風(fēng)能是可再生潔凈能源，利用風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)前技術(shù)成熟、具備規(guī)模開發(fā)條件的電力資源。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，為了吸收更多風(fēng)能，風(fēng)機(jī)的高度隨著輪轂高度和葉輪直徑增高不斷升高，雷擊的風(fēng)險(xiǎn)不斷增加，可以說(shuō)雷擊已成為自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害大的自然災(zāi)害。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)為什么要做雷電防護(hù)？

發(fā)生雷擊時(shí)，閃電電流通過(guò)所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件傳導(dǎo)至地面，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于疾風(fēng)區(qū)，通常選址在丘陵或山脊上，其高度遠(yuǎn)高于周圍的地形地物，再加上風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝地點(diǎn)土壤電阻率通常較高，對(duì)雷電流的傳導(dǎo)性能相對(duì)較差，特別容易受到直擊雷、側(cè)擊雷和感應(yīng)雷的襲擊，因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件采取防雷措施是非常必要的。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)哪些部位要做雷電防護(hù)？

IECTR61400-24《風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)–雷電防護(hù)》指出：現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷通常不同于普通建筑物的防雷，它需要重點(diǎn)解決葉片和輪轂、齒輪箱、軸承、傳動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)、電氣部分、控制系統(tǒng)等雷電防護(hù)問(wèn)題。IECTR61400-24給出了德國(guó)易遭受雷擊的風(fēng)機(jī)主要部件的統(tǒng)計(jì)，詳見(jiàn)圖示。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電防護(hù)內(nèi)容

目前上還沒(méi)有專門針對(duì)風(fēng)力發(fā)電的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，只能參照IEC61024-1、IEC61024-1-2、IEC61312-2、IEC61312-3、IEC61312-4和IEC61312-5等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)機(jī)械、傳動(dòng)、電氣和電子系統(tǒng)的屏蔽、等電位連接、浪涌保護(hù)器（SPD）和接地裝置，人為的把雷擊造成的損壞降到可接受的水平。

風(fēng)機(jī)因雷擊損壞的成本

來(lái)自德國(guó)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)機(jī)遭雷擊的部件的維修費(fèi)用（包括人工費(fèi)、部件費(fèi)和吊裝費(fèi)等）很高，其中葉片損壞的維修費(fèi)用昂貴。風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭雷擊損壞后，由于故障損害的分析和后續(xù)的維修，加上訂貨期和運(yùn)輸期，會(huì)造成一段時(shí)間的停工期。由這個(gè)停工期不僅使發(fā)電量損失，而且減少了風(fēng)場(chǎng)所有者經(jīng)濟(jì)上的收入。據(jù)國(guó)外的統(tǒng)計(jì)，雷擊故障比平均其它故障造成的停機(jī)影響都大。

風(fēng)電機(jī)組防雷

在運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將會(huì)遭受雷擊的事卻是屢見(jiàn)不鮮，損壞設(shè)備，造成巨大損失，甚至危及人身安全。為此，根據(jù)國(guó)外部分防雷研究成果及雷害統(tǒng)計(jì)資料數(shù)據(jù)，說(shuō)明雷電危害風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的嚴(yán)峻性。列舉了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組廠家的防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，從中看出當(dāng)前防雷設(shè)計(jì)的差異。指出要改善風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷性能狀況，必須從設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、制造規(guī)范、建設(shè)質(zhì)量等根本環(huán)節(jié)著手，并應(yīng)盡快建立我國(guó)風(fēng)電行業(yè)(包括風(fēng)機(jī)防雷)技術(shù)規(guī)范。

1風(fēng)機(jī)的防雷特點(diǎn)

電閃雷鳴釋放的巨大能量，會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動(dòng)化控制和通信元件燒毀……

1.1一般雷擊率

在年均10雷電日地區(qū)，建筑物高度h與一般雷擊率n的關(guān)系見(jiàn)表1。

1.2環(huán)境

風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)是：風(fēng)機(jī)分散安置在曠野，大型風(fēng)機(jī)葉片高點(diǎn)（輪轂高度加風(fēng)輪半徑）達(dá)60～70m，易受雷擊；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電氣絕緣低（發(fā)電機(jī)電壓690V、大量使用自動(dòng)化控制和通信元件）。因此，就防雷來(lái)說(shuō)，其環(huán)境遠(yuǎn)比常規(guī)發(fā)電機(jī)組的環(huán)境惡劣。

