風電場雷擊事故原因分析與改進建議

◎陳珊珊

（作者單位：國華能源投資有限公司）

隨著風電機組容量的增加，風機葉輪直徑和輪轂高度不斷加長，雷電釋放的巨大能量將會燒毀風機控制元器件、擊穿發電機絕緣和損壞葉片，雷擊成為危害風電機組安全運行的最嚴重自然災害。本文通過詳述雷擊對風機損害類型及成因，結合調研現有風電場雷擊事故，提出對應的改進措施。

一、雷擊對風機影響概述

從世界范圍來看，各國風力發電系統都存在一定的雷災問題。隨著風電單機容量和風電場建設規模的的逐年增加，風機的安全穩定性問題尤為突出，影響風機安全穩定運行的原因眾多，其中雷電是風機最為重要的影響因素之一。一方面，風電場所處的自然環境通常比較空曠也極其惡劣，比如風能資源充足的山區，近海和戈壁，這種自然環境可能存在高溫、高鹽霧程度、高濕度等問題。與此同時該種環境中風機的接地條件很復雜，風電場場址的土壤電阻率普遍很高，通過一般的接地設計很難將風機的接地電阻控制在安全標準范圍內。其次，風機自身結構高大，現今世界范圍內新裝設的風機，主用機型的容量通常在2.0-5.0MW之間，大部分新裝風機高度已達100～160m，加之風電機組在運行時槳葉的旋轉作用，使得風機易被雷擊。再次，風機葉片、發電機、電控系統等各部分構造復雜，元器件靈敏度高，易受感應過電壓的危害，由于內部空間有限，與建筑物防雷類別，設備的安裝難以達到建筑物中所規定的最低的雷電安全距離，這對風機內部電子設備的防雷提出了更高的要求。關于雷擊導致的風電機組損壞問題，不同的機構發布的數據略有差異，但是都表明雷電是導致風電機組損壞的主要原因之一，統計數據表明雷擊事故占風電場自然事故中的3/5以上，嚴重威脅風電場的安全穩定運行。

1995年，國際電工委員會就制定了IEC-61662標準。2006年，國際電工委員會重新修訂頒布雷電災害風險評估標準，更名為IEC-62305。其主要內容包括建筑物與服務設施的分類、雷電災害與雷電損失、雷災風險、防護措施的選擇以及建筑物與服務設施防護的基本標準等。同時IEC/TR-61400-24中也給出了防雷需要考慮的因素，主要內容包括風力發電系統的雷擊災害資料統計、雷擊災害風險評估、風電設施和人員安全的雷電防護、風機接地系統等內容。

二、直擊雷對的風機結構的危害

風電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風電機組間的放電過程。雷電直接擊中風電機組時，雷電流會在泄流通道產生熱效應和機械效應，對風電設施的葉片、齒輪、軸承和傳動部件造成直接的損壞，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，機組停運甚至燒毀電機嚴重危害風電系統的安全。雷電流參數中峰值電流、轉移電荷和電流陡度等都與風電機組遭受雷擊損壞有密切相關。在雷電流陡度相同的情況下峰值電流越高，在雷擊瞬間轉移的電荷越多，所攜帶的能量越大；雷電流陡度越大，泄放能量的時間越短，對與被擊中物體的損害越大。隨著風電設施制造技術的不斷發展，風電機的體積和高度不斷增加，風電設施遭受雷擊的幾率也隨之加大。

1.直擊雷對風機葉片造成損壞。

風機葉片材料選擇由過去的木質、鋼材、鋁材等，改進成現在的復合材料。在結構上分為根部、外殼和龍骨個部分，根部由于對結構強度要求較大，一般材料為金屬結構外殼部分，因為要求重量輕一般為玻璃鋼或合成材料；而龍骨材料一般為又輕又結實的玻璃纖維增強復合材料或碳纖維增強復合材料。這些設計雖然使得葉片更輕便結實，是對雷電流的泄放卻很不利，不同材料之間的接合處，電場的畸變程度加劇，容易造成雷擊；另一方面容易導致葉片表面吸附大氣中的灰塵水分，進一步加重沿面閃絡電壓的影響。雷擊發生時在這些地方就會造成極大的損壞。不同地區由于雷電產生機理不同，其雷擊特點也存在差異，如日本沿海風電場冬季上行雷擊問題尤為突出，且多為正極性雷擊。

風機葉片表面狀況對于雷擊損壞程度有明顯影響。表面光滑的葉片在遭受雷擊時，不容易產生較大的電場畸變，不容易引發沿面放電閃絡。閃絡會從表面突入到葉片內部，再從內部穿回表面繼續發展，對于風機葉片損壞程度尤為嚴重。另外風機葉片遭受雷擊的概率與葉片的長度和機艙的對地高度也有很大關系，擊中風電機組的臨界雷電流值也有很大變化，成正比例增長。

