趙雙喜 王 東 劉廣東 時連斌 王為力

（保定天威風電科技有限公司，河北 保定 071051）

隨著人們對可再生能源利用價值認識的提高，以及風電機組制造、控制和其他相關技術的不斷進步，風力發(fā)電在近十幾年來的發(fā)展非常迅速。與此同時，風電機組的單機容量和風電場的總裝機容量也不斷增長，因此風電場的安全運行問題也越來越受到人們的關注。風電機組很多安裝在山谷的風口處，或海島的山頂上，容易受到雷擊影響，安裝在多雷雨區(qū)的風電機組，受雷擊的可能性更大，尤其是控制系統(tǒng)最容易因雷電感應造成過電壓的損害。因此，在風電機組設計中，進行科學的防雷保護設計有重要意義。

1 雷電的破壞形式

1.1 直擊雷

雷電直接擊中線路并經過電器設備入地的雷擊過電流稱為直擊雷；直擊雷蘊含極大的能量，電壓峰值可達5000kV，具有極大的破壞力。因此，雷電流具有幅值極高、頻率極高、沖擊力極強等特點。若建筑物直接被雷電擊中，巨大的雷電流沿引下線入地，則主要會造成以下影響：幾十甚至幾百kV的雷電流沿引下線在數微秒時間內入地的過程中，有可能直接擊穿空氣，損毀低壓設備。在接地網中，由于瞬態(tài)高電壓的沖擊，在接地點產生局部電位升高，在地網間出現電位差，所以，導致地點位反擊而損壞電器設備。地網中的電位差還會產生跨步電壓，直接危及人們的生命；雷擊產生的沖擊電流沿引下線對地泄放過程中，還會在引下線上產生強烈的電磁場，耦合到供電線路或音頻線、數據線上，產生遠遠超過弱電設備耐受能力的浪涌電壓，擊毀弱電設備；雷電流流經電氣設備產生極高的熱量，會造成火災或爆炸事故。

1.2 傳導雷

由遠處的雷電擊中線路或因電磁感應產生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至建筑物內，損壞電氣設備，稱為傳導雷。

1.3 感應雷

云層之間頻繁放電產生強大的電磁波，在電源線和信號線上感應極高的脈沖電壓，峰值可達50kV，稱為感應雷。

2 雷電流對風電機組造成的危害

風電機組安置在風能資源比較好的復雜地形地帶，如曠野、山頂等，環(huán)境比較惡劣，特別是兆瓦級風機的葉片高點甚至達100多米，不可避免的會受到自然災害的影響，特別容易被雷電擊中。統(tǒng)計表明，雷電災害是威脅風電機組安全運行和風場效益的重要因素之一[3]。

據統(tǒng)計，德國、丹麥和瑞典等國風電機組共發(fā)生雷擊故障事件如表1所示。其中包含了超過4000臺風力發(fā)電機的數據。由雷擊導致的風力發(fā)電機損壞數量，每100臺平均每年3.9次到8次。由統(tǒng)計數據顯示，在北歐的風力發(fā)電機組中，每100臺每年有4～8臺遭受雷擊而損壞。

表1 雷擊損壞頻率表

目前，風電機組的單機容量越來越大，輪轂高度也就越來越高，整個風機是暴露在直接雷擊的威脅之下，被雷電直接擊中的概率也與該物體的高度的平方值成正比。所以更增加了遭雷擊的風險，圖1是國外早期統(tǒng)計的風電機組各部件遭受雷擊概率圖（圖中縱坐標為故障率百分比%，橫坐標為機組各部件）。

圖1 風電機遭受雷擊各部件的故障率統(tǒng)計

從圖1中看出，風機中不同部件遭雷擊損壞的概率中，控制系統(tǒng)雷擊損壞占 35%～40%，其次是電氣系統(tǒng)、葉片和傳感器等；隨著防雷裝置的大量應用，新生產的風電機組和早期風電機組遭雷擊損害的程度有了很大的不同。早期的風電機組最常見的損害是控制系統(tǒng)，而新生產的風電機組最常見的損害的是葉片。這表明近年來由于安裝防雷裝置，控制系統(tǒng)的防雷保護已取得明顯的改善。根據長期統(tǒng)計，雷擊造成的損壞中除了機械損壞之外，風機中電氣控制部分包括：變頻器、過程控制計算機、轉速傳感器、測風儀等，也經常遭到損害。 這對于風電場業(yè)主來說，必須采取相應措施保證設備的長期穩(wěn)定運行。

