大風機雷電防護分析研究綜述

李鵬飛,張春龍,楊仲江

（1.黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江哈爾濱150030；2.中國氣象科學研究院高緯度雷電研究實驗室，黑龍江哈爾濱150030；3.南京信息工程大學雷電高壓實驗室，江蘇南京210044）

大風機雷電防護分析研究綜述

李鵬飛1,2,張春龍1,2,楊仲江2,3

（1.黑龍江省氣象災害防御技術中心，黑龍江哈爾濱150030；2.中國氣象科學研究院高緯度雷電研究實驗室，黑龍江哈爾濱150030；3.南京信息工程大學雷電高壓實驗室，江蘇南京210044）

風能作為一種清潔可再生能源，已成為我國能源戰略發展結構重要組成部分。風機是將風能有效轉化為電能的主要裝置，中國風機裝機總量發展迅猛，已經躍居世界第一位。由于風機的高度、裝備數量以及安裝位置等因素，其遭受雷擊的概率極高。本文基于雷電擊中風機的可能性、危害方式以及風機雷電防護主要的注意事項三個方面對風機的雷電防護進行系統研究，為風機防雷提供合理切實指導建議，減少雷電災害對風機的損害與降低風機后續維護的人員、經濟投入比例，節約成本。

風機;雷擊;可能性;危害方式

1 引言

全球面臨的能源緊缺問題已經迫在眉睫，如何在現有條件下最大化尋找一種清潔的可再生能源，已是各個國家能源問題的重要計劃方針。而近年來科技制造水平的突飛猛進，也同樣給風力發電技術提供了前所未有的可能性。因此，近些年來我國的相關政策出臺，包括《可再生能源中長期發展規劃》和《促進風電產業發展實施意見》等政策，給我國風電產業的發展帶來了新的機遇與實踐。尤其以東北、青藏高原、內蒙古以及東南沿海等地區裝載量巨大，目前，中國風機裝機總量已經躍居世界第一。

受風能資源分布影響，一般風機主要架設在周圍環境較為空曠的高海拔或者沿海等高風能地區，加之目前風機頂點高度已經突破100 m，導致風機尤為突兀，遭受雷擊的事件愈發頻繁。同時，因交通條件不甚便利，進一步增加了風機雷擊損害后期維護的成本投入與難度。據相關統計表明，目前中國運行風電機組的雷電事故損壞率遠高于歐洲國家統計平均值。因此，進行大風機的雷電防護分析研究、確保設備可靠運行具有極其重要的現實意義。

2 雷電擊中風機可能性研究

雷電形成的必備條件之一是云中具有大量的電荷。當云的電荷不斷地聚散，會導致空氣中電場的變化。此時，由于靜電感應作用，會在其他金屬等物體上感應出極性相反的電荷，特別是風機的葉片，由于其具有一定的高度和長度，因此可以近似的看成葉片是相對于云中電荷的另一個很大的電極體，這樣在電極體周圍會導致空氣中電場畸變，造成空氣發生游離，進而滿足了自持放電的形成條件而發生氣體擊穿形成流注。這為后期雷電擊中風機提供可能的通道傳輸條件。

3 雷電對風機危害方式研究

一般來講，一次雷電放電的電荷量其實并不是很大，但是由于其形成放電通道以及發生放電的整個過程時間極其短暫，導致其電壓驟變陡度非常劇烈，瞬間可以產生幾萬伏甚至幾十萬伏的高壓，這使被擊中物可能瞬間產生燃燒甚至爆炸，因此具有很大的危害性。其次，由于雷電產生的瞬間，云中電荷放電導致云中電荷發生改變，導致周圍的電磁場也發生改變，導致在金屬線路中產生瞬間過電壓，也可能間接的對弱電等電子信息系統產生損害。因此，就危害方式而言，主要存在兩個方面，第一以雷擊產生的熱效應和機械效應為主的直接危害方式，第二以雷電電磁感應和電涌過電壓效應為主的間接危害方式。

3.1 雷電對風機直接危害作用研究

當風機遭受雷擊的瞬間，雷云與風機之間實際上形成了一個放電通道，雷電直接擊中風機的葉片或者是繞擊中風機的輪轂等位置后，會在瞬間產生陡增電壓，然后通過金屬導體泄放雷電流，其中峰值電流、電流陡度以及轉移電荷等與風機遭受雷擊損壞有著密切的關系。根據歐姆定律可知，雷電流在泄放的過程中，當通過電阻值較大的線路路徑就會產生熱量，如果線路的耐熱性以及線徑的尺寸等原因未達到相關要求，那么可能因熱效應而發生過熱起火。其次，由于雷電流同時會在泄流通道具有機械效應，那么這對風電設施的葉片、齒輪、軸承和傳動部件可造成直接的損壞，引起葉片斷裂、著火，損壞齒輪軸承的表面加速其磨損。有的直擊雷直接擊中風電機艙造成火災，導致機組停運，發生不可復原的毀滅性損害。嚴重危害風電系統的安全可靠運行。近年研究表明，隨著風機的制作工藝水平的提升以及新復合材料的應用，風機的高度與體積的尺寸逐年增加，這使風機遭受雷電損害的概率也隨之增加。

