沿海風電場雷電危害特點和防護對策

林彬 余文馨 陳銘 王志良

摘要 一般在沿海的灘涂或者在海面上建設沿海風電場的風電機組，一些風電機組的高度達到150 m，是雷擊的主要目標，而風電機組中的葉片、機械結構以及軸承則是主要的雷擊對象。雷電一般通過機械效應及熱效應直接的方式損害風電機組，同時還會以電涌過電壓效應及電磁感應效應間接的方式損害風電機組。因此，在制定沿海風電場雷電防護對策時，必須明確其危害的特點，還要評估雷電危害的風險，從而作為風電場雷電危害防護對策的依據，確保防護對策的切實可行。

關鍵詞 沿海風電場；雷電危害；特點

中圖分類號：S761.5 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）12–0-04

Characteristics and Protection Measures of Lightning Hazards in Coastal Wind Farms

Lin Bin et al（Pingtan Comprehensive Experimental Region Meteorological Bureau， Pingtan， Fujian 350400）

Abstract The wind turbines of coastal wind farms were generally built on the coastal mudflat or on the sea. Some wind turbines were 150m high， which was the main target of lightning strikes， while the blades， mechanical structures and bearings of wind turbines were the main targets of lightning strikes. Lightning generally damages wind turbines through direct mechanical and thermal effects， as well as indirect methods such as surge overvoltage effects and electromagnetic induction effects. Therefore， before formulating lightning protection measures for coastal wind farms， it was necessary to clarify the characteristics of their hazards and evaluate the risks of lightning hazards， in order to serve as the basis for lightning protection measures for wind farms and ensure their practicality and feasibility.

Key words Coastal wind farms; Lightning hazards; Characteristics

風力發電是當前發展規模最大、最為成熟的一種可再生能源發電技術，當前已經建設在海上或沿海區域，但一般距離海岸線均在20 km以內。沿海風電場通常均會選擇潮間帶，主要是因其施工成本相對較低，并且與變電站中心距離較近，向陸地輸送電能的成本較低。由于風電機組較高，并且有很多金屬部件，尤其是近年來在建設風電機組時，為了獲取更多的風能，機組的葉輪直徑持續增大和輪轂高度持續上升，進一步提高了風電機組遭受雷擊的概率。若發生雷擊事故，則會導致嚴重的傷亡事故和經濟損失發生[1]。當前，沿海風電機組雖然具備防雷優勢，海水電阻率比土壤電阻率更低，具備良好的接地散流條件，且對海底線路沒有影響，但沿海風電機組的防雷劣勢比較明顯，機組高度達到150 m以上、沿海預計雷擊次數可能更多、機組處于雷擊概率高的場地。因此，在建設沿海風電場時必須明確雷電危害及其特點，并對沿海風電場建設項目的雷電危害進行風險評估，在此基礎上制定相應的防護對策，從而提升沿海風電場運行的安全性，實現沿海風電場的經濟效益。

1 沿海風電場雷電危害的特點

1.1 雷電危害的頻次高

雷電危害的頻次高主要是由2個方面決定的。一方面，沿海地區多會出現強對流天氣，在空氣濕度充足的情況下，陽光將空氣加熱，從而形成飽和水蒸氣，形成積雨云造成我國沿海地區多雷電的主要原因。同時，積雨云還會轉化成帶電雷雨云，主要是因為空氣上下存在較大的強對流，加上沿海地區的風力較大，造成積雨云之間形成激烈運動，并在運動中產生摩擦，在雷電高發的條件下，沿海地區的風電機組受雷電危害的頻次較高。另一方面，沿海風電場雷電危害主要分為直接危害和間接危害，直接危害主要由機械效應和熱效應所致，間接危害則是由雷電的電磁感應和靜電感應所致的。可見，雷電危害的成因較多，每增加一種成因，雷電危害的發生概率就會增加，從而導致雷電危害的頻次較高。

1.2 雷電災害造成的損失嚴重

當沿海風電機組受到雷擊后，雷電流會先落到塔頂，然后向塔底傳遞，這一方向的通路路徑較多，如塔筒、塔筒內部電纜屏蔽層、防雷引下線等。受雷擊過程中暫態電位的抬高效應，會使塔頂控制盒、電機外殼附帶高電位，從而損壞控制盒電子電路以及電機繞組[2]。

同時暫態電位抬高將會與附近金屬體產生電位差，若該電位差達到一定程度時，會擊穿兩者間的空氣間隙，導致金屬體附帶高電位，對機組中配置的電子設備以及電氣設備產生較大的破壞。此外，雷電流通過接地體形成暫態高電位，并且會沿著電纜屏蔽層向沒有受到雷擊的機組傳遞，從而導致這些機組的電子設備和電氣設備同樣受到損壞。在上述過程中受到損壞的電子設備、電氣設備以及其他裝置的造價昂貴，因此，雷電災害造成的經濟損失較大。