3 風電機組防雷概述

從風電機組防雷研究成果上看，對外部直擊雷防護，重點是放在改進葉片的防雷系統(tǒng)上；而對內部的防雷，即過壓、過流保護，則由風機廠家設計完成。此外，國內和國外風機廠家實際設計所依據標準和參數（包括地網電阻）都有很大差別。所以,這樣形成的風機制造在產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，大力發(fā)展風力發(fā)電，必須非常急迫和必要的盡快建立風電行業(yè)（包括風機防雷）技術規(guī)范。

3.1 風電機組雷電保護區(qū)域劃分

將需要保護的空間劃分為不同的防雷區(qū)（LPZ）[4]，以規(guī)定各部分空間不同的雷擊電磁脈沖的嚴重程度，并指明各區(qū)交界處的等電位連接點的位置。各區(qū)以在其交界處的電磁環(huán)境有明顯改變作為劃分不同防雷區(qū)的特征。

LPZOA：本區(qū)內物體易遭到直接雷擊，因而可能必須傳導全部的雷電流。本區(qū)內電磁場沒有衰減。

LPZOB：雖然本區(qū)內物體不易遭到直接雷擊，但區(qū)內產生未被衰減的電磁場。

LPZ1：本區(qū)內物體不易遭到直接雷擊，本區(qū)內所有導電部件上的雷電流比在 LPZOB區(qū)內的雷電流進一步減小。本區(qū)內的電磁場也可能被衰減，取決于屏蔽措施。

后續(xù)防雷區(qū)（LPZ2等）：如果要求進一步減小傳導電流或電磁場，就應引人若干后續(xù)防雷區(qū)。應根據被保護系統(tǒng)所要求的環(huán)境區(qū)來選擇所需后續(xù)防雷區(qū)的個數。通常，防雷區(qū)序號越高，其電磁環(huán)境參數就越低。風電機組中需要防護的空間劃分成不同防雷區(qū)的一般原則如圖2。

圖2 風力發(fā)電機組防雷區(qū)域劃分

3.2 風電機組外部防雷保護

風機的外部防雷保護系統(tǒng)由接閃器、引下線和接地系統(tǒng)三部分組成[5]，它的作用是防止雷擊對風電機組結構的損壞以及火災危險。

1）外部防雷

一般雷擊風力發(fā)電機的落雷點是在風機的葉片，因此應預先布置在葉片的預計雷擊點處以接閃雷擊電流。通過導電元件將閃電電流導向輪轂，避免電弧留在葉片內部。

在葉片內部，雷電傳導部分將雷電從接閃器導入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂傳至機艙。在輪轂的法蘭處裝有間隙放電裝置，將雷電流迅速傳至機架，釋放掉雷擊過電壓。 通過試驗和對遭受雷擊的葉片進行分析證明，長度小于30m 的風機葉片可在葉片表面應至少安裝一個接閃器，而長度大于30m 的轉子葉片則建議設置安裝多個接閃器。這樣比在頂端安裝單個接閃器能更好地保護葉片。

在實際應用中，有的廠家在輪轂的頂部增加一個接閃器，來保護葉片根部，如圖3所示。其目的是防止直擊雷或側擊雷擊中葉片的根部，損壞葉片。這樣做的問題是，如果避雷針水平安裝，是否可以達到避雷針豎直安裝的防雷效果，還有待進一步研究。

圖3 風機葉片接閃部分

2）機艙防雷

在野外環(huán)境下的風電機組，易受到雷擊的點必須得到足夠重視。不能依靠“滾球法”，因為這種方法并未在風電機組上得到評估或驗證。閃電會打擊到機組每一個部位。比較容易忽視的區(qū)域是機艙背部的結構支撐部位。

位于機艙背部頂端的風速儀和風向標、外部的信號燈（圖中省略未畫出）等電子器件很容易因雷擊而損壞。如圖4大地與云層之間的空氣在圖中指定點的避雷器被擊穿時有可能擊中機艙背部。