3.2 雷電對風機間接危害作用研究

3.2.1 雷電的靜電感應與電磁感應災害分析

（1）風電場中機組的塔筒、配電設備柜和建筑物屋面金屬構件等。當這些設施上方有大量的雷云聚集，或者是有下行先導產生前，有大量的極性電荷產生，因靜電感應作用會在雷云或者先導附近的導體或者金屬物上感應出極性相反的大量電荷。同樣，聚集的大量電荷在泄放的過程中如果通道路徑中存在電阻過大的部位（如電氣接觸不良），就會出現短暫過電壓，對于絕緣效果不好的部位，可產生局部火花放電，這對風機機筒內的信息系統設備以及風機關聯設備附近的人員來說是一種安全隱患。

（2）在雷云附近的架空輸電（或者通信線纜）上，因雷云過境位置的改變或者雷云對地放電前后電荷量的改變。線纜導體因靜電感應作用而大量積聚的極性電荷將成為無束縛的自由電荷，并對地形成高電位，當自由電荷因雷云位置或者雷云電荷量的改變后向線路的兩側運動，就形成了過電壓波，可傳導到風機艙端。

（3）同樣情況下，通常布置風電機組內部的各種信號線路和電源線路，由于設置的需要，這些線路往往會在機組內部的不同空間位置上構成導體回路和回環。沿各路徑流過的雷電流所產生的暫態脈沖磁場，將會在風電機組內的各種導體回路和回環中感應出暫態過電流和過電壓，損壞回路或回環端接的電子設備和相關器件。

3.2.2 雷電的電涌過電壓災害分析

此外，風電機組遭受雷擊時，風機塔頂雷電流傳遞到塔底，經過接地體泄放到大地的瞬間，其暫態電位抬高、地電位抬高以及跨步電壓和接觸電壓抬升，不僅可能對風電機組中的電氣和電子設備造成危害，而且也可能對風電場中的人員、牲畜造成傷害。

4 風機雷電防護主要的注意事項影響

（1）土壤電阻率影響。由于很多風機安裝在山頂，其底座土壤電阻率較大，需要采取合理的手段降低土壤電阻率對接地電阻的影響。此外，接地方式也是根據實際安裝場地的變化需要合理的進行設計，以求達到電阻的最小值。

（2）等電位連接的影響。等電位連接效果的因素主要有連接方式和連接材料的選擇，連接體要盡可能的短、避免彎曲，否則容易造成機艙內部的弱電電子設備發生大面積損壞，導致后期維護耗費巨大。

（3）屏蔽的影響。由于風機內部各種回路較大，在雷電靜電感應作用下容易在各種回路中產生感應電壓，可能導致回路端電子設備和器件受到損壞。因此需要做好設備以及線路屏蔽保護。

（4）浪涌保護器安裝的影響。需要參照相關要求，對風機電源系統、信號弱電系統進行安裝匹配的浪涌保護器進行過壓保護，一般主要采用三級防護的方式。

（5）風力發電機組內部設施防雷擊起火影響。一旦雷擊發生接近百米高度，消防滅火可行性小。因此，為減緩甚至防止風機內部起火燃燒，在風機內部設備潤滑油、液壓油選用阻燃油，設置溫度監控、火災遠程報警裝置，從源頭減少雷電引發火災的概率，及時跟蹤。

（6）35 kV架空線路的影響。需要提高風機組配電中壓線路的絕緣和防電磁脈沖水平，防止配電線路因直接雷擊（線路附近）或雷電感應而引起線路閃絡和故障，造成跳閘甚至導致相關開關設備受損。

5 結論

綜上所述，風電機組內部結構比較復雜，對雷電災害風險的影響因素很多。雷電防護與檢修過程中，要充分考慮各個因素的影響程度，整體合理的進行研究分析,才能做到防患于未然，降低后期的維護成本與投入。

1002－252X（2017）02－0032－02

2017－3－1

李鵬飛（1989-），男，江蘇省東海縣人，南京信息工程大學，碩士生，助理工程師.