風(fēng)力發(fā)電在近十幾年發(fā)展的非常迅速。與此同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量也不斷增長(zhǎng)，因此風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行問題也越來越受到人們的關(guān)注。風(fēng)電機(jī)組很多安裝在山谷的風(fēng)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(fēng)電機(jī)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(yīng)造成過電壓的損害。因此，在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，進(jìn)行科學(xué)的防雷保護(hù)設(shè)計(jì)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(jīng)過電器設(shè)備入地的雷擊過電流稱為直擊雷；直擊雷蘊(yùn)含極大的能量，電壓峰值可達(dá)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(qiáng)等特點(diǎn)。

如建筑物直接被雷電擊中，巨大的雷電流沿引下線入地，主要會(huì)造成以下影響：幾十甚至幾百KV的雷電流沿引下線在數(shù)微秒時(shí)間內(nèi)入地的過程中，有可能直接擊穿空氣，損毀低壓設(shè)備。在接地網(wǎng)中，由于瞬態(tài)高電壓的沖擊，在接地點(diǎn)產(chǎn)生局部電位升高，在地網(wǎng)間出現(xiàn)電位差，由此，導(dǎo)致地點(diǎn)位反擊而損壞電器設(shè)備。

地網(wǎng)中的電位差還會(huì)產(chǎn)生跨步電壓，直接危及人們的生命；雷擊產(chǎn)生的沖擊電流沿引下線對(duì)地泄放過程中，還會(huì)在引下線上產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)，耦合到供電線路或音頻線、數(shù)據(jù)線上，產(chǎn)生遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過弱電設(shè)備耐受能力的浪涌電壓，擊毀弱電設(shè)備；雷電流流經(jīng)電氣設(shè)備產(chǎn)生極高的熱量，會(huì)造成火災(zāi)或爆炸事故。

1.2 傳導(dǎo)雷

由遠(yuǎn)處的雷電擊中線路或因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的極高電壓，由室外電源線路和通信線路傳至建筑物內(nèi)，損壞電氣設(shè)備,稱為傳導(dǎo)雷。

1.3 感應(yīng)雷

云層之間頻繁放電產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波，在電源線和信號(hào)線上感應(yīng)極高的脈沖電壓，峰值可達(dá)50KV，稱為感應(yīng)雷。

2 雷電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成的危害

由于風(fēng)電機(jī)組是安置在風(fēng)能資源比較好的復(fù)雜地形地帶，如曠野、山頂?shù)龋h(huán)境比較惡劣，特別是兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的葉片高點(diǎn)甚至達(dá)100多米，不可避免的會(huì)受到自然災(zāi)害的影響，特別容易被雷電擊中。統(tǒng)計(jì)表明，雷電災(zāi)害是威脅風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行和風(fēng)場(chǎng)效益的重要因素之一。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，德國(guó)、丹麥和瑞典等國(guó)風(fēng)電機(jī)組共發(fā)生雷擊故障事件如表2-1所示。其中包含了超過4000臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)。由雷擊導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機(jī)損壞數(shù)量，每100臺(tái)平均每年3.9次到8次。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在北歐的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，每100臺(tái)每年有4-8臺(tái)遭受雷擊而損壞。

表2-1 雷擊損壞頻率表

• 注：德國(guó)、丹麥和瑞典都是雷電活動(dòng)少的地區(qū)，我國(guó)的雷電活動(dòng)與他們比更加頻繁。

目前，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，輪轂高度也就越來越高，整個(gè)風(fēng)機(jī)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(fēng)險(xiǎn)，下圖是國(guó)外早期統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組各部件遭受雷擊概率圖：（圖中縱坐標(biāo)為故障率百分比%，橫坐標(biāo)為機(jī)組各部件）。

圖2-1風(fēng)電機(jī)遭受雷擊各部件的故障率統(tǒng)計(jì)

從上圖中看出，風(fēng)機(jī)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(yīng)用，新生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組和早期風(fēng)電機(jī)組遭雷擊損害的程度有了很大的不同。

早期的風(fēng)電機(jī)組最常見的損害是控制系統(tǒng)，而新生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)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(hù)已取得明顯的改善。根據(jù)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)，雷擊造成的損壞中除了機(jī)械損壞之外，風(fēng)機(jī)中電氣控制部分包括：變頻器、過程控制計(jì)算機(jī)、轉(zhuǎn)速傳感器、測(cè)風(fēng)儀等，也經(jīng)常遭到損害； 這對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主來說，必須采取相應(yīng)措施保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 風(fēng)電機(jī)組防雷概述