圖4 風機機艙避雷器

在國內風機防雷保護沒有明確規(guī)范的情況下，各個風機廠家機艙防雷方法也各不相同。很多風機的機艙背部電子器件也只是用避雷器。

由于機艙背部面積很大，所以在機艙背部需要安裝避雷帶，加強機艙背部的防直擊雷保護。避雷帶宜采用鍍鋅圓鋼或扁鋼，應優(yōu)先選用圓鋼，其直徑不應小于8mm，扁鋼寬度不應小于12mm，厚度不應小于4mm。為了確保安全，采用避雷器加金屬防護欄對機艙頂部進行避雷帶保護，安全性較高。

另外，由于風速儀和風向標還有可能受感應雷入侵而損壞。建議風速儀、風向標和信號燈加相應的浪涌電壓保護器防止過壓對控制器部件造成損害。

3）引下線

針對《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057-94，2000版）第4.2.5條的規(guī)定[6]，風機的塔架一般為鋼柱結構，可以直接將塔架當作引下線來使用，因為塔架為多節(jié)連接而成，所以每節(jié)塔架之間需要用導線連接，如圖5所示。

圖5 每節(jié)塔架之間的電纜連接

4）接地網系統(tǒng)

風力發(fā)電機的接地由塔基的基礎接地極提供，環(huán)繞風力發(fā)電機外圈的環(huán)形接地部分需要與塔筒相連。塔筒的鋼結構必須與風電機組接地系統(tǒng)融為一體。接地部分必須與所有的驅動電極、地下金屬結構以及接地系統(tǒng)相互連接。在一個風電場中，所有風力發(fā)電機的接地系統(tǒng)都必須相互連接，構成一個網狀接地體。這樣就形成了一個等電位連接區(qū)，當雷擊發(fā)生時就可以消除不同點的電位差。所有系統(tǒng)和金屬部件都必須焊接一體，然后通過一條低阻抗路徑并入接地系統(tǒng)。

接地系統(tǒng)一定要緊湊。接地系統(tǒng)中任何超出雷擊點 30m以外的部分將無助于降低雷擊的峰值電壓。接地系統(tǒng)的接地電阻小于等于4?。必須每年進行一次檢查，確定是否出現斷裂、連接松動、銹蝕和/或接地電阻的改變等情況，以確保任何時候都保持良好的狀態(tài)。

4 風機內部防雷保護系統(tǒng)

內部防雷保護系統(tǒng)是由所有的在該區(qū)域內縮減雷電電磁效應的設施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護等。

4.1 等電位連接

防雷保護設計中，防雷區(qū)LPZ0與LPZ1、LPZ1與LPZ2區(qū)的界面處均應作等電位連接。另外，線路的所有導體應直接或非直接連接。相線應采用電涌保護器連到防雷裝置或總接地連接帶上。在TN系統(tǒng)中，PE線或PEN線應直接連到防雷裝置或總接地連接帶上等電位連接能有效抑制雷電引起的電位差[7]。防雷擊等電位連接是內部防雷保護系統(tǒng)的重要組成部分。在風機系統(tǒng)內，所有導電的部件都被相互連接，以減小電位差。但設計等電位連接時，應按照標準考慮其最小連接橫截面積。一個比較完整的等電位連接網絡也包括電源和信號線路的等電位連接，這些線路應通過雷電流保護器與主接地匯流排相連。

風輪與機艙間、機艙與塔筒間、機架與水平軸間應通過鉚接、焊接或螺栓連接等方法做可靠電氣連接，也可以通過單獨的多股塑銅線（截面不小于16mm2），各連接過度電阻盡量小，一般不大于0.03?。

4.2 屏蔽措施

屏蔽裝置可以減少電磁干擾[8]。風機的電氣和電子器件都裝在開關柜，開關柜和控制柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在塔底和機艙的不同設備之間的控制線纜應帶有外部金屬屏蔽層。如果機艙外殼為復合材料時，應在機艙外面敷設金屬網格，兼作接閃器和屏蔽之用；為了減少機艙內電子設備受雷電電磁脈沖的沖擊，最好應采用金屬的機艙罩，削弱雷電電磁脈沖對機艙內設備的影響，減小雷電電磁脈沖的強度，同時也可有效的減少雷電電磁脈沖在線路上產生的浪涌脈沖。

對于屏蔽電纜，必須將線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶，這樣屏蔽層對電磁干擾的抑制才是有效的。由于風力發(fā)電機組結構的特殊性，如果能在設計階段就考慮到屏蔽措施，那么屏蔽裝置就可以以較低成本實現。