2.直擊雷對風力發電機傳動系統造成損壞。

直擊雷擊中風機葉片后，沿著葉片上接閃器傳至風電機的主軸部分。在雷電流泄放過程中，經過軸承時，由于瞬間產生極大熱量，會損壞軸承內的滾子和套圈，導致滾子和套圈表面光滑程度大大降低，加速軸承磨損，進一步嚴重影響軸承運行的流暢性和設備的可靠性。但是由于軸承內滾子和套圈的損害程度不是很大，在雷擊后其影響不會立即導致電機運行失效，但是運行的摩擦加大，日積月累對整個軸承內部會造成嚴重損壞并發生運行失效。不僅如此，在滾子和套圈表面受損壞之后，雷電流在以后相當長的時間內都會泄放流經該處，使得損壞面積不斷擴大，造成軸承本身在機械負荷作用下加速磨損，造成更加嚴重的后果。

雷電流在軸承中的泄放途徑主要有兩個：（1）軸承內負載區，滾子與套圈相接觸的通道；（2）無負載區滾子與套圈之間短氣隙擊穿后的泄放通道。其中最容易遭受雷擊的部分就是負荷區滾子和套圈表面，這是軸承防雷的薄弱點。由于潤滑油介入，滾子與套圈之間直接金屬接觸情況變差，電流傳導性也變差，更容易受到雷電流熱效應的影響產生損失。隨著負荷的加重，滾子和套圈之間的接觸面也會增加，對軸承造成損傷的電流和能量也會增加。

三、雷電流對風機電氣設備的危害

雷電擊于接閃器后，雷電流經引下線、機艙、塔筒以及接地系統泄入大地，但由于雷電流行波幅值較高，電流變化與泄放速度極快，在經過機艙與塔筒時將建立暫態電磁場，此類電磁場通過感應與輻射的方式，影響風機控制系統的正常工作，甚至使控制系統中的電子設備發生嚴重故障。此外，快速變化的電磁場將在塔筒內通信或電力線路中產生幅值較高的暫態過電壓，從而對設備絕緣造成危害。由于這類原因造成風機電氣設備損壞的典型事故如下所述。

廣西某風電場2013年3月有12臺箱變遭受強雷電波入侵，不同程度受損，包括機組箱變低壓側母排燒熔，低壓側熔斷器、浪涌保護器（SPD）連接線受損，低壓側斷路器電源線相間擊穿等，甚至出現了變壓器漏油燃燒，箱體內部嚴重燒損的情況，風電場設備損失較大。2014年5、7月又發生了類似的雷擊事故，損壞3臺風機箱變。其事故原因在于安裝在箱變低壓側的SPD兩端承受的電壓達到較高的數值，且高山上空氣潮濕，可能在SPD等設備表面聚積水氣出現凝露，使其外絕緣發生沿面閃絡甚至擊穿，箱變內相線對地出現放電通道，從而導致相間或相對地（外殼）放電，出現較長時間的工頻續流。在工頻電弧及工頻短路電流的作用下，導致熔斷器、二次設備等進一步破壞。

2015年2月，貴州省某風電場所有風機通訊全無，經檢查發現3#，18#風機光纖接線盒、塔基柜溫控器及塔基指示燈電源線燒毀，其他風機正常運行。事故發生后通過組織雷電災害專家組調查分析，此次事故是由當晚發生的雷電過程所致。該風電場風力發電機組設備損壞的原因主要是通訊光纖防雷屏蔽線未按要求接地，同時風力發電機地網接地電阻未達到設計值要求。雷擊時電流過大導致光纖接線盒起火，通訊中斷，同時感應雷電波將塔基柜指示燈電源線燒毀，造成電源短路，風機400V開關跳閘，風力發電機故障停機。

（1）暫態電位抬高對風電設備危害。

風機葉片或機艙被雷電擊中后，雷電流沿泄放通道，經風電設備接地體對地放電，在整個通道中會出現暫態高電位分布。風電機組受到雷擊時，雷電流從風機葉片到塔底有多條泄放通道，包括塔筒和筒內布置的電纜屏蔽層及專用防雷引下線等。不同的風電機組設計情況不同，制造工藝差距很大，在安裝過程中機艙及塔筒內部各個重要部位等電位連接狀況不同，在雷擊暫態電位抬高效應發生時，從葉片尖端到塔筒底部分布的高電位就會存在很大的差距，當不同部位電位差達到一定數值時，就會擊穿風機設備內部零件之間的空氣間隙，嚴重破壞風機內部設備。

（2）雷電流電磁脈沖對風電設備危害。

雷電擊中風機會在風機塔筒內產生強電磁脈沖，由于風機控制系統和主電源裝置等均安裝在塔筒內，而且塔筒內部空間狹小，電磁波會在塔筒內部不斷傳播反射，會對塔筒內部的設施產生直接輻射危害；電磁脈沖會在塔筒內部各種信號、電源傳導線內部產生感應電流，形成過電流和過電壓波侵入電子設備，這些過電壓損壞會造成風機設備工作失靈或者永久性損壞。所以雷擊過程產生的暫態磁場，通過感應和輻射對風機內部電氣設施造成的危害，是雷電災害風險評估的重要內容。

