電流設為I，將電壓設為V，則該電抗：X由X=V/I表示。若將頻率設為f，將線圈的電感設為L，則電抗表示為X=2πfL，與頻率成比例地增大。如此，由於流入反應器R的電流為I=V/2πfL，故而輸入高頻的雷電電流時會減少。藉此，反應器R基於落雷時產生的電阻，使自電性接地31流入電氣設備20D的雷電電流衰 減，從而保護電氣設備20D。

與此相對，通常時的反應器R於發電用電氣設備20E側發生接地短路或漏電的情形時，使發電用電氣設備20E側產生的過度的異常電流通過，經由電性接地31放電至海中。通常時的反應器R基於來自50/60Hz的商用電源的電流、或於設置於電氣設備20D的DC電路中流動的直流電流，對於電氣設備20D側產生的異常電流幾乎不會產生基於誘導性電抗的電阻，且繞數少，產生反電動勢的自感小，因此使異常電流通過。即，反應器R於落雷時作為將電性接地31與電氣設備20D之間大致電性阻斷的電阻器發揮功能，於通常時作為將電性接地31與電氣設備20D之間電性導通的導線發揮功能。

如圖5所示，用於設置於海上的風力發電裝置10的避雷的避雷接地方法包括以下各步驟。將電性接地31連接於風力發電裝置10上設置的電氣設備20D，接地於海中(步驟S10)。將避雷接地32連接於風力發電裝置10，接地於海中，並且與電性接地31並聯連接(步驟S12)。於電性接地31與電氣設備之間連接反應器R，所述反應器R包括將環形單元R2捲繞8圈以上而成的環形線圈R1(步驟S14)。於落雷於風力發電裝置10時，基於自避雷接地32流入電性接地31的雷電電流使反應器R產生電阻，使自電性接地31流入電氣設備的雷電電流衰減，而保護電氣設備，並且經由避雷接地32將雷電電流放電至海中(步驟S16)。

根據上述避雷接地裝置30，於共用避雷接地與電性接地 的海上風力發電裝置10發生落雷時，可基於雷電突波使反應器R產生電阻，使流入電氣設備的雷電電流衰減，而保護電氣設備，並且經由避雷接地32將雷電電流放電至海中。根據避雷接地裝置30，於發生落雷後，反應器R亦可原樣繼續使用，因此無需為了管理而前往海上風力發電裝置10，可降低管理成本。根據避雷接地裝置30，於通常時反應器R使電氣設備20D所產生的異常電流通過並自電性接地31放電至海中，因此可藉由不使用複雜的控制的簡單的結構簡化設備。

[變形例]

以下，對避雷接地裝置的變形例進行說明。於以下說明中，與所述實施形態相同的結構使用相同的名稱及符號，而適當省略重覆的說明。

如圖6所示，風力發電設備1A包括浮於海上的浮體結構物2、及立起設置於浮體結構物2上的風力發電裝置10。浮體結構物2建構為支持風力發電裝置10的重量、並且以浮於海面的方式調整浮力的半潛水式的浮體。浮體結構物2藉由單個基椿3A(稱為單基椿方式)或多個基椿3A(稱為夾套方式)支持於海底B，建構為設置於海上的著床結構物。基椿3A例如由圓筒狀的鋼管所形成。即，風力發電設備1A建構於經由基椿3A固定於海底B的著床結構物上。

如圖7所示，避雷接地裝置30A中，避雷接地32及電性接地31經由基椿3A接地於海中。藉由所述結構，避雷接地裝 置30A於落雷時可自避雷接地32經由基椿3A將雷電電流放電。

以上，已使用實施形態對用於實施本發明的形態進行了說明，但本發明不受此種實施形態任何限定，可於不脫離本發明的要旨的範圍內施加各種變形及置換。例如，避雷接地裝置不僅可應用於海上風力發電裝置，而且亦可應用於海上起重機、海上氣體工廠等其他海上結構物。又，可於反應器R的環形線圈R1設置由磁性體形成的芯，可對基於雷電電流的誘導性電抗進行調整。

1:風力發電設備

2:浮體結構物

3:系泊索

10:風力發電裝置

11:風車塔

20:風車

20A:輪轂

20B:機艙

20D:電氣設備

20F:電力用電氣設備

21:葉片

22:旋轉軸

23:發電機

30:避雷接地裝置

31:電性接地

32:避雷接地

B:海底

R:反應器

Claims (8)

1. 一種避雷接地裝置，用於設置於海上的海上結構物的避雷，其包括：電性接地，連接於所述海上結構物上設置的電氣設備，接地於海中；避雷接地，連接於所述海上結構物，接地於海中，並且與所述電性接地並聯連接；以及反應器，包括環形線圈，所述環形線圈將所述電性接地與所述電氣設備之間連接的環形單元捲繞8圈以上，所述反應器基於落雷時自所述避雷接地流入所述電性接地的雷電電流產生電阻，使自所述電性接地流入所述電氣設備的所述雷電電流衰減，而保護所述電氣設備，經由所述避雷接地將所述雷電電流放電至海中。
2. 如請求項1所述的避雷接地裝置，其中所述反應器使所述電氣設備側產生的異常電流通過，並經由所述電性接地放電至海中。
3. 如請求項1或請求項2所述的避雷接地裝置，其中所述反應器包括固定構件，所述固定構件保持鄰接的所述環形單元彼此的位置。
4. 如請求項1或請求項2所述的避雷接地裝置，其中所述反應器由直徑大致為100 mm的所述環形線圈形成。
5. 如請求項1或請求項2所述的避雷接地裝置，其中所述反應器由截面面積大致為60 mm²的銅線所形成。
6. 如請求項1或請求項2所述的避雷接地裝置，其中所述海上結構物建構於在海上漂浮的浮體結構物上，所述避雷接地及所述電性接地經由所述浮體結構物而接地於海中。
7. 如請求項1或請求項2所述的避雷接地裝置，其中所述海上結構物建構於經由基椿固定於海底的著床結構物上，所述避雷接地及所述電性接地經由所述基椿而接地於海中。
8. 一種避雷接地方法，用於設置於海上的海上結構物的避雷，其包括下述步驟：將電性接地連接於所述海上結構物上設置的電氣設備而接地於海中；將避雷接地連接於所述海上結構物而接地於海中，並且與所述電性接地並聯連接；連接反應器，所述反應器包括環形線圈，所述環形線圈於所述電性接地與所述電氣設備之間將環形單元捲繞8圈以上；以及當落雷於所述海上結構物時，基於自所述避雷接地流入所述電性接地的雷電電流使所述反應器產生電阻，使自所述電性接地流入所述電氣設備的所述雷電電流衰減而保護所述電氣設備，並且經由所述避雷接地將所述雷電電流放電至海中。