风力发电行业
第一章 风力发电防雷概述
随着世界各国对可再生洁净能源的研究开发，风能成为当前技术最成熟、最具备规模开发条件的能源。同时它由于具有无污染、投资周期短、占地少等优点, 受到世界各国的青睐。但由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。
由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。以德国风电场遭受雷击的情况为例。德国风电部门对近年来该国风电机组的故障情况进行了统计，其中1992~1999年间风电机组雷击事故情况如表1所示。
由表可见，多年以来德国风电场每100风机年的雷击数基本维持在10 %左右。另外，调查结果还表明，在所有引发风电机组故障的因素中，外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）占16 %以上，其中雷击事故约占4%。
我国沿海地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。例如，红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件，据统计，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20%。为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的防范措施。
风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害等。
第二章 雷击损坏机理
雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。
（1）峰值电流
当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。
（2）转移电荷
物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，降低其使用寿命。
（3）电流陡度
风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系统或电子器件的损坏，其主要原因是感应过电压的存在。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。
第三章 风电机组雷击频率和雷击位置
为了实施有效的雷击保护，需要事先对雷击频率和雷击位置进行预测，从而使雷击保护更有针对性。通常用雷击高层建筑的频度估算方法来估计雷击风电机组的频度。对于高度低于60 m的建筑物，其雷击频度为：
Nd=Ng×Ae×10﹣6
公式中 Ng为年平均落雷密度，表示在所考虑的建筑物所在区域内每年每平方公里的雷击次数；Ae为建筑物的等效面积，。某建筑物的等效面积是指与该建筑物遭受直击雷的频率相同的地表面积，其等值半径为建筑物高度的3倍。以一个50m高的建筑物为例，假定该建筑物位于一相对平整的地面上且远离其它建筑物，则其等效面积为：
Ae=πr2=π（50×3）2=70650m2
估计雷云对大地放电的可能雷击点的位置，可以应用“滚球法”的简化方法。尽管雷击放电具有很大的分散性，“滚球法”得到的结果可能与实际情况存在一定的误差，但该方法还是普遍应用于接地建筑物的防雷设计。IEC标准给出了对应于特定防护水平的滚球半径的大小。将此方法应用于风电机组，则可以推知叶片的大部分、轮毂、机舱的尾部以及部分塔筒均可能成为雷击放电点。图1给出了几种典型的雷击风电机组时可能的放电位置示意图。
发生雷云对大地放电时，雷电很容易击中叶尖，但也有可能击中叶片的侧面或叶片的绝缘部分甚至内部导体。大地对雷云的放电是从顶端开始形成的，非常强烈地表现在叶尖和其它外部突出的点，如机舱上的避雷针、机舱前端和轮毂等部位。如果叶片具有叶尖防雷保护，则向上发展的雷击放电也将集中在叶尖上。由此可见，风电机组遭受雷击时，其雷击点可能分布在机组的许多部位。
第四章 设计依据标准
1、Germanischer Lioyd;Vorschriften und Richtlinien,Kapitel IV:Nichtmaritime Technik,Abschnitt 1:Richtlinie fur die Zertifizierung von Windeenergieanlagen《GL指导文件 IV-1风力发电系统》
《GL指导文件IV-1风力发电系统》是风机安装、测试和认证的标准，该标准也包含了对风机雷电防护的具体要求，是风机防雷保护的基础性文件。
2、IEC61400-24 Wind turbine generator systems-Part 24:Lightning protection《IEC61400-24 风力发电系统防雷保护》
《IEC61400-24风力发电系统防雷保护》定义和描述了风机防雷保护装置及其应用。
3、IEC62305 Protection against lightning《IEC62305 雷电防护》
《IEC62305 雷电防护》具体规定了防雷保护装置的性能指标。
4、《VdS 2010雷击浪涌防护》是德国保险业协会（GDV）的指导文件，它规定风电机组的防雷保护级别至少应为第二级，也就是说，风电机组应能够防护150KA以上的雷电而不损坏。