1.3嚴(yán)重性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)的貴重設(shè)備，價(jià)格占風(fēng)電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機(jī)貴重部件遭受雷擊），除了損失修復(fù)期間應(yīng)該發(fā)電所得之外，還要負(fù)擔(dān)受損部件的拆裝和更新的巨大費(fèi)用。丹麥LM公司資料介紹：1994年，害損壞超過(guò)6%，修理費(fèi)用估計(jì)至少1500萬(wàn)克朗(當(dāng)年丹麥裝機(jī)540MW，平均2.8萬(wàn)克朗/MW)。按LM公司估計(jì)，世界每年有1%～2%的轉(zhuǎn)輪葉片受到雷電襲擊。葉片受雷擊的損壞中，多數(shù)在葉尖是容易被修補(bǔ)的，但少數(shù)情況則要更換整個(gè)葉片。雷擊風(fēng)機(jī)常常引起機(jī)電系統(tǒng)的過(guò)電壓，造成風(fēng)機(jī)自動(dòng)化控制和通信元件的燒毀、發(fā)電機(jī)擊穿、電氣設(shè)備損壞等事故。所以，雷害是威脅風(fēng)機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的嚴(yán)重問(wèn)題。

2葉片防雷研究

雷擊造成葉片損壞的機(jī)理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結(jié)構(gòu)溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。

美國(guó)瞬變特性研究院用人工電暈發(fā)生器，在全復(fù)合材料的葉片做雷擊試驗(yàn)，高電壓、長(zhǎng)電弧沖擊（3．5MV，20kA）加在無(wú)防雷設(shè)置的葉片上，結(jié)論是葉片必須加裝防雷裝置。

玻璃鋼防雷葉片（圖1）頂端鉚裝一個(gè)不銹鋼葉尖，用銅絲網(wǎng)貼在葉片兩面，將葉尖與葉根連為一導(dǎo)電體。銅絲網(wǎng)一方面可將葉尖的雷電引導(dǎo)至大地，也防止雷擊葉片主體。

丹麥LM公司于1994年獲得葉片防雷的科研項(xiàng)目，由丹麥能源部資助，包括丹麥研究院雷電專家、風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠、工業(yè)保險(xiǎn)業(yè)、風(fēng)電場(chǎng)和商業(yè)組織在內(nèi)，目的在于調(diào)查研究雷電導(dǎo)致葉片損害，開發(fā)安全耐用的防雷葉片。研究人員在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一系列的仿真測(cè)試，電壓達(dá)1．6MV，電流到200kA，進(jìn)行雷電沖擊，驗(yàn)證葉片結(jié)構(gòu)能力和雷電安全性。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導(dǎo)電體，雷電導(dǎo)致?lián)p害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險(xiǎn)，而且會(huì)增加損害的次數(shù)。研究還表明：多數(shù)情況下被雷擊的區(qū)域在葉尖背面（或稱吸力面）。在研究的基礎(chǔ)上，LM葉片防雷性能得到了發(fā)展，在葉尖裝有接閃器（圖2）捕捉雷電，再通過(guò)葉片內(nèi)腔導(dǎo)引線使雷電導(dǎo)入大地，約束雷電，保護(hù)葉片，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和耐用。如果接閃器或傳導(dǎo)系統(tǒng)附件需要更換，只是機(jī)械性的改換。

3雷害資料數(shù)據(jù)

3.1我國(guó)個(gè)別案例

1995年8月，浙江蒼南風(fēng)電場(chǎng)1臺(tái)FD16型55kW風(fēng)機(jī)受雷擊，從葉尖到葉根開裂損壞報(bào)廢。

我國(guó)各風(fēng)場(chǎng)的雷害，沒(méi)有統(tǒng)計(jì)資料。

3.2丹麥和德國(guó)統(tǒng)計(jì)的雷擊數(shù)據(jù)

