刘涛
广东粤电湛江风力发电有限公司 广东湛江 524000
摘要：风电行业是一个正处于高速发展的行业，近年来雷击事件屡
有发生，致使风电机组无法使用。本文主要讨论风力发电系统防雷问
题，经过对风电机组中的防雷性能以及防雷技术进行分析，相应地提
出有针对性的防雷措施，保证风电场的安全性。
关键词：风力发电系统；防雷技术；改进措施
引 言
雷电灾害是影响风力发电综合效率的重要原因，一直都是重点研究对象，需要在前期设计阶段做好可靠的防雷保护处理，通过多种保护措施的相互配合，将雷击灾害产生的影响控制到最小，为风力发电系统的可靠运行提供可靠保障。虽然现在可以选择的防雷保护技术越来越多，但是为满足风力发电实际需求，还需要在现有基础上持续研究。
一、雷电的来源及雷电对风力发电机的危害
1.1 雷电的来源
雷电是直接产生于大气中的，在整个大气环境中含有大量的气体离子，包括正离子和负离子。这些正、负离子在大气中携带微弱的导电性，进而造成大气电场、电流以及雷电的产生。一般雷电现象会比较频繁地发生在较高建筑物、沿海及山地区域。风力发电机为了更多地利用风能，也是布置在山地和海边这些比较空旷的地区，因此风力发电机容易受到雷电的袭击。
1.2 雷电的危害
针对风力发电系统来讲，因为需要以风力资源作为生产根本，必须要建设在野外空旷区域，并且叶片均保持较高高度，这样就决定了其更容易受到雷击影响。叶片为雷击的主要对象一般情况下雷击损害主要集中在叶尖部位，很少会造成整个叶片损坏，其成本非常高，被损坏需要花费较多费用进行维修甚至换新。当叶片遭受雷击后，会释放出大量的能量，过大雷电流会促使叶尖结构内部温度急剧升高，水分受热汽化膨胀，产生较大的机械力，而导致叶尖结构破裂损坏，部分情况下甚至会造成整个叶片开裂。或者是雷击时伴随的巨大声波，导致叶片结构受到损坏。面对雷击对叶片造成的不良影响，必须要加强对风力发电系统的防雷设计，避免叶片被损坏，维持系统的正常运行。
二、风力发电机组雷击特性
2.1 雷击部位
鉴于风力发电机所处的位置容易造成各种不同现象的雷击发生，对发电机进行研究，发现其主要受到袭击的部位有桨叶、风向杆、电气系统，控制系统（轴承、机舱）及发电机。
2.2 雷击概率分析来源
根据我国风力发电机长期的应用资料以及国外相关的资料显示，当发电机受到雷击时，其有关部件受到袭击的概率分别为：叶片（15%～20%），电气系统（15%～25%），控制系统（40%～50%），发电机（5%）。当机组高度以及长度不断增大时，其本身受到雷击的面积也会增多，进而受到雷击的概率就会增加。同时，叶片的长度与受到雷击的概率也有着正比例关系，叶片的长度增加，更为容易受到雷击。当一个叶片在正上方，其他两个叶片分别位于两侧时会更容易受到雷击，并且受到袭击的概率是最大的。
2.3 雷电损坏机制
2.3.1 雷电途径损坏机制
机组遭受雷电电流袭击之后，部分电流会受引下线引领，传输至地面，而且不会产生任何负面影响与危害。然而，还有部分电流不会流入大地，会集中停留在所经之处，进而形成一个较大、复杂的突变磁场。此磁场会干扰发电机的正常、有序运行，进而导致机组不能常规、稳定运行。
2.3.2 雷电对桨叶的损坏机制
就整个风力发电系统而言，桨叶所处位置最高，会直接裸露于高空中。即使其自身材质较为特殊，在常规情况下不会轻易导电，但如果遭遇强大雷电袭击就会产生多个导电路径，而且还会因为其释放巨大能量，导致叶片的整体温度急剧飙升，如果飙升温度达到叶片原材料熔点值，再加上有关压力作用，就会发生爆裂现象。
