（甘肃中电瓜州风力发电有限公司 735211）
摘要：风能作为绿色能源的一种，在我国得到政府的大力提倡，因此发展迅速。据统计，目前全国累计的装机容量已达到1.88亿千瓦。[1]与此同时，风力发电系统也受各种因素的制约，雷击破坏便是其中破坏力最大且最为常见的一种，它不仅对风力机组装置造成伤害，还对我国风力发电量造成巨大损失。雷电环境无法避免，但我们可以采取必要的措施来减少雷电对于风力机组的伤害。
关键词：风力机组；防雷；叶片；接闪器
引言：由于全球能源的紧缺，风力发电作为一种清洁的、可再生的能源，近些年得到快速发展，已经成为当下技术成熟、开发条件完善的高效能源。随着风力机组容量的不断扩大，输出功率不断变高，机组塔筒也不断呈现增高趋势。机组叶片的直径也在不断扩大，同时，风力机组被雷击中的风险也在不断加大，近年来仅风力机叶片的雷击年损坏率就达5.5%[2]，叶片是最易遭受雷击的部位，在机组事故中比例高达20%，由于叶片位于机组的最高位置，非常容易在尖端处放电，进而引发雷击。且叶片的质量直接决定了接受风能的效率。因此对风力机组遭受雷击的原因进行分析，由因溯果，找出风力机组防雷措施，解决雷击问题，对于风力机组的正常运转至关重要。
一、叶片遭受雷击的损坏现象及机理
风力机组遭受雷击常见的形式有：直击雷式、感应雷式和球形雷式。机组叶片由于位置较高的原因，非常容易受直击雷的影响，叶片的损坏，大都是直击雷造成的。通常有热效应、机械效应、电效应三种破坏形式。风机叶片被雷击的后果通常为叶片裂开（此种为机械损坏），复合型的材料表面呈现灰化以及雷击部位的金属组件被烧毁或者被熔化（此种为热效应）。最严重的破坏为雷电在风力机叶片内部，形成电弧，雷电释放能量致使叶片结构温度迅速升高，根据热胀冷缩原理，使叶片内部温度升高，压力增大，而叶片层之间存在潮气，内部电弧加热与潮气碰撞，形成巨大的压力，致使机组叶片撕裂，轻则形成裂纹，重则机组叶片完全碎裂。有时压力波会从受雷击的叶片向其他叶片转移，致使多个叶片损坏。因此，需要避免雷电弧对叶片形成的压力冲击波，最好的方法便是在机组叶片外部建立雷电通道屏蔽机制，或者想办法减少叶片所受雷电的冲击。当雷电弧在机组叶片外部形成的截面积足够大时，机组叶片所受的冲击力就越小，越不易损坏。当下叶片防雷保护的主要方法是：将雷电流安全地从雷击点传导到接地轮毂[3]，避免叶片内部雷电压力的形成。
二、叶片防雷措施
1、建立孤立的避雷塔以捕捉雷电
此方法是在风力机组的旁边，建立一座避雷塔用来主动拦截雷电对风力机组的冲击，保护风力机组安全。在暴雨暴雷天气下，风向非常固定或者风向的变化不大时，此种方法最为安全有效。避雷塔的安装位置应处于风力机组的迎风侧。但当风向变化非常大的时候，一个避雷塔就有些捉襟见肘，应当建立两个或者多个，来保住风力机组的安全。但此方法的不足之处就在于建立避雷塔的成本高昂，需要耗费大量的钢材，对于较为偏远或者经济不发的地区，此种方法不切实际且不经济。除此之外，单台风力机的场所不适合此种方法，此种方法适合由多台风力机形成的风场地区，可以多台风力机形成组合，用一台避雷塔。
2、将避雷针安装于机舱之上，避免机组叶片损坏
运用此种方法时避雷针的长度应该足够长，以此确保绝大部分的雷电能够被机舱上的避雷针所发觉，虽然避雷针的长度远远低于机组叶片的长度，但避雷针的使用仍然能够有效的降低机组叶片的损坏率，原因如下：首先，避雷针安装于机舱之上，能够有效的捕捉部分雷电，从而降低了叶片受雷击的概率和所承担的电流大小，从而降低了叶片的破坏程度。但是如果机组叶片表面非常污浊，或者已经受到盐雾的侵蚀（常见于海上风场），机组叶片表面就成了导体，会大大降低机舱上避雷针的效果。