4.3 軸承

軸承也是最容易受到直接雷擊破壞的部件之一。統(tǒng)計數字顯示，在風機運行時，由于變漿軸承尺寸大、轉速慢，所以一般不會遭到雷擊損壞，而主軸及其驅動部件的軸承尺寸較小，而且轉動速度快，故經常遭雷擊而破壞。

當機組正在運行的時候如果遭遇雷電，軸承部件遭受損壞的可能性就增大。為了避免損壞發(fā)生，在有閃電發(fā)生威脅時，建議短時停止運轉風電機組以保護軸承。同時為了避免雷電在通過軸承時引起的焊接效應，應將其兩端通過碳刷或者放電間隙等裝置橋接起來，加以保護。

4.4 變壓器、變頻器和發(fā)電機

風電機組的配電變壓器與傳統(tǒng)的變壓器不同，雷電電涌問題發(fā)生在變壓器的初級端（低壓端）而非次線端（高壓端）。擊中高壓電網的雷擊會在變壓器的低壓端（400/690V）顯現（耦合進入）。連接發(fā)電機到變壓器的 400/690V輸電纜必須配有浪涌電壓保護器。風電機組的電氣系統(tǒng)主電涌防護器的峰值電流處理能力最小應為180kA（8/20μs）。每相還應具有多個帶獨立熔斷器的后備保護路徑。

4.5 控制系統(tǒng)

從圖1的統(tǒng)計數據來看，控制系統(tǒng)是風電機組中最脆弱的部分。顯然，一個機組遭雷擊后，通過金屬數據纜線，將導致與其相連的其他機組的電子設備，包括整個機組的控制和測量傳感器也可能損壞。風電機組通常在機艙內和塔筒里各安裝有一個微處理器。遠距離數據監(jiān)控則可通過SCADA（監(jiān)視控制和數據獲取）連接實現。

SCADA網絡、機艙控制器和塔底控制器之間的聯系之間以及機艙控制器與中央控制器之間的連接應使用光纖。因為光纖為非導體，所以過電壓在光纖信號線上不能傳播；設計時不要為了增加機械強度而使用植有金屬線的光纖纜線。

如果 SCADA系統(tǒng)一定要使用雙絞銅線，性能良好的接地系統(tǒng)將有助于抑制瞬態(tài)過壓。除此之外，應使用串聯型重型數據線保護器（20kA、8/20μs峰值電流）保護每一個 I/O端口，并直接通過被保護的設備的機殼接地，接地導線不長于15cm（這包括SCADA系統(tǒng)的接合器和控制器界面）。

在風電機組之間運行的 SCADA電纜敷設時，電纜溝內需安裝已接地的裸銅纜線，將所有SCADA纜線的屏蔽層的兩端連接到接地系統(tǒng)上，最大限的的保障機組控制系統(tǒng)的安全。

5 結論

本文是對目前國內兆瓦級風電機組的防雷進行簡單概述，我國風電行業(yè)發(fā)展十分迅猛，但風電行業(yè)在防雷接地方面普遍存在一定安全隱患、防雷問題較多，導致雷擊事故發(fā)生概率較高。尤其是“我國大部分機型都是從歐洲引進的?！倍诘聡葒医y(tǒng)計的雷電數據，不管是頻率還是強度都不能與中國的相比，他們在設計風機自身的防雷系統(tǒng)時沒有考慮中國的情況，致使這些風機在防雷系統(tǒng)設計上有待提高。 我國還沒有風電機組防雷和過電壓保護(包括接地電阻值)的行業(yè)標準，一般情況是參照國際標準。

隨著風電機組單機容量的不斷增大，機組防雷擊的問題越來越重要，希望國家相關部門能夠盡早制定適合中國國情的《風電機組的防雷標準》。

[1]王學良.武漢市雷電目數的時間和地域變化基礎特征[J].湖北氣象,2003(4):21-23.

[2]陳渭民. 雷電學原理[M].北京:氣象出版社,2003.

[3][美]杰克.派克.風能及其利用[M].北京:能源出版社,1984.

[4]GB/T 19271.雷電電脈沖的防護.

[5]IEC62305 Protection against lightning. IEC62305 雷電防護.

[6]中華人民共和國機械部主編. GB 50057-94建筑物防雷設計規(guī)范(2000年版).北京:中國計劃出版社,2001.

[7]IEC/TR 61400-24：2002E，Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protection.

[8]GB 14821.1-93建筑物的電氣裝置.