風電防雷分析
風能是可再生潔凈能源，利用風力發(fā)電是當前技術最成熟、最具備規(guī)模開發(fā)條件的電力資源。隨著風力發(fā)電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多風能，風機的高度隨著輪轂高度和葉輪直徑增高不斷升高，雷擊的風險不斷增加，可以說雷擊已成為自然界中對風力發(fā)電機組安全運行危害最大的自然災害。
風力發(fā)電機為什么要做雷電防護？
發(fā)生雷擊時，閃電電流通過所有風力發(fā)電機組件傳導至地面，由于風力發(fā)電機位于疾風區(qū)，通常選址在丘陵或山脊上，其高度遠高于周圍的地形地物，再加上風力發(fā)電機安裝地點土壤電阻率通常較高，對雷電流的傳導性能相對較差，特別容易受到直擊雷、側(cè)擊雷和感應雷的襲擊，因此，對風力發(fā)電機組件采取防雷措施是非常必要的。
風力發(fā)電機哪些部位要做雷電防護？
IEC TR 61400-24《風力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)–雷電防護》指出：現(xiàn)代風力發(fā)電機的防雷通常不同于普通建筑物的防雷，它需要重點解決葉片和輪轂、齒輪箱、軸承、傳動裝置、發(fā)電機、電氣部分、控制系統(tǒng)等雷電防護問題。IEC TR 61400-24給出了德國易遭受雷擊的風機主要部件的統(tǒng)計。
風力發(fā)電機雷電防護內(nèi)容
目前國際上還沒有專門針對風力發(fā)電的雷電防護標準，只能參照IEC 61024-1、IEC 6
風機因雷擊損壞的成本
來自德國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，風機遭雷擊的部件的維修費用（包括人工費、部件費和吊裝費等）很高，其中葉片損壞的維修費用最昂貴。風力發(fā)電機遭雷擊損壞后，由于故障損害的分析和后續(xù)的維修，加上訂貨期和運輸期，會造成一段時間的停工期。由這個停工期不僅使發(fā)電量損失，而且減少了風場所有者經(jīng)濟上的收入。據(jù)國外的統(tǒng)計，雷擊故障比平均其它故障造成的停機影響都大。
風電機組防雷問題
在運行中的風力發(fā)電機組將會遭受雷擊的事卻是屢見不鮮，損壞設備，造成巨大損失，甚至危及人身安全。為此，根據(jù)國外部分防雷研究成果及雷害統(tǒng)計資料數(shù)據(jù)，說明雷電危害風力發(fā)電機組的嚴峻性。列舉了國際著名風力發(fā)電機組廠家的防雷設計標準要求，從中看出當前防雷設計的差異。指出要改善風力發(fā)電機防雷性能狀況，必須從設計標準、制造規(guī)范、建設質(zhì)量等根本環(huán)節(jié)著手，并應盡快建立我國風電行業(yè)(包括風機防雷)技術規(guī)范。
1 風機的防雷特點
電閃雷鳴釋放的巨大能量，會造成風機葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動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的關系見。 1.2 環(huán)境
風力發(fā)電特點是：風機分散安置在曠野，大型風機葉片高點（輪轂高度加風輪半徑）達60～
1.3 嚴重性
風力發(fā)電機組是風電場的貴重設備，價格占風電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機貴重部件遭受雷擊），除了損失修復期間應該發(fā)電所得之外，還要負擔受損部件的拆裝和更新的巨大費用。丹麥LM公司資料介紹：1994年，害損壞超過6%，修理費用估計至少1 500萬克朗(當年丹麥裝機540 MW，平均2.8萬克朗/MW) 。按LM公司估計，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的，但少數(shù)情況則要更換整個葉片。雷擊風機常常引起機電系統(tǒng)的過電壓，造成風機自動化控制和通信元件的燒毀、發(fā)電機擊穿、電氣設備損壞等事故。所以，雷害是威脅風機安全經(jīng)濟運行的嚴重問題。
2 葉片防雷研究
雷擊造成葉片損壞的機理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結構溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。
美國瞬變特性研究院用人工電暈發(fā)生器，在全復合材料的葉片做雷擊試驗，高電壓、長電弧沖擊（3．5 MV，20 kA）加在無防雷設置的葉片上，結論是葉片必須加裝防雷裝置。
玻璃鋼防雷葉片頂端鉚裝一個不銹鋼葉尖，用銅絲網(wǎng)貼在葉片兩面，將葉尖與葉根連為一導電體。銅絲網(wǎng)一方面可將葉尖的雷電引導至大地，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目，由丹麥能源部資助，包括丹麥研究院雷電專家、風機生產(chǎn)廠、工業(yè)保險業(yè)、風電場和商業(yè)組織在內(nèi)，目的在于調(diào)查研究雷電導致葉片損害，開發(fā)安全耐用的防雷葉片。研究人員在實驗室進行一系列的仿真測試，電壓達1．6 MV，電流到200 kA，進行雷電沖擊，驗證葉片結構能力和雷電安全性。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導電體，雷電導致?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，而且會增加損害的次數(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）。在研究的基礎上，LM葉片防雷性能得到了發(fā)展，在葉尖裝有接閃器捕捉雷電，再通過葉片內(nèi)腔導引線使雷電導入大地，約束雷電，保護葉片，設計簡單和耐用。如果接閃器或傳導系統(tǒng)附件需要更換，只是機械性的改換。