2.3.3 雷电对轴承的损坏机制
轴承属于发电机的关键组成部分，极易遭受雷电袭击，如果雷电现象产生在轴承当中，那么此雷电现象多半同轴承内部中的导电路径有关。笔者通过调查得知，雷电流传输至轴承当中时一共有2个方向，一是轴承周围上负载区内部滚子同套圈接触而形成的通路，二是轴承周围上负载区内部滚子同套圈间的短气隙遭受电弧击穿而形成的通路。如此一来，整体流程沿途所经地区都会遭受相应破坏。
三、风力发电系统防雷技术改进分析
3.1 外部系统防雷
3.1.1 叶片防雷措施
（1）建立孤立避雷塔捕捉雷电保护法。该方法是通过在风力机旁建立一座避雷塔拦截雷电实现的风力机保护。在雷雨天气下，当风向变化不大时，避雷塔应建立在迎风侧，且该方法效果显著。在风向变化较大的风场，必须在风力机周围建立2个或多个避雷塔才可以保证保护效果，但是该方法需要消耗大量的材料，投入较大，经济效益较差。
（2）机舱安装避雷针保护法。该方法是通过避雷针捕捉雷电流实现的叶片保护。虽然叶片的长度要比机舱上的避雷针要长，但是避雷针的使用能够有效地减少叶片的损毁程度。机舱上安装的避雷针能够有效地捕捉到一部分雷电，在一定程度上降低了雷电流的大小且降低了叶片遭受雷击的概率。但是在叶片表面受到污染或者盐雾侵蚀之后，叶片表面就相当于半导体材料，此时避雷针的保护效果就会大大降低。另外在叶片与垂直方向夹角为60°时，叶片顶端的高度为机舱和叶片长度一半的和，此时避雷针保护法的效果很显著。因此，通过机舱安装避雷针的方法可以有效地降低风机叶片遭受雷击的损毁。
3.1.2 接地措施
接地系统是做为快速分散消溃雷电流和防止风电机组因雷击而损坏的有效措施，亦可用来保护地面及维护人员免受雷击。雷电流通过风机本身的防雷引下装置进入接地装置，散流于大地，较好的接地系统是能够保证雷击过程中风电机组安全的必备措施。较为常规的为水平与垂直接地导体，水平接地体多采用-60×6热镀锌扁钢，若考虑沿集电线路路径方向，逐台风机接地系统和风场整个接地系统连为一体，形成整个风场综合接地网。整个风电场的接地电阻将大大降低，减少了风电场中分散各处构筑物间的电位差。但此方法直接导致工程造价偏高，且受施工场地影响较大。垂直接地体多采用φ50mmL=2500mm的铜棒，同样受到工程地质、施工场地等因素影响，垂直接地体在施工时会使工程难度大为增加。故应结合工程项目实际进行设计，选取最优接地方案。根据相关的规程要求，风机接地系统包括风机的工作接地，保护及防雷接地，其工频接地电阻值按主机厂家的设计生产要求小于4Ω，冲击接地电阻需小于10Ω。如果风电机所处位置的土壤电阻率较高，按照一般电气设备的接地方式，设计的接地系统明显不能满足其安全要求，必须采用高效、可靠的接地降阻材料和优化的解决方案。
3.2 内部系统防雷
3.2.1 风电场进行整体防雷
风电场的总体防雷指的是：依据雷击电气几何模型理论和电场强度大的地方引雷能力强的特性，把风电场作为一个整体，根据当地的地形、地势、气象条件和风电机组布局等情况，并考虑经济性，在风电场易受到雷击的位置设置若干个相互独立的接闪针塔，当雷电靠近风电场时，由于风电机组上电场强度远弱于独立接闪针塔顶处，就使得雷击发生在接闪针塔上，从而避免发电机组免受雷电破坏。