雷電流不僅會對風電機組的電子設備和電氣設備產生損壞，還可對風電場范圍內的人員產生傷害，當人處于受雷擊的風電機組周邊一定范圍內，其兩腳之間便會產生一定電位差，即跨步電壓，其會通過兩腳對人體產生作用，從而對人身安全造成影響。

1.3 規避難度大

沿海風電場若要避免雷電對機組設備設施以及人員安全造成的威脅，必須聯合當地的氣象部門做好天氣監測，并且需要開展實時監測，主要是因為沿海地區的氣候環境比較復雜，天氣變化多端，需要通過實時監測掌握天氣情況，為雷電防護工作提供支持。目前，針對沿海風電場水文氣象監測系統已經開始研發，但并未得到全面推廣與應用，導致氣象檢部門與風電相關企業聯系不緊密，或是無法為其提供實時監測。造成沿海風電場規避雷電的難度較大。同時在開展沿海風電場雷電風險防護的過程中，還要重視雷電風險評估，結合所在區域雷電活動規律，計算雷擊風電機組及其附近的年預計次數、雷擊機組線路及其附近的年預計次數、機組雷擊風險等，計算項目較多，風險評估的難度也較大，從而導致雷電風險未能得到有效評估，難以及時有效規避雷電。

2 沿海風電場雷電危害的風險評估

目前，沿海風電場雷電危害風險評估主要是根據IEC 61400-24：2019《Wind energy generation systems - Part 24：Lightning protection》，通過對雷電危害風險進行評估可為沿海風電場風電機組的防護提供支持。具體評估方法主要是通過對雷擊風電機組及其附近的年預計次數、雷擊機組線路及其附近的年預計次數、機組雷擊風險等參數進行計算所得。

2.1 雷擊風電機組及其附近的年預計次數

2.1.1雷擊風電機組年預計次數 雷擊風電機組年預計次數的計算公式如下：

ND=NSG×AD×CD×10-6（1）

式（1）中，ND代表雷擊風電機組年預計次數；NSG代表每平方公里雷擊點密度，通常為NG，若多個接地點均會受到雷電影響的情況下，則NSG=2NG；AD代表雷電風電機組有效截收面積；CD代表風電機組位置因子，主要由冬季頻繁出現閃電、地形復雜性以及海拔組成。其中，如果冬季未出現閃電，則冬季頻繁出現閃電這一項取值為0，其他2項正常計算，若存在冬季閃電活動，則可分為低活動、中活動和高活動，取值分別為2、4、6。地形復雜性方面，近似平原地形的復雜性<0.3時，取值為1，丘陵地形復雜性介于0.3～0.4之間時，取值為3，山地地形復雜性>0.4時，取值為4。海拔在800 m以下時，取值為0；海拔為800～1 000 m時取值為1；海拔在1 000 m以上取值為2。根據上述標準，沿海風電機組位置因子為1。

2.1.2 雷擊風電機組附近年預計次數

雷擊風電機組附近年預計次數的計算公式如下：

NM=0.5×NSG×AM×10-6（2）

式（2）中，AM代表雷擊風電機組附件有效截收面積，由于當前沿海風電機組的高度一般均超過了100 m，因此該值可忽略不計。

2.2 雷擊機組線路及其附近的年預計次數雷擊機組線路年預計次數的計算公式如下：

NL=NSG×AL×CI×CE×CT×10-6（3）

式（3）中，AL代表雷擊風電機組線路有效截收面積；CI代表風電機組線路設施因子，若屬于架空線路則取值為1，若屬于埋地線路則取值為0.3；CE代表線路環境因子；CT代表線路類型。由于沿海風電場風電機組線路均為海底線路，則雷擊機組線路年預計次數為0，但實際上仍需考慮不在海底范圍的線路受雷擊風險。例如，沿岸到陸地變電所之間的線路便需要考慮雷擊風險，而雷擊機組線路附近的年預計次數也與之相同。

2.3 機組雷擊風險評估

風電機組的雷擊風險可以按照如下方程式評估：

RX=NX×PX×LX（4）

式（4）中，NX代表一年之內出現的危險事件數量，即上述各年預計次數之和；PX代表損壞率；LX代表損失率。而風險R則屬于各風險分量構成的總和。各風險分量包括的具體內容可歸結如下。

2.3.1 人身傷害風險 人身傷害風險主要包括雷擊風電機組所致或雷擊風電機組線路所致。前者主要依據雷擊風電機組產生的接觸和跨步電壓對人身造成的傷害概率及損失率、人員處于危險位置概率、暴露人員受直接雷擊傷害的概率進行評估。其中，在對雷擊風電機組產生的接觸和跨步電壓對人身造成的傷害概率進行計算時，需要明確相應的概率值，當無任何防護措施時，概率值為1，在設置警示牌的情況下，概率值為10-1，若外露部分進行電氣絕緣處理時，概率值為10-2。同時還要確定土壤或地面類型的縮減因子，具體如表1所示[3]。