3 雷害資料數(shù)據(jù)
我國個別案例
1995年8月，浙江蒼南風電場1臺FD16型55 k W風機受雷擊，從葉尖到葉根開裂損壞報廢。
我國各風場的雷害，沒有統(tǒng)計資料。
3.2 丹麥和德國統(tǒng)計的雷擊數(shù)據(jù)
3.2.1 風機雷擊率
德國雷擊率比丹麥高出1倍。除了地點不同，收集時間短(一般認為需要15 a),或許有德國的風機平均總高度44．3 m比丹麥的35．5 m高等因素。
通過上述統(tǒng)計資料分析，可以認為：
a）德國、丹麥統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明風機遭雷擊概率高，估計我國多雷地區(qū)會更嚴重；
b）安裝在高山的風機，比在低地和海邊更容易受雷擊；
c）控制系統(tǒng)損壞率最高，是雷害薄弱環(huán)節(jié)，電氣系統(tǒng)和發(fā)電機損壞概率也不低 ，說明雷電造成的過電壓必須引起重視；
d）葉片損壞造成損失電量最多、修理費用最大；
e）德國記錄雷擊停機后有大約10．5%可再次順利啟動，很值得進一步研究。
4 防雷標準及地電阻要求
現(xiàn)代的雷電保護，可分為外部雷電保護和內(nèi)部的雷電保護兩部分。按照IEC1024－1標準，以雷電5個重要參數(shù)，確定保護水平分I～IV級。
如今，風機葉片（如LM葉片）的防雷，是按照IEC1024－1的Ⅰ級保護水平設計，并通過有關型式試驗，所以，葉片避免直擊雷的破壞大有改善。當外部直擊雷打到葉片，將雷電引導入大地也不難。但是，風力發(fā)電機組在離地40～50 m機艙內(nèi)的設備,和地面控制框設備都與雷電引下系統(tǒng)有某種相連，雷電流引起過電壓，造成這些設備的損壞是面廣而棘手的問題。
雷電流引起過電壓，取決引下系統(tǒng)和接地網(wǎng)。目前，國際風機廠家對地電阻值的要求很不一樣：丹麥(Vestas、Micon)允許較大；美國(Zond)西班牙(Made)次之 ；德國(Nordex、Jacobs)要求地電阻值最小。
我國尚沒有風力發(fā)電機組防雷和過電壓保護（包括地電阻值）的行業(yè)標準，這是風機國產(chǎn)化和風電場設計急需解決的問題。
5 防雷和過電壓保護設計
5.1 外部直擊雷的保護設計
5.1.1 葉片
如上所述，包含接閃器和敷設在葉片內(nèi)腔連接到葉片根部的導引線，葉片的鋁質(zhì)根部連接到輪轂、引至機艙主機架、一直引入大地。葉片防雷系統(tǒng)的主要目標是避免雷電直擊葉片本體，而導致葉片本身發(fā)熱膨脹、迸裂損害。
5.1.2 機艙
機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上避雷棒。避雷棒用作保護風速計和風標免受雷擊。主機架再連接到塔架和基礎的接地網(wǎng)。
5.1.3 塔架及引下線
專設的引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環(huán)，機艙和偏航剎車盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。
5.1.4 接地網(wǎng)
接地網(wǎng)設在混凝土基礎的周圍。接地網(wǎng)包括1個50 mm2銅環(huán)導體，置在離基礎1 m地下1 m處；每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導電環(huán)的補充；銅導電環(huán)連接到塔架2個相反位置，地面的控制器連接到連點之一。有的設計在銅環(huán)導體與塔基中間加上兩個環(huán)導體，使跨步電壓更加改善。如果風機, 放置在高地電阻區(qū)域,地網(wǎng)將要延伸保證地電阻達到規(guī)范要求。一個有效的接地系統(tǒng)，應保證雷電入地，為人員和動物提供最大限度的安全，以及保護風機部件不受損壞。
5.2 內(nèi)部防雷（過電壓）保護系統(tǒng)
5.2.1 等電位匯接
風速計和風標與避雷針一起接地等電位；機艙的所有組件如主軸承、發(fā)電機、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機艙主框作為等電位；地面開關盤框由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。
5.2.2 隔離
在機艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纖電纜連接；對處理器和傳感器，分開供電的直流電源。
5.2.3 過電壓保護設備
在發(fā)電機、開關盤、控制器模塊電子組件、信號電纜終端等，采用避雷器或壓敏塊電阻的過電壓保護。
6 分析及結論
a) 不論從實際統(tǒng)計或理論分析都表明，雷害是威脅風力發(fā)電機組安全生產(chǎn)和風場效益的嚴峻問題。風力發(fā)電是新興的行業(yè)，至今從防雷研究成果看，風力發(fā)電機組的外部直擊雷保護，重點是放在改進葉片的防雷系統(tǒng)上；而內(nèi)部的防雷——過電壓保護則由風機廠家設計完成。此外,各個國際風機廠家實際設計所依據(jù)標準和參數(shù)(包括地網(wǎng)電阻)就有很大差別。所以,這樣形成的風機制造不能不在產(chǎn)品上就留下某些薄弱環(huán)節(jié)。為了改進風機的防雷性能,首先要確定合理統(tǒng)一的防雷設計標準，明確防止外部雷電和內(nèi)部雷電(過電壓)保護的制造工藝規(guī)范，這是提高風力發(fā)電機組防雷性能的基礎。在我國要發(fā)展風電，就必須盡快建立我國風電行業(yè)(包括風機防雷)技術規(guī)范
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