摘 要：隨著我國風力發電事業的迅猛發展，風電機組的單機容量已經達到MW等級的水平，因而風電機組運行的安全性逐漸受到社會的重視。如今，隨著對電能的需求越來越大，使得風電機組的容量也在不斷的加大，因此就需要直徑更大的風輪并且提高離地距離，再加上風電機組往往安裝在氣候條件惡劣的山頂或是開闊地帶，從而增加了風電機組遭受雷電襲擊的幾率。本文就對風電機組的防雷問題進行簡要的分析、探究。

關鍵詞： 風電機組；雷電；防雷

一、雷電的形成

雷電在形成的過程里，空中的冰晶、塵埃等物質在大氣運動中，發生劇烈的摩擦生電及云塊切割磁力線。正電荷積聚在云層的某些部分中，而云層還有一部分會積聚負電荷，在運動的過程中，當強大的電場將異性帶電中心之間的空氣擊穿時，既而形成放電。

二、雷電破壞機理

以下為歐洲的幾個國家所提供的風力發電機數據，其中囊獲了四千臺以上的風力發電機數據。列表1，是瑞典、丹麥和德國三國的風力發電機事故的匯總表。風力發電機因遭受雷擊所導致損壞的數量，每一百臺里平均每年3.9-8次。從統計數據上來看，在北歐的風力發電機組中，每一百臺里每年有四臺至八臺，因遭受雷擊而導致損壞。

針對風力發電機的各個不同部件其遭受雷擊的損壞情況進行研究、分析，可為風電機組的防雷保護工作提供基礎數據。通過分析、探討風機中幾種不同的部件遭受雷擊損壞的關系，發現雖然損害的部件不同，但控制系統的部件遭雷擊損壞占40%到50%。

三、風電機組接地

接地的作用在于保障電力系統的正常運作，并防止人身觸電傷亡。接地還可以保護變配電設備、輸電線路及用電設備絕緣免遭損壞，防止靜電放電的危害、電擊損壞設備，預防火災等。接地的作用主要是體現在是通過接地極的方式，將雷電電流或故障電流快速、自如的導入大地土壤中，從而保護電器設備及人身安全。而大地并非最為理想的導體，其帶有一定電阻率。由此，當外界對大地強制施加某一電流時，大地無法保持等電位，導入大地的電流流經接地體、接地線并注入大地土壤中后，以電流場的形式擴散。

四、風電機組的防雷保護

防雷保護區，作為一項保護措施，其應在防雷保護區的邊界處，將輻射性干擾和傳導性干擾，降低、控制到可承受的范圍內，由此將受保護構筑物的不同部件，劃分成不同的防雷保護區，其具體的劃分結果與風電機組的結構有關，同時還需考慮此結構建筑材料及形式。通過電涌保護器的安裝以及屏蔽裝置的布設，保證風電機組內的電子及電氣設備不受干擾并正常運作。

綜合防雷系統：其可分為外部與內部兩種防雷保護系統。

a.內部防雷保護系統：防雷擊等電涌保護、電位連接、屏蔽措施。

b.外部防雷保護系統：引下線、接閃器、接地系統。

（一）機械部件防雷

1.接閃器

風力發電機遭受雷擊時，其落雷點多數在風機的槳葉上。因此，應預先在槳葉的預計雷擊點上布設接閃器，以此接閃電流。針對設置在機艙頂部的風速計等設施的防雷保護，應采用避雷針的方式，將其安裝在機艙的頂部，從而避免這些設施遭受直接雷擊。

2.引下線

對于金屬塔，可直接將其塔架作為引下線來使用；然而對于混凝土制塔身，應選用內置引下線（鍍鋅扁鋼30×3.5mm，或者鍍鋅圓鋼φ8～10mm）。

3.葉片防雷：對于無葉尖阻尼器結構的葉片，應在葉尖的玻璃纖維外表面上，預制金屬化合物作為接閃器，并與葉片內部的銅導體相連接。此種針對葉片的防雷系統通過了相關實驗，而實驗的結果顯示當電流達到200kA時，葉片無損害。

4.軸承防雷：軸承屬于金屬材質，有良好的導電效果。當雷擊葉片時，大部分雷電流通過主軸承流入塔筒。而對于帶有絕緣層的軸承，電流通過滑環流入塔筒，但滑環無法解決軸承的潛在問題，其只能承載小量電流。