3.2.1風(fēng)機(jī)雷擊率

德國(guó)雷擊率比丹麥高出1倍。除了地點(diǎn)不同，收集時(shí)間短(一般認(rèn)為需要1),或許有德國(guó)的風(fēng)機(jī)平均總高度44．3m比丹麥的35．5m高。

3.2.2雷擊地區(qū)分布

3.2.3受雷擊損壞部位

3.2.4影響利用率

3.2.5影響發(fā)電量

3.2.6修理費(fèi)用

3.2.7德國(guó)資料記錄

雷擊停機(jī)后可再次順利啟動(dòng)的大約占10．5%，說(shuō)明防雷保護(hù)的作用。

3.2.8統(tǒng)計(jì)資料分析

通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)資料分析，可以認(rèn)為：

a）德國(guó)、丹麥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明風(fēng)機(jī)遭雷擊概率高，估計(jì)我國(guó)多雷地區(qū)會(huì)更嚴(yán)重；

b）安裝在高山的風(fēng)機(jī)，比在低地和海邊更容易受雷擊；

c）控制系統(tǒng)損壞率高，是雷害薄弱環(huán)節(jié)，電氣系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)損壞概率也不低，說(shuō)明雷電造成的過(guò)電壓必須引起重視；

d）葉片損壞造成損失電量多、修理費(fèi)用大；

e）德國(guó)記錄雷擊停機(jī)后有大約10．5%可再次順利啟動(dòng)，很值得進(jìn)一步研究。

4防雷標(biāo)準(zhǔn)及地電阻要求

現(xiàn)代的雷電保護(hù)，可分為外部雷電保護(hù)和內(nèi)部的雷電保護(hù)兩部分。按照IEC1024－1標(biāo)準(zhǔn)，以雷電5個(gè)重要參數(shù)，確定保護(hù)水平分I～I(xiàn)V級(jí)（表8）

如今，風(fēng)機(jī)葉片（如LM葉片）的防雷，是按照IEC1024－1的Ⅰ級(jí)保護(hù)水平設(shè)計(jì)，并通過(guò)有關(guān)型式試驗(yàn)，所以，葉片避免直擊雷的破壞大有改善。當(dāng)外部直擊雷打到葉片，將雷電引導(dǎo)入大地也不難。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在離地40～50m機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備,和地面控制框設(shè)備都與雷電引下系統(tǒng)有某種相連，雷電流引起過(guò)電壓，造成這些設(shè)備的損壞是面廣而棘手的問(wèn)題。

雷電流引起過(guò)電壓，取決引下系統(tǒng)和接地網(wǎng)。目前，風(fēng)機(jī)廠家對(duì)地電阻值的要求(表9)很不一樣：丹麥(Vestas、Micon)允許較大；美國(guó)(Zond)西班牙(Made)次之；德國(guó)(Nordex、Jacobs)要求地電阻值小。

我國(guó)尚沒(méi)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷和過(guò)電壓保護(hù)（包括地電阻值）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這是風(fēng)機(jī)國(guó)產(chǎn)化和風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)急需解決的問(wèn)題。

5防雷和過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)

5.1外部直擊雷的保護(hù)設(shè)計(jì)

5.1.1葉片

如上所述，包含接閃器和敷設(shè)在葉片內(nèi)腔連接到葉片根部的導(dǎo)引線，葉片的鋁質(zhì)根部連接到輪轂、引至機(jī)艙主機(jī)架、一直引入大地。葉片防雷系統(tǒng)的主要目標(biāo)是避免雷電直擊葉片本體，而導(dǎo)致葉片本身發(fā)熱膨脹、迸裂損害。

5.1.2機(jī)艙

機(jī)艙主機(jī)架除了與葉片相連，還連接機(jī)艙頂上避雷棒，見(jiàn)圖3。避雷棒用作保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)免受雷擊。主機(jī)架再連接到塔架和基礎(chǔ)的接地網(wǎng)。

5.1.3塔架及引下線

專設(shè)的引下線連接機(jī)艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環(huán)，機(jī)艙和偏航剎車盤通過(guò)接地線連接，因此，雷擊時(shí)將不受到傷害，通過(guò)引下線將雷電順利地引入大地。

5.1.4接地網(wǎng)

接地網(wǎng)設(shè)在混凝土基礎(chǔ)的周圍，見(jiàn)圖