5、关于雷击风险评估的方法参见《IEC62305-2》。
第五章 风电机组的综合防雷
防雷分区概念
防雷分区概念是在某一界定范围内，为了创造一个特定的抗电磁干扰的环境 (抗EMC环境)所采取的结构性的措施。防雷保护区概念是规划风力发电机综合防雷保护的基础。它是一种对结构空间的设计方法，以便在构筑物内创建一个稳定的电磁兼容性环境。构筑物内不同电气设备的抗电磁干扰能力的大小决定了对这一空间电磁环境的要求。
防雷分区概念作为一个保护措施，它限定了其所定义的边界上的传导及电磁干扰，并力求降至最低。出于这个目的，我们将被保护的物体划分在不同的保护分区内。在划分风电设备的防雷分区时，应充分考虑其结构上的特征。重要的是，要将从外部进入雷电保护区 LPZ0A 区的、起直接作用的雷电参数，通过屏蔽措施以及配置相应的浪涌保护装置，尽可能地减小，以确保风电设备中的电力和电子系统能够无干扰地正常运行。
按照防雷保护分区的概念，一个风电机组综合防雷系统包括：
1) 外部防雷保护系统：叶片、机舱、塔架及引下线、接地网。
2) 内部防雷保护系统：防雷击等电位连接、电涌保护、屏蔽措施。
一、 外部防雷保护系统
1 叶片
风电机组的叶片中，有的叶片并没有设置内部导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增强塑料（GRP）结构或GRP–木结构。运行经验表明，这种类型的叶片经常遭受雷击，并且通常是灾难性的。为此，应在物理结构上采取防雷措施，以减小叶片遭受雷击时的损伤。
（1）无叶尖阻尼器的叶片防雷结构（图2）
对于无叶尖阻尼器的叶片，一般是在叶尖部分的玻璃纤维外表面预置金属化物作为接闪器，并与埋置于叶片内的铜导体相连（铜导体与叶根处的金属法兰连接）。外表面金属化物可以采用网状或箔状结构。雷击可能会对这样的表面造成局部熔化或灼蚀损伤，但不会影响叶片的强度或结构。
（2）有叶尖阻尼器的叶片防雷结构（图3）
对于有叶尖阻尼器的叶片，通常是在叶尖部分的玻璃纤维中预置金属导体作为接闪器，通过由碳纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器的钢丝（启动钢丝与轮毂共地）相连接。这样的结构通过了200kA的冲击电流实验，叶片没有任何损伤。可以预见，这样的叶片遭受雷击的概率要比绝缘材料制成的叶片高，但只要满足下列条件就不会造成很大损伤：①雷击点处的电弧灼烧不产生严重的破坏；②雷电流可以安全地通过导电构件导入地下。这就要求导电构件需要有足够的强度和横截面积。
（3）机舱
如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于实现了对机舱的直击雷防护。虽然如此，也需要在机舱尾部设立避雷针，并与机架紧密连接。即机舱主机架除了与叶片相连, 还连接机舱顶上避雷针, 见图4。避雷针用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。
如果叶片没有防雷保护，则应在机舱的首尾端同时装设避雷针。对由非导电材料制成的机舱中的控制信号等敏感的线路部分都应有效屏蔽，屏蔽层两端都应与设备外壳连接，而且还要避免形成环路。另外，在机舱表面应布置金属带或金属网，且与机架相连接，为工作人员提供安全保护和一定程度的电屏蔽。装设这种带状保护和附加防护，以及位于机舱前部的避雷针等，在绝缘叶片的情况下是非常必要的。
如果机舱是金属制成的，则将机舱与低速轴承和发电机机座相连接，就可以实现很好的安全保护和电屏蔽。提供电气连接的导体应尽量短。
（3）塔架及引下线
专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，因此，雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。
（4）接地网
良好的接地是保证雷击过程中风电机组安全的必备条件。由于风电场通常会布置在山地且范围非常大，而山地的土壤电阻率一般较高，因此按照一般电气设备的接地方式设计风电机组的接地系统显然不能满足其安全要求。风电机组基础周围事先都要布置一小型的接地网，它由1个金属圆环和若干垂直接地棒组成，但这样的接地网很难满足接地电阻须小于1~2欧的要求。通常的改善措施是将风电场内所有的机组接地网都连接起来，以降低整个风电场的接地电阻。由于风电场机组间都布置有电力电缆和通信电缆，因此机组接地网的连接实际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现。另外，还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受雷击时可显著降低风电场的地电位升高，也可减轻雷击对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程度。