5.風況傳感器防雷：應根據傳感器高度設置避雷針，其分別用16mm2的銅芯電纜連接到各個電位母線上。

6.機艙與部件防雷：機艙罩有很好的防雷效果，但還需在機艙罩后部設一個高于風向儀和風速的避雷針。

（二）電氣部件防雷

1.等電位連接：風標和風速計同避雷針一起接地等電位，發電機、主軸承、齒輪箱等機艙組件，需以合適的尺寸接地帶連接到機艙主框作為等電位。

2.隔離：機艙內的地面控制器與處理器通信，應使用光線電纜連接。引用壓敏電阻保護元件與系統的屏蔽體系相連，從而可以將暫態過電壓波隔離。對于雷區內的傳感器采樣信號，可使用隔離保護線圈，通過RS422、RS232、RS485遠程通信到監控室的數據傳輸線，從而進行數據的隔離。

3.浪涌保護器：穿過偏航軸承的地方和機艙的內部，很容易產生感應過電壓，需要安裝防雷保護器。

4.接地系統：風機的接地系統，有若干個接地棒與一個金屬圓環組成。金屬圓環，需圍繞風機基礎設置，使用50平方毫米以上的銅導體，在距離風機基礎一米，埋置一米深。根據相關規范要求，接地電阻應小于1-2Ω，若有超出需進行降阻措施。

五、設備防雷的預防措施及降阻方法

風電防雷的幾個層面：直擊雷防護；電磁脈沖和電磁感應防護；接地保護。

1. 制定防雷預案

風電場場長應起帶頭作用，做為防雷工作的第一負責人，還應制定完善、具體的防雷預案，以預防為主。同時，確保防雷工作能有效的落實到每一位員工上。

2. 風電機組整機防雷接地系統檢查

根據風機制造商所提供的防雷檢查說明書，應盡可能的在第一場雷電到來之前完成。每年對接地電阻進行一次測量，每個季度都需對防雷系統進行一次檢查。

3. 要重視雷電形成的過電壓

風機受到直接雷擊導引線和引下線并通過接地網引入大地。但從國外雷擊損壞部位統計結果來看，雷電直擊的葉片損壞占15%～20%，而80%以上是與引下線相連的其他設備，受雷電引入大地過程中產生過電壓而損壞。

4.在雷電較多的地區，應著重增加考慮一下防雷接地工作。

（1） 嚴格執行風機、箱變的基礎施工和測量標準。

（2）考慮風機箱變接線組別對防雷的影響，采用Yzn11組別變壓器的防雷效果更好。

（3）加強箱變的外絕緣處理。

風電場防雷是一個系統和復雜的工程，需要從設計和施工、驗收、運行、管理等幾方面統籌全面考慮和把關，才可以有效的防止雷擊，保障人員和設備安全，減少由于雷擊造成的電量損失。

5.屏蔽措施

屏蔽裝置的作用是減少電磁干擾。因風力發電機其結構的特殊性，若能在設計時就考慮到屏蔽措施，從而屏蔽裝置就可以以較低的成本實現。應將機艙制成一個金屬的封閉殼體，有關的電氣及電子器件都裝在開關柜，控制柜和開關柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在機艙和塔基的不同設備之間，其線纜應帶有外部金屬屏蔽層。對于干擾的抑制，只有在線纜屏蔽的兩端都與等電位連接帶相連接時，屏蔽層對電磁干擾的抑制才能有效。

6.接地網工程實用降阻方法

（1）擴大主接地網面積。

（2）外延接地網。

（3）引外接地。

在引外接地中，有一種新接地網工程實用降阻方法（穆萊克勒-x（Moleculer-x）接地法），穆萊克勒（moleculer）接地法是在分子層面對雷電流進行解讀，然后在分子層面構建等量級的電荷運動通道，來為雷電流提供自由運動的通道，再與相同數量級的異性電荷中和來達到接地安全的方法；方法的實現有兩個組成部分：

1）要構建一個多維萬向的電荷自由運動通道。

2）必須提供相同數量等級的電荷儲備，以便在雷電狀態下能夠迅速中和達到安全。構建萬向通道材料需要具備如下特征：

（a）能夠與金屬緊密結合

（b）能夠與介質緊密結合

（c）能夠多維的運動通道

（d）保水性強以利于長期穩定運行。

柔性接地體同時能夠最大限度降低介質的電阻率，降阻系數能達到 0.16（經國家質檢中心檢驗可以達到0.16）。其可以獲得最多的異性感應電荷，能夠在瞬間中合雷電泄放電流。柔性接地體選取了電涌性能極好的載體這樣能夠充分保證電荷在載體中的通過性。

（作者單位：華電（福清）風電有限公司）