若沿海風電機組采用雷電防護系統，則雷擊風電機組產生的接觸和跨步電壓對人身造成的傷害概率為0。而對于損失率而言，則包括接觸和跨步電壓所致損失（LT）、直接雷擊所致損失（LD）、火災所致人身損失（LF1）、火災所致社會損失（LF2）、內部系統故障所致損失（LO），各類損失的平均值如表2所示[4]。對于暴露人員受直接雷擊傷害的概率分為靠近暴露邊界區域和遠離暴露邊界區域，前者的位置因子為0.9，后者為0.1，暴露邊界區域即距離暴露邊界3 m之內。

而對于雷擊風電機組線路所致人身傷害風險則需要等電位連接必須考慮雷電防護水平，還要考慮設備耐沖擊電壓。

2.3.2 結構組件物理損壞風險 此類風險的成因也是由雷擊風電機組或雷擊風電機組線路所致。當雷擊風電機組的型式為復合材料時，產生危險火花的概率為1，而鋼混結構或者是互聯金屬制品則為0.5。而雷擊風電機組線路造成結構組件物理損壞風險則需要考慮結構組件物理損壞概率、人員處于危險位置概率等指標。

2.3.3 內部組件系統故障風險 內部組件系統故障風險受雷擊風電機組所致時，需要確定雷電防護水平，從而確定相應的函數概率，具體如表3所示[5]。需要注意的是，只有當防雷措施對風機輪轂、機艙和塔架進行保護時，或者當具有連續金屬框架或鋼混框架作自然保護措施且滿足相關等電位連接以及接地要求的情況時，安裝協調配合匹配的防雷系統才能有效降低系統故障概率。

2.3.4 案例分析 （1）工程概況 中廣核新能源平潭海上風電場，實際用海面積0.471 km2，水深 為6～30 m，裝機容量240 MW，單機容量4 MW，風機高度加上風葉的153 m，Td=53 d，風機線路有穿鋼管屏蔽，配電箱有安裝浪涌保護器。

（2）機組雷擊風險評估量算。對NX進行計算主要根據某地區的面積以及該地區出現累計次數，即NX=D/SD。依據目前的技術水平和條件，D和S都可以得到較為精確的數值，因此用D和S去計算得到的NX值，通過查閱相關資料得到NX=5；對于PX需要根據上述人身傷害風險、結構組件物理損壞風險以及內部組件系統故障風險。根據該工程實際情況可以得出，該工程設置了警示牌，且外露部分做電氣絕緣處理，因此在人身傷害風險方面的PX值為10-2，而人身傷害造成的損失即直接雷擊損失LX值為0.1，該工程的結構組件為鋼結構，因此其損壞風險LX值為0.5，對于內部組件系統故障風險方面，該工程的機組組件雷電防護水平為I級，根據表3可取值為0.01。因此，該機組的累計風險評估量算值即RX=5×10-2×0.1×0.5×0.01=0.025‰。說明該機組雷擊風險較低。

3 沿海風電場雷電危害防護對策

若要有效降低沿海風電場雷電危害風險，還必須積極采取有效的防護對策，針對沿海風電場機組容易受雷電危害的部件和部位制定相應的防護對策，從而確保機組盡量規避雷電危害風險，確保沿海風電場得以穩定、安全地運行。

3.1 葉片和軸承的雷電防護

沿海風電機組葉片使用的主材為玻璃纖維或是碳纖維的增強材料。如果未將導電體設置其中，或未對葉片表面開展金屬化處理，則雷擊一旦發生將會帶來嚴重的災難性后果。因此，需要在機組葉片的物理結構上面實施防雷設計措施，可以在葉尖部位安裝接閃器，同時和埋設在葉片中的引下線之間相互連接，然后在軸承位置加設絕緣墊層，從而改善軸承灼蝕情況。根據IEC 61400-24標準給出的葉片雷電保護設計方案（圖1a），可以進行如下設計（圖1b）。

具體還應該根據葉片的長度合理確定接閃器位置。在葉片長度小于20 m的情況下，可以在葉片尖端設置1個接閃器；當葉片長度介于20～30 m之間時，可分別在葉片尖端、壓力邊和吸力邊各設置1個接閃器，但要確保壓力邊和吸力邊的接閃器與葉片尖端接閃器保持一定距離，一般均勻分布即可；當葉片長度介于30～45 m之間時，可在葉片尖端設置1個接閃器，在壓力邊和吸力邊處分別均勻設置2個接閃器；當葉片長度大于45 m的情況下，葉片尖端處應設置1個接閃器，而壓力邊和吸力邊則需要各設置3個接閃器，且需要確保均勻設置。