從風(fēng)電機(jī)組防雷研究成果上看，對(duì)外部直擊雷防護(hù)，重點(diǎn)是放在改進(jìn)葉片的防雷系統(tǒng)上；而對(duì)內(nèi)部的防雷，即過壓、過流保護(hù)，則由風(fēng)機(jī)廠家設(shè)計(jì)完成。此外,國(guó)內(nèi)和國(guó)外風(fēng)機(jī)廠家實(shí)際設(shè)計(jì)所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)(包括地網(wǎng)電阻)都有很大差別。所以,這樣形成的風(fēng)機(jī)制造在產(chǎn)品上就留下某些薄弱環(huán)節(jié)。

為了改進(jìn)風(fēng)機(jī)的防雷性能,首先要確定合理統(tǒng)一的防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，明確防止外部雷電和內(nèi)部雷電(過電壓)保護(hù)的制造工藝規(guī)范，這是提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷性能的基礎(chǔ)。在我國(guó)，大力發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，必須非常急迫和必要的盡快建立風(fēng)電行業(yè)(包括風(fēng)機(jī)防雷)技術(shù)規(guī)范。

3.1 風(fēng)電機(jī)組雷電保護(hù)區(qū)域劃分

將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)( LPZ)，以規(guī)定各部分空間不同的雷擊電磁脈沖的嚴(yán)重程度，并指明各區(qū)交界處的等電位連接點(diǎn)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(nèi)物體易遭到直接雷擊，因而可能必須傳導(dǎo)全部的雷電流。本區(qū)內(nèi)電磁場(chǎng)沒有衰減。

LPZOB:雖然本區(qū)內(nèi)物體不易遭到直接雷擊，但區(qū)內(nèi)產(chǎn)生未被衰減的電磁場(chǎng)。

LPZ1:本區(qū)內(nèi)物體不易遭到直接雷擊，本區(qū)內(nèi)所有導(dǎo)電部件上的雷電流比在LPZOB區(qū)內(nèi)的雷電流進(jìn)一步減小。本區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)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(jìn)一步減小傳導(dǎo)電流或電磁場(chǎng)，就應(yīng)引人若干后續(xù)防雷區(qū)。應(yīng)根據(jù)被保護(hù)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(gè)數(shù)。通常，防雷區(qū)序號(hào)越高，其電磁環(huán)境參數(shù)就越低。風(fēng)電機(jī)組中需要防護(hù)的空間劃分成不同防雷區(qū)的一般原則如圖3-1。

圖3-1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷區(qū)域劃分

3.2 風(fēng)電機(jī)組外部防雷保護(hù)

風(fēng)機(jī)的外部防雷保護(hù)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(duì)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的損壞以及火災(zāi)危險(xiǎn)。

3.2.1 外部防雷

一般雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)的落雷點(diǎn)是在風(fēng)機(jī)的葉片，因此應(yīng)預(yù)先布置在葉片的預(yù)計(jì)雷擊點(diǎn)處以接閃雷擊電流。通過導(dǎo)電元件將閃電電流導(dǎo)向輪轂，避免電弧留在葉片內(nèi)部。

在葉片內(nèi)部，雷電傳導(dǎo)部分將雷電從接閃器導(dǎo)入葉片根部的金屬法蘭，通過輪轂傳至機(jī)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(jī)架，釋放掉雷擊過電壓。 通過試驗(yàn)和對(duì)遭受雷擊的葉片進(jìn)行分析證明，長(zhǎng)度小于30m的風(fēng)機(jī)葉片可在葉片表面應(yīng)至少安裝一個(gè)接閃器，而長(zhǎng)度大于30m 的轉(zhuǎn)子葉片則建議設(shè)置安裝多個(gè)接閃器。這樣比在頂端安裝單個(gè)接閃器能更好地保護(hù)葉片。

實(shí)際應(yīng)用中，有的廠家在輪轂的頂部增加一個(gè)接閃器，來保護(hù)葉片根部；如圖3-2。其目的是防止直擊雷或側(cè)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?biāo)桨惭b，是否可以達(dá)到避雷針豎直安裝的防雷效果，還有待進(jìn)一步研究。