接地网设在混凝土基础的周围，见图5。接地网包括1个50 mm2铜环导体，置在离基础1 m地下1 m处；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架2个相反位置，地面的控制器连接到连点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域，地网将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电入地，为人员和动物提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。
图5 接地网
二、 内部防雷保护系统
（1）风轮、机舱、水平轴、尾舵和塔身的等电位连接
机舱外壳应采用钢板制成，作为承受直击雷的载体，按照GB50057-94的要求，钢板厚度必须大于4mm，在机舱的上方安装几支避雷短针，防止雷电发生绕击和侧击时，穿透机舱，对机舱内设备造成损坏。如果机舱外壳为复合材料时，应在机舱外面敷设金属网格，兼作接闪器和屏蔽之用。网孔宜为30cm×30cm，钢丝直径不宜小于2.5mm。必要情况下，需通过屏蔽计算，加大金属网格的密度和铁丝的直径。初步估算，对于0.25/100μs的雷电流，应不小于40db,各网格连接处应焊接以保证电气连接。 风轮与机舱间、机舱与塔柱间、尾舵与水平轴间应通过铆接,焊接或螺栓连接等方法做可靠电气连接，也可以通过单独的多股塑铜线（截面不小于16mm2），各连接过度电阻尽量小，一般不大于0.03Ω。
以上各部件连接为一个电气的整体，使之遭受雷击时，能有一个快速的通道沿塔身引入接地装置。
（2）电磁屏蔽
由于风力发电机为高耸塔式结构，非常紧凑，发电机、信息系统、控制系统都靠近塔壁，无论风轮、机舱、水平轴、还是尾舵受到雷击，机舱内的发电机及控制系统等设备可能受到机舱的高电位反击，在电源和控制回路沿塔筒引下过程中，也可能受到反击。
对发电机及其励磁系统，继电保护和控制系统、通信和信号以及计算机系统都应安装相应的过电压保护装置。
电力和信息回路由机舱到地面并网柜、变流器、塔底控制柜处应采取屏蔽电缆外，还应穿入接地铁管，使反击率降低。各回路应在柜内安装相应防雷装置，这样DBSGP（分流、均压、屏蔽、接地）系统在各节点层层设防。
各电气柜采用金属薄板制作，可以有效地防止电磁脉冲干扰，在电源控制系统的输入端，处于暂态过电压防护的目的，采用压敏电阻或暂态抑制二极管等保护设备与屏蔽系统连接，每个电控柜用不小于16mm2的多股塑铜线与接地端子连接。
（3）电源防护
各种柜内的进线、出线处必须按照雷电防护区域的划分，通过雷击风险评估后，根据评估结果进行设计。在被保护的设备处加装三级浪涌保护器。第一级采用开关型的电涌保护器，第二级和第三级采用限压型的电涌保护器。且各参数必须符合规范要求的最小值，即一级标称放电电流In≥15KA（10/350μs）或In≥60KA（8/20μs），二级标称放电电流I n≥40KA，三级标称放电电流I n≥20KA。
对于690V/380V的风力发电机供电线路，为防止沿低压电源侵入的浪涌过电压损坏用电设备，供电回路建议采用TN-S供电方式。
1、变桨控制柜：变桨控制柜位于风机顶端，雷雨天气时容易遭受直击雷，所以柜里电源线3x400vac/20A，300vdc/6A，24vdc（b）/10A，230vac（b）/2A等用电设备进线前端应安装相应的三相交流电涌保护器（imax：100KA）、单相交流电涌保护器（imax：100KA）和24V直流电源电涌保护器（In：5KA）。
2、机舱到变桨柜通讯线采用双绞线通讯，双绞线两端在进入设备前应安装信号电涌保护器。双绞线必须穿金属管敷设或采用屏蔽双绞线，且金属管或屏蔽层两头接地。
3、机舱控制室：机舱控制室位于风机顶端，雷雨天气时极易遭受直击雷，里面的开关电源送到变浆控制柜内的出线端 230vac（b）à300vdc/6A（变桨控制柜），开关电源 230vac（b）à24vdc（b）/10A（变桨控制柜）直流电源必须安装电源浪涌保护器（In：5KA），开关电源 UPS230vacà24vdc（c）/10的24伏电源处安装24V直流电源电涌保护器（In：5KA）。从塔底控制室到机舱控制室的Ups进线端（机舱控制室）安装电源电涌保护器（Imax：100KA）。
以上设备处必须安装能承受通过一级分类实验的电源电涌保护器。可选同为电源系列产品型号为：TPS B25-Pro P760(690V)。
塔底设备柜的防护
1、UPS230vac 塔底控制室到机舱控制室的ups输出端（塔底控制室）加装电源电涌保护器（In：40KA），可选同为电源系列产品型号为：TPS C40 2P。
2、变流器到机舱发电机转子的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源电涌保护器（In：40KA）和通过一级分类试验的电源电涌保护器（Imax：100KA）
3、并网柜到发电机定子之间的出线端和进线端分别加装通过二级分类试验的电源电涌保护器（In：40KA）和通过一级分类试验的电源电涌保护器（Imax：100KA）
4、各机柜的二次仪表线路应加装相应的电源电涌保护器（In：20KA）。
以上线缆建议采用穿金属管走线或者采用铠装电缆，金属管或铠装电缆必须在进入设备柜之前接地。电源电涌保护器的接地宜和风机的钢结构体连接在一起。
以上防护采用三级防护的原则，在易遭受直击雷的部位加装通过一级分类试验的电源电涌保护器，在舱底的设备柜内加装通过二级分类试验的电源电涌保护器，在弱点设备的电源处还应加装通过三级分类试验的电源电涌保护器，使设备得到充分的保护。