3.2.2 等电位连接
就历史数据来看，风速计、风标等也是容易遭受雷击的关键部位，这样为向其提供可靠保护，可以采取等电位连接的方法处理。将容易遭受直击雷影响的部位与避雷针进行等电位接地，尤其是机舱内所有金属设备和外部导体，与机舱主框连接作为等电位，与接地装置可靠连接。并且基础接地体与环形接地体顶端接线夹需要接入到塔架内部，与标记的等电位连接带进行连接，提高防雷保护效果。
3.2.3 接地体的选择
据美国科学家在45年中对29个试验场地的研究结果表明：不同导体材料的金属接地体的腐蚀情况差异较大。经过10年后：铜和铜包钢材料，接地体腐蚀的平均深度仅为1.13mils，平均每年的腐蚀深度为0.11mils，仅出现了轻微腐蚀；而镀锌钢，其腐蚀深度高达3.50mils，平均每年的腐蚀深度为0.35mils，且有腐蚀点出现在了镀锌层下面的钢上，呈现出严重腐蚀。在风电场的规模和单机发电量都日趋增大的情况下，其投资很大，要求风电机有较长的使用寿命，若因接地体过度腐蚀而使雷电泄流受阻从而造成风机的雷电损坏，其损失将是难以承受的。因而风机生产厂家应重视接地体材料的腐蚀问题，尤其是土壤中含水分和电解质较多的风电场，因这些地方的土壤接地体更易受到腐蚀。
3.2.4 引下线
选择引下线的方式来将雷电流导入地下，以免对系统结构造成损坏。一般可以选择风电机组叶片中金属网格、钢丝与电机组叶片边角作为引下线设计，且要求叶片表面金属导体必须要具有足够大的断面，能够承受直击雷影响，在不被损坏的情况下将雷电流导入地下。引下线为比较常见的一种防雷保护技术，在叶片尖端安装离散接闪器，对叶尖结构提供保护。内部引下线系统能够将雷电流从叶尖接闪器部位引到叶片根部位置，并且因为叶片根部设置与接地体的连接，最终可以将雷电流导入地下，确保叶片可靠运行。
3.2.5 机舱安装避雷针保护法
该方法是通过避雷针捕捉雷电流实现的叶片保护。虽然叶片的长度要比机舱上的避雷针要长，但是避雷针的使用能够有效地减少叶片的损毁程度。机舱上安装的避雷针能够有效地捕捉到一部分雷电，在一定程度上降低了雷电流的大小且降低了叶片遭受雷击的概率。但是在叶片表面受到污染或者盐雾侵蚀之后，叶片表面就相当于半导体材料，此时避雷针的保护效果就会大大降低。另外在叶片与垂直方向夹角为60°时，叶片顶端的高度为机舱和叶片长度一半的和，此时避雷针保护法的效果很显著。因此，通过机舱安装避雷针的方法可以有效地降低风机叶片遭受雷击的损毁。
3.2.6 过电压保护
基于不同电磁兼容性保护区的划分以及SPD原理，可对塔架底部控制柜内进线安装B+C级SPD。而对于通信信号线路塔筒到机舱控制柜的两端，如果应用的为金属导线，可以选择增设信号系统保护器；而如果应用的为光纤传输，则可以选择对光纤铠装金属层来可靠接地。对于风向标、风速仪及环境温度传感器等测控信号线路，则可以选择在控制柜内增设保护器。
结束语
在风电场发电过程中，雷击是影响风电场发电设备甚至是风电场安全运行的重要因素。因此，必须提高风电场防雷技术的研究。本文结合实际案例，多年对风力风电系统技术审核和检测结论从外、内部系统对风力发电系统做了防雷技术分析。对于正处于高速发展的风电行业，不能没有相应的行业和国家标准，因此尽快建立我国风电行业技术规范，是非常必要的。
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