（3）二次損壞對風電設備危害。

雷電擊中風機時，除了雷電流泄放時的雷電流脈沖和電磁福射影響外，由于沖擊電阻的存在還會產生地電位反擊的損壞。地電位反擊產生分為兩種情況：共網反擊和異網反擊。風電機組設備處于風機塔筒內部，很難做到異網間距的要求，一般都是直接利用風電塔筒接地體，所以風電機組地電位反擊都是屬于共網反擊。

風電機組地電位反擊形成過程如下：雷電擊中風電設備時，由于接地電阻存在，在雷電流作用下沖擊接地電阻迅速增大，隨著雷電流沖擊地電位不斷升高，雷電流脈沖減弱后，地電位達到最大值，此時如果設備接地點與接地體之間的距離較近，等電位連接未達到標準要求時，就會發生放電和閃絡等地電位反擊現象發生，從而危及到連接在這些接地系統上的設備安全。雷擊風機引起地網沖擊電位的升高，在引流點的沖擊電位可以根據公式來計算。

四、改善雷擊對風機危害的建議

綜上所述可以看出，雷電對風機的損壞很復雜，與接地網相關的主要原因有兩方面：

1.風機接地網接地電阻高，散流能力差，導致雷電流不能得到有效泄放，這會導致風機設備的雷電損傷。這種損傷是由直接雷引起的，直接雷擊主要對風機的葉片造成危害，強大的雷電流釋放的巨大能量使得風機葉片溫度升高后劇烈膨脹，造成葉片破裂。對于這類損傷需要對扇葉進行設計從而改善雷擊的危害。對于接地網，需要按照接地網工頻接地電阻小于4Ω沖擊接地電阻小于10Ω設計，使雷電流得到有效泄放。

2.由于接地網沖擊電阻的存在還會產生地電位反擊的損壞。雷電感應和雷電波入侵主要對風機控制系統和電子器件產生過電壓危害，對風機塔筒內通信、控制設備等線路產生感應過電壓。

感應雷的保護主要是對風電機組內易受感應雷擊過電壓破壞的設備加裝過電壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設備免受損壞。感應雷擊過電壓防護主要分為電源防雷和信號防雷。

電源系統避雷過壓保護措施采用3級防護，建議安裝電涌保護器[4]。在安裝電涌保護時，應遵循靠近被保護的設備，接地線就近接地的原則。風電機組電源入口部位應裝設第1級電涌保護，將殘壓控制在＜4kV；在發動機的定子、轉子、整流器處安裝第2級電涌保護，安裝位置在塔架配電柜及機艙內，以進行有效的保護；第3級浪涌保護器在上一級浪涌保護器泄放雷電流后殘壓的基礎上對線纜上的雷電流進一步泄放，實現終端能域避雷和頻域避雷的相結合。信號防雷分為防雷粗保護和精細過電壓保護兩級。為了減少接口、降低損耗，一般在同一避雷器內實現多級保護。精細保護的防雷器殘壓更低，可有效的保護各設備。控制、傳感與通信系統都是工作電壓較低的弱電設備，耐過電壓能力低，容易被雷電感應，均需安裝信號防雷器。在配套升壓變高壓側，為了防止雷電侵入波影響，在變壓器高壓側安裝氧化鋅避雷器保護，同時可在低壓側安裝第一級電涌保護器以有效地保護風電機組內部設備免受雷電侵入影響。

除了上述直接保護設備外，還需要采取措施降低感應過電壓或提高絕緣水平，以前文提到的廣西某風電場為例，后續采取了三項措施：

（1）風機引至塔筒底再引至箱變的電纜，應帶有屏蔽層或鎧裝層，且兩端應與接地網牢固連接，可有效降低雷擊風機時箱變低壓側的相對地電位差，對防雷起重要作用。工程建設中不能因降低工程造價等原因而任意取消這段電纜的屏蔽層或鎧裝層。

（2）由于風機箱變低壓側所裝防雷保護器主要是保護電氣一次設備，且所處環境比較惡劣，所以可考慮安裝氧化鋅避雷器進行保護。

（3）對高原山地潮濕氣候箱變，建議進行加強絕緣處理，且絕緣距離要適當加大。

五、總結

雷電對風機的損壞很復雜，本文通過列舉雷電對風電機組的危害類型及成因，提出可以采取改善接地網設計、安裝浪涌保護器及加強絕緣等措施降低感應過電壓或提高絕緣水平。隨著國家“十四五”期間風電事業的迅猛發展，在風機防雷設計及改造方面，創新成果及新技術、新工藝將會進一步被挖掘，雷擊導致的風電機組損壞問題也必將隨之改善。