风机防雷分析

风能是可再生洁净能源，利用风力发电是当前技术成熟、具备规模开发条件的电力资源。随着风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多风能，风机的高度随着轮毂高度和叶轮直径增高不断升高，雷击的风险不断增加，可以说雷击已成为自然界中对风力发电机组安全运行危害大的自然灾害。

风力发电机为什么要做雷电防护？

发生雷击时，闪电电流通过所有风力发电机组件传导至地面，由于风力发电机位于疾风区，通常选址在丘陵或山脊上，其高度远高于周围的地形地物，再加上风力发电机安装地点土壤电阻率通常较高，对雷电流的传导性能相对较差，特别容易受到直击雷、侧击雷和感应雷的袭击，因此，对风力发电机组件采取防雷措施是非常必要的。

风力发电机哪些部位要做雷电防护？

IECTR61400-24《风力涡轮发电机系统–雷电防护》指出：现代风力发电机的防雷通常不同于普通建筑物的防雷，它需要重点解决叶片和轮毂、齿轮箱、轴承、传动装置、发电机、电气部分、控制系统等雷电防护问题。IECTR61400-24给出了德国易遭受雷击的风机主要部件的统计，详见图示。

风力发电机雷电防护内容

目前上还没有专门针对风力发电的雷电防护标准，只能参照IEC61024-1、IEC61024-1-2、IEC61312-2、IEC61312-3、IEC61312-4和IEC61312-5等标准的相关内容，通过对风机内机械、传动、电气和电子系统的屏蔽、等电位连接、浪涌保护器（SPD）和接地装置，人为的把雷击造成的损坏降到可接受的水平。

风机因雷击损坏的成本

来自德国的统计数据表明，风机遭雷击的部件的维修费用（包括人工费、部件费和吊装费等）很高，其中叶片损坏的维修费用昂贵。风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损害的分析和后续的维修，加上订货期和运输期，会造成一段时间的停工期。由这个停工期不仅使发电量损失，而且减少了风场所有者经济上的收入。据国外的统计，雷击故障比平均其它故障造成的停机影响都大。

风电机组防雷

在运行中的风力发电机组将会遭受雷击的事却是屡见不鲜，损坏设备，造成巨大损失，甚至危及人身安全。为此，根据国外部分防雷研究成果及雷害统计资料数据，说明雷电危害风力发电机组的严峻性。列举了风力发电机组厂家的防雷设计标准要求，从中看出当前防雷设计的差异。指出要改善风力发电机防雷性能状况，必须从设计标准、制造规范、建设质量等根本环节着手，并应尽快建立我国风电行业(包括风机防雷)技术规范。

1风机的防雷特点

电闪雷鸣释放的巨大能量，会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁……

1.1一般雷击率

在年均10雷电日地区，建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表1。

1.2环境

风力发电特点是：风机分散安置在旷野，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达60～70m，易受雷击；风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690V、大量使用自动化控制和通信元件）。因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。

1.3严重性

风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。若其遭受雷击（特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击），除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。丹麦LM公司资料介绍：1994年，害损坏超过6%，修理费用估计至少1500万克朗(当年丹麦装机540MW，平均2.8万克朗/MW)。按LM公司估计，世界每年有1%～2%的转轮叶片受到雷电袭击。叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖是容易被修补的，但少数情况则要更换整个叶片。雷击风机常常引起机电系统的过电压，造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。所以，雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。

2叶片防雷研究

雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。

美国瞬变特性研究院用人工电晕发生器，在全复合材料的叶片做雷击试验，高电压、长电弧冲击（3．5MV，20kA）加在无防雷设置的叶片上，结论是叶片必须加装防雷装置。

玻璃钢防雷叶片（图1）顶端铆装一个不锈钢叶尖，用铜丝网贴在叶片两面，将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网一方面可将叶尖的雷电引导至大地，也防止雷击叶片主体。

丹麦LM公司于1994年获得叶片防雷的科研项目，由丹麦能源部资助，包括丹麦研究院雷电专家、风机生产厂、工业保险业、风电场和商业组织在内，目的在于调查研究雷电导致叶片损害，开发安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行一系列的仿真测试，电压达1．6MV，电流到200kA，进行雷电冲击，验证叶片结构能力和雷电安全性。研究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。研究还表明：多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。在研究的基础上，LM叶片防雷性能得到了发展，在叶尖装有接闪器（图2）捕捉雷电，再通过叶片内腔导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片，设计简单和耐用。如果接闪器或传导系统附件需要更换，只是机械性的改换。

3雷害资料数据

3.1我国个别案例

1995年8月，浙江苍南风电场1台FD16型55kW风机受雷击，从叶尖到叶根开裂损坏报废。

我国各风场的雷害，没有统计资料。

3.2丹麦和德国统计的雷击数据

3.2.1风机雷击率

德国雷击率比丹麦高出1倍。除了地点不同，收集时间短(一般认为需要1),或许有德国的风机平均总高度44．3m比丹麦的35．5m高。

3.2.2雷击地区分布

3.2.3受雷击损坏部位

3.2.4影响利用率

3.2.5影响发电量

3.2.6修理费用

3.2.7德国资料记录

雷击停机后可再次顺利启动的大约占10．5%，说明防雷保护的作用。

3.2.8统计资料分析

通过上述统计资料分析，可以认为：

a）德国、丹麦统计数据说明风机遭雷击概率高，估计我国多雷地区会更严重；

b）安装在高山的风机，比在低地和海边更容易受雷击；

c）控制系统损坏率高，是雷害薄弱环节，电气系统和发电机损坏概率也不低，说明雷电造成的过电压必须引起重视；

d）叶片损坏造成损失电量多、修理费用大；

e）德国记录雷击停机后有大约10．5%可再次顺利启动，很值得进一步研究。

4防雷标准及地电阻要求

现代的雷电保护，可分为外部雷电保护和内部的雷电保护两部分。按照IEC1024－1标准，以雷电5个重要参数，确定保护水平分I～IV级（表8）

如今，风机叶片（如LM叶片）的防雷，是按照IEC1024－1的Ⅰ级保护水平设计，并通过有关型式试验，所以，叶片避免直击雷的破坏大有改善。当外部直击雷打到叶片，将雷电引导入大地也不难。但是，风力发电机组在离地40～50m机舱内的设备,和地面控制框设备都与雷电引下系统有某种相连，雷电流引起过电压，造成这些设备的损坏是面广而棘手的问题。

雷电流引起过电压，取决引下系统和接地网。目前，风机厂家对地电阻值的要求(表9)很不一样：丹麦(Vestas、Micon)允许较大；美国(Zond)西班牙(Made)次之；德国(Nordex、Jacobs)要求地电阻值小。

我国尚没有风力发电机组防雷和过电压保护（包括地电阻值）的行业标准，这是风机国产化和风电场设计急需解决的问题。

5防雷和过电压保护设计

5.1外部直击雷的保护设计

5.1.1叶片

如上所述，包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线，叶片的铝质根部连接到轮毂、引至机舱主机架、一直引入大地。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。

5.1.2机舱

机舱主机架除了与叶片相连，还连接机舱顶上避雷棒，见图3。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。

5.1.3塔架及引下线

专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，因此，雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。

5.1.4接地网

接地网设在混凝土基础的周围，见图