其次，如果机组叶片的三个叶片中任何一个与地面垂直，则此时机组叶片顶端高度等于机舱加叶片的长度，但如果机组叶片与垂直方向的角度为60度，则他的高度为机舱加二分之一的叶片长度，此时机舱上的避雷针效果最好。因此，在机舱上进行避雷针的安装能够有效的降低叶片受雷击的概率，保护风力机组。
3、普通机组叶片防雷保护措施
前文所述措施的原理都是降低雷电击中叶片的概率或者控制通过叶片的电流强弱来保护机组叶片。但若想要深度的保护机组叶片，降低雷击破坏除去外部因素外，还应从叶片内部下功夫探讨保护措施。常见的做法有两种：一是在机组叶片的表面或者叶片内部安装金属导体，从而将雷击电流从叶片所受雷击点传导至机组叶片的根部，进而将雷电电流导入大地。二是在机组叶片的表面，添加导电的材料，使得雷电的电流沿着机组叶片表面传导，避免在叶片内部形成雷电电弧。
（1）在叶片表面安装接闪器，形成雷电保护系统
在机组叶片表面安装接闪器的目的在于，使雷电仅击中机组叶片设计好的规定位置，进而使雷电电流按照规定位置，安全的导入地面。但是，较长的叶片，雷击点不全是叶尖的接闪器，所以，当机组叶片长度超过三十米时，必须要安装两个或者两个以上接闪器。[4]接闪器的安装方式为将金属导体沿着机组叶片的前端或者后端部位，植入叶片的表面。除去安装圆形的接闪器以外，也可以在机组叶片的尖端部位安装带有引下线系统的金属帽[5]也可以很好的保护机组，免受雷电的伤害。
(2)在机组叶片表面添加导电材料
据研究表明：机组叶片全部使用绝缘材料并不能减少叶片被雷击的危险，反而会增加叶片受损害的机率。航空工业的机翼所采用的雷电保护方式是，通常在机翼的表面添加导电的材料，从而减少雷击点的小面积损害。导电材料通常位于机组叶片复合材料的表面位置，也可位于复合材料的金属网的部位，或者可以沿着机组叶片壳体的两侧进行分布，再者还可将金属网植入机组叶片表面漆层的下方部位。由于风力机组单机的容量不断增加，随之而来的是风机机组的叶片长度也在不断增加。叶片长度与商业飞机的长度几乎类似。因此，只在机组叶片的尖端部位安全一台接闪器已经无法满足机组叶片防雷点击中的要求，虽然可以增加雷电接闪器的数量，来增加机组叶片的保护效率，但这样也使得叶片的重量和运营成本上升。据调查显示，可以通过对机组叶片的材料击穿特性进行改善，以此降低雷电击穿机组叶片表面的风险。增加机组叶片复合材料的厚度，可以降低雷电击穿叶片的机率以及叶片所承受的电压，在有层压板和涂料层组成的机组叶片或者只有层压板制成的叶片中效果尤为明显，但涂料层的厚度对于机组叶片被击穿或者承受电压的能力并无多大的影响。并且，当厚度达到特定的数值时，场强减小的幅度会降低。
三、结语
影响风力机组安全运行的重要因素便是雷击，因此对风力机组的抗雷技术进行研究非常重要。本文结合国内外的研究文献，分析了风力机组叶片遭受雷击后常见的损坏现象和运作机理，并对风力机组叶片防雷措施进行系统阐释，为在雷暴环境中，风力机组能够安全的持续运转提供理论指导，对发电机组的建设给予借鉴。除上文叙述的问题之外，风力机组也应当重视叶片强度的问题，防止叶片在遭受雷击后从中间某处断裂。
参考文献：
[1] 郭宁,李春曦,叶学民.风力机组防雷技术研究[J].风机技术, 2015,57(04):76-83.
[2] 何显富,卢霞,杨跃进,等.风力机设计、制造与运行[M].北京：化学工业出版社,2009.
[3] 武宁,马贵东.风力发电机组雷电防护技术[J].硅谷,高新技术产业发展,2012(12):37-38.
[4] 曾明伍,赵萍,钟贤和,等.风电叶片的防雷技术及应用[J].东方汽轮机,2012(1):13-19.
[5] 王森,WangSen.风力发电机组防雷保护研究[J].山西建筑, 2015(29):147-148.