3.2 機艙雷電防護

葉片防雷可對機艙起到一定的防雷保護作用，一般情況下，在葉片上設置的接閃器以及引下線可將來自機艙上方以及前方的雷電下行先導，但為了更加有效地規避雷電危害，還應該在機艙的尾部位置設置接閃桿。這一設置不僅能夠有效保護艙尾風速風向儀，還能有效保護機艙罩，使其避免直接遭受雷擊。若葉片上方并未制定任何防雷措施，則應該在機艙的尾端和前端分別設置接閃桿，在必要的情況下，還需要在艙罩表面位置設置金屬網以及金屬帶，從而增強防雷保護的整體效果。很多機艙罩的制備材料均為金屬，這就相當于法拉第罩，可對機艙內部的設備進行有效屏蔽，發揮雷擊防護作用，但是機艙尾部必須設置接閃桿，從而有效保護風速風向儀。此外，機艙內部不僅要對設備進行絕緣隔離，還要對全部設備和機艙底板進行電氣連接，從而達到等電位效果，目的在于避免各類設備與部件之間受到雷擊時形成過大暫態電位差，從而避免受到反擊[6]。

3.3 接地系統的設置

海水電阻率要低于多數土壤電阻率，若離岸基礎屬于單樁或金屬鋼混基礎，則可以滿足接地系統的要求，這種情況下無須采取額外措施。除了將電力收集裝置電纜屏蔽與兩端本地接地之間連接，一般無須進行海上基礎互連。但因腐蝕問題，海上不可使用銅制外部接地系統。而對于在陸地上設置的沿海風電機組則需要設置接地系統（圖2），并且防雷接地也是當前各大風電設備廠家提出的防雷參數要求，當前東汽、金風、海裝以及華銳等風電設備制造企業提出風力發電機的接地電阻必須介于2～4 Ω之間，而國外的歌美颯和維斯塔斯對接地電阻的要求必須達到2 Ω，對于海上風力發電機而言，其接地電阻應為10 Ω。在實際設置時，還需要設計接地網，所選材料為鍍鋅扁鐵，其最小橫截面要求為40.0 mm×4.0 mm。

3.4 等電位連接的設置

為了減少各類金屬設備之間存在的電位差，需要對機組外露金屬部分在自然連接狀態下無法確保電器傳導性連續時進行等電位連接。等電位連接的重要部位包括電纜托架、機艙電氣設備、各節塔筒法蘭連接位置、輪轂內部的電氣設備、塔筒底部內的電氣設備、變流柜支架、水冷散熱器、塔筒外部設備以及爬梯等。

3.5 電涌過電壓保護措施

電涌過電壓保護是沿海風電機組必要措施之一，需要在風電機組中加設電涌保護器。電涌保護器一般也被稱為浪涌保護器，依據其對電子設備和電氣設備的保護功能進行劃分，可劃分為信號電涌保護器和電源電涌保護器，分別設置在通信線路和供電線路上，避免雷電電涌過電壓通過風電機組線路對電子設備和電氣設備。同時，還需要依據風電機組塔內線路屏蔽情況合理選擇方案確定電源的電涌保護器標稱放電電流。此外，為使機組變壓器高壓出線端開展電涌防護，避免電涌過電壓通過高壓線路侵襲變壓器，還需要在高壓的出線端加設電涌保護器，即避雷器。無論是何種電涌保護器，從結構來說存在差異的可能性較大，但最少必須含有1個非線性電壓限制原件，并且各類電涌保護器的保護機理是相同的，可有效保護電子設備和電氣設備。

3.6 安裝并使用雷電預警系統

安裝海上風電場雷電預警系統可以按照預警信息及時做好防護，從而降低雷電災害風險，該系統警戒范圍應為10～15 km，若風電場在使用多個雷電預警系統的情況下，可以利用系統進行組網，從而擴大雷電預警探測范圍。風電場雷電預警系統在警戒范圍內監測到電場出現的動態變化且達到預警限值的情況下，便會發出相應等級的預警信息，從而根據預警信息進行防護，確保沿海風電場設施設備以及附近人員的安全。

4 結束語

沿海風電場機組易遭到雷電危害，并且其受到的雷電危害具有頻次高、損失重、規避難度大等特點，相關人員必須掌握風電機組雷電危害風險的評估方法，還要采取有效措施有效防護風電機組的整體結構，重點對葉片、軸承、機艙等金屬構件進行防護，加強基礎設置、等電位連接設置和電涌過電壓保護，從而全面保障風電機組運行的安全性，避免對人和周邊生物造成傷害。

參考文獻

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