圖3-2風(fēng)機(jī)葉片接閃部分

（2）機(jī)艙防雷

在野外環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)組，易受到雷擊的點(diǎn)必須得到足夠重視。不能依靠“滾球法”，因?yàn)檫@種方法并未在風(fēng)電機(jī)組上得到評(píng)估或驗(yàn)證。閃電會(huì)打擊到機(jī)組每一個(gè)部位。比較容易忽視的區(qū)域是機(jī)艙背部的結(jié)構(gòu)支撐部位。

位于機(jī)艙背部頂端的風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)、外部的信號(hào)燈（圖中省略未畫出）等電子器件很容易因雷擊而損壞。 如圖3-3大地與云層之間的空氣在圖中指定點(diǎn)的避雷器被擊穿時(shí)有可能擊中機(jī)艙背部。

圖3-3風(fēng)機(jī)機(jī)艙避雷器

國(guó)內(nèi)各個(gè)風(fēng)機(jī)廠家機(jī)艙防雷方法也各不相同。很多風(fēng)機(jī)的機(jī)艙背部電子器件也只是用避雷器。

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

另外，由于風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)還有可能受感應(yīng)雷入侵而損壞。建議風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)和信號(hào)燈加相應(yīng)的浪涌電壓保護(hù)器防止過壓對(duì)控制器部件造成損害。

3.2.2 引下線

風(fēng)機(jī)的塔架一般為鋼柱結(jié)構(gòu)，可以直接將塔架當(dāng)作引下線來使用，因?yàn)樗転槎喙?jié)連接而成，所以每節(jié)塔架之間需要用導(dǎo)線連接。如圖3-5所示。

圖3-5每節(jié)塔架之間的電纜連接

3.2.3 接地網(wǎng)系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地由塔基的基礎(chǔ)接地極提供，環(huán)繞風(fēng)力發(fā)電機(jī)外圈的環(huán)形接地部分需要與塔筒相連。塔筒的鋼結(jié)構(gòu)必須與風(fēng)電機(jī)組接地系統(tǒng)融為一體。接地部分必須與所有的驅(qū)動(dòng)電極、地下金屬結(jié)構(gòu)以及接地系統(tǒng)相互連接。

在一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中，所有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的接地系統(tǒng)都必須相互連接，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)狀接地體。這樣就形成了一個(gè)等電位連接區(qū)，當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)就可以消除不同點(diǎn)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(diǎn)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4Ω。必須每年進(jìn)行一次檢查，以確定是否出現(xiàn)斷裂、連接松動(dòng)、銹蝕和/或接地電阻的改變等情況，確保任何時(shí)候都保持良好的狀態(tài)。

4 風(fēng)機(jī)內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)

內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)是由所有的在該區(qū)域內(nèi)縮減雷電電磁效應(yīng)的設(shè)施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護(hù)等。

4.1 等電位連接

防雷保護(hù)設(shè)計(jì)中，防雷區(qū)LPZ0與LPZ1、LPZ1與LPZ2區(qū)的界面處均應(yīng)作等電位連接。另外，線路的所有導(dǎo)體應(yīng)直接或非直接連接。相線應(yīng)采用電涌保護(hù)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(yīng)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。防雷擊等電位連接是內(nèi)部防雷保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，所有導(dǎo)電的部件都被相互連接，以減小電位差。但設(shè)計(jì)等電位連接時(shí)，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)考慮其最小連接橫截面積。一個(gè)比較完整的等電位連接網(wǎng)絡(luò)也包括電源和信號(hào)線路的等電位連接，這些線路應(yīng)通過雷電流保護(hù)器與主接地匯流排相連。

風(fēng)輪與機(jī)艙間、機(jī)艙與塔筒間、機(jī)架與水平軸間應(yīng)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(dú)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0.03Ω。

4.1.2 屏蔽措施

屏蔽裝置可以減少電磁干擾。風(fēng)機(jī)的電氣和電子器件都裝在開關(guān)柜，開關(guān)柜和控制柜的柜體應(yīng)具備良好的屏蔽效果。在塔底和機(jī)艙的不同設(shè)備之間的控制線纜應(yīng)帶有外部金屬屏蔽層。如果機(jī)艙外殼為復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)在機(jī)艙外面敷設(shè)金屬網(wǎng)格，兼作接閃器和屏蔽之用；為了減少機(jī)艙內(nèi)電子設(shè)備受雷電電磁脈沖的沖擊，最好應(yīng)采用金屬的機(jī)艙罩，削弱雷電電磁脈沖對(duì)機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的影響，減小雷電電磁脈沖的強(qiáng)度，同時(shí)也可有效的減少雷電電磁脈沖在線路上產(chǎn)生的浪涌脈沖。

對(duì)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(duì)電磁干擾的抑制才是有效的。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的特殊性，如果能在設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

4.1.3 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(jì)數(shù)字顯示，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于變漿軸承尺寸大、轉(zhuǎn)速慢，所以一般不會(huì)遭到雷擊損壞，而主軸及其驅(qū)動(dòng)部件的軸承尺寸較小，而且轉(zhuǎn)動(dòng)速度快，故經(jīng)常遭雷擊而破壞。

當(dāng)機(jī)組正在運(yùn)行的時(shí)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(shí)，建議短時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)電機(jī)組以保護(hù)軸承。同時(shí)為了避免雷電在通過軸承時(shí)引起的焊接效應(yīng)，應(yīng)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(hù)。

4.1.4 變壓器、變頻器和發(fā)電機(jī)

風(fēng)電機(jī)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(jí)端（低壓端）而非次線端（高壓端）。擊中高壓電網(wǎng)的雷擊會(huì)在變壓器的低壓端（400/690V）顯現(xiàn)（耦合進(jìn)入）。連接發(fā)電機(jī)到變壓器的400/690V輸電纜必須配有浪涌電壓保護(hù)器。風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)主電涌防護(hù)器的峰值電流處理能力最小應(yīng)為180KA（8/20μs）。每相還應(yīng)具有多個(gè)帶獨(dú)立熔斷器的后備保護(hù)路徑。

4.1.5 控制系統(tǒng)

從圖2-1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，控制系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組中最脆弱的部分。顯然，一個(gè)機(jī)組遭雷擊后，通過金屬數(shù)據(jù)纜線，將導(dǎo)致與其相連的其他機(jī)組的電子設(shè)備，包括整個(gè)機(jī)組的控制和測(cè)量傳感器也可能損壞。風(fēng)電機(jī)組通常在機(jī)艙內(nèi)和塔筒里各安裝有一個(gè)微處理器。遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)監(jiān)控則可通過SCADA（監(jiān)視控制和數(shù)據(jù)獲取） 連接實(shí)現(xiàn)。

SCADA網(wǎng)絡(luò)、機(jī)艙控制器和塔底控制器之間的聯(lián)系之間以及機(jī)艙控制器與中央控制器之間的連接應(yīng)使用光纖。因?yàn)楣饫w為非導(dǎo)體，所以過電壓在光纖信號(hào)線上不能傳播；注意：設(shè)計(jì)時(shí)不要為了增加機(jī)械強(qiáng)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(yīng)使用串聯(lián)型重型數(shù)據(jù)線保護(hù)器（20Ka、8/20μs峰值電流）保護(hù)每一個(gè)I/O端口，并直接通過被保護(hù)的設(shè)備的機(jī)殼接地，接地導(dǎo)線不長(zhǎng)于15cm（這包括SCADA系統(tǒng)的接合器和控制器界面）。

在風(fēng)電機(jī)組之間運(yùn)行的SCADA電纜敷設(shè)時(shí)，電纜溝內(nèi)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，最大程度的保障機(jī)組控制系統(tǒng)的安全。

5 結(jié)束語

本文是對(duì)目前國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的防雷進(jìn)行簡(jiǎn)單概述，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)發(fā)展十分迅猛，但風(fēng)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(dǎo)致雷擊事故發(fā)生概率較高。尤其是“我國(guó)大部分機(jī)型都是從歐洲引進(jìn)的。”而在德國(guó)等國(guó)家統(tǒng)計(jì)的雷電數(shù)據(jù)，不管是頻率還是強(qiáng)度都不能與中國(guó)的相比，他們?cè)谠O(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)自身的防雷系統(tǒng)時(shí)沒有考慮中國(guó)的情況，致使這些風(fēng)機(jī)在防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)上有待提高。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為王東、趙雙喜 等。）