大风机雷电防护分析研究综述

李鹏飞,张春龙,杨仲江

（1.黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江哈尔滨150030；2.中国气象科学研究院高纬度雷电研究实验室，黑龙江哈尔滨150030；3.南京信息工程大学雷电高压实验室，江苏南京210044）

大风机雷电防护分析研究综述

李鹏飞1,2,张春龙1,2,杨仲江2,3

（1.黑龙江省气象灾害防御技术中心，黑龙江哈尔滨150030；2.中国气象科学研究院高纬度雷电研究实验室，黑龙江哈尔滨150030；3.南京信息工程大学雷电高压实验室，江苏南京210044）

风能作为一种清洁可再生能源，已成为我国能源战略发展结构重要组成部分。风机是将风能有效转化为电能的主要装置，中国风机装机总量发展迅猛，已经跃居世界第一位。由于风机的高度、装备数量以及安装位置等因素，其遭受雷击的概率极高。本文基于雷电击中风机的可能性、危害方式以及风机雷电防护主要的注意事项三个方面对风机的雷电防护进行系统研究，为风机防雷提供合理切实指导建议，减少雷电灾害对风机的损害与降低风机后续维护的人员、经济投入比例，节约成本。

风机;雷击;可能性;危害方式

1 引言

全球面临的能源紧缺问题已经迫在眉睫，如何在现有条件下最大化寻找一种清洁的可再生能源，已是各个国家能源问题的重要计划方针。而近年来科技制造水平的突飞猛进，也同样给风力发电技术提供了前所未有的可能性。因此，近些年来我国的相关政策出台，包括《可再生能源中长期发展规划》和《促进风电产业发展实施意见》等政策，给我国风电产业的发展带来了新的机遇与实践。尤其以东北、青藏高原、内蒙古以及东南沿海等地区装载量巨大，目前，中国风机装机总量已经跃居世界第一。

受风能资源分布影响，一般风机主要架设在周围环境较为空旷的高海拔或者沿海等高风能地区，加之目前风机顶点高度已经突破100 m，导致风机尤为突兀，遭受雷击的事件愈发频繁。同时，因交通条件不甚便利，进一步增加了风机雷击损害后期维护的成本投入与难度。据相关统计表明，目前中国运行风电机组的雷电事故损坏率远高于欧洲国家统计平均值。因此，进行大风机的雷电防护分析研究、确保设备可靠运行具有极其重要的现实意义。

2 雷电击中风机可能性研究

雷电形成的必备条件之一是云中具有大量的电荷。当云的电荷不断地聚散，会导致空气中电场的变化。此时，由于静电感应作用，会在其他金属等物体上感应出极性相反的电荷，特别是风机的叶片，由于其具有一定的高度和长度，因此可以近似的看成叶片是相对于云中电荷的另一个很大的电极体，这样在电极体周围会导致空气中电场畸变，造成空气发生游离，进而满足了自持放电的形成条件而发生气体击穿形成流注。这为后期雷电击中风机提供可能的通道传输条件。

3 雷电对风机危害方式研究

一般来讲，一次雷电放电的电荷量其实并不是很大，但是由于其形成放电通道以及发生放电的整个过程时间极其短暂，导致其电压骤变陡度非常剧烈，瞬间可以产生几万伏甚至几十万伏的高压，这使被击中物可能瞬间产生燃烧甚至爆炸，因此具有很大的危害性。其次，由于雷电产生的瞬间，云中电荷放电导致云中电荷发生改变，导致周围的电磁场也发生改变，导致在金属线路中产生瞬间过电压，也可能间接的对弱电等电子信息系统产生损害。因此，就危害方式而言，主要存在两个方面，第一以雷击产生的热效应和机械效应为主的直接危害方式，第二以雷电电磁感应和电涌过电压效应为主的间接危害方式。

3.1 雷电对风机直接危害作用研究

当风机遭受雷击的瞬间，雷云与风机之间实际上形成了一个放电通道，雷电直接击中风机的叶片或者是绕击中风机的轮毂等位置后，会在瞬间产生陡增电压，然后通过金属导体泄放雷电流，其中峰值电流、电流陡度以及转移电荷等与风机遭受雷击损坏有着密切的关系。根据欧姆定律可知，雷电流在泄放的过程中，当通过电阻值较大的线路路径就会产生热量，如果线路的耐热性以及线径的尺寸等原因未达到相关要求，那么可能因热效应而发生过热起火。其次，由于雷电流同时会在泄流通道具有机械效应，那么这对风电设施的叶片、齿轮、轴承和传动部件可造成直接的损坏，引起叶片断裂、着火，损坏齿轮轴承的表面加速其磨损。有的直击雷直接击中风电机舱造成火灾，导致机组停运，发生不可复原的毁灭性损害。严重危害风电系统的安全可靠运行。近年研究表明，随着风机的制作工艺水平的提升以及新复合材料的应用，风机的高度与体积的尺寸逐年增加，这使风机遭受雷电损害的概率也随之增加。

3.2 雷电对风机间接危害作用研究

3.2.1 雷电的静电感应与电磁感应灾害分析

（1）风电场中机组的塔筒、配电设备柜和建筑物屋面金属构件等。当这些设施上方有大量的雷云聚集，或者是有下行先导产生前，有大量的极性电荷产生，因静电感应作用会在雷云或者先导附近的导体或者金属物上感应出极性相反的大量电荷。同样，聚集的大量电荷在泄放的过程中如果通道路径中存在电阻过大的部位（如电气接触不良），就会出现短暂过电压，对于绝缘效果不好的部位，可产生局部火花放电，这对风机机筒内的信息系统设备以及风机关联设备附近的人员来说是一种安全隐患。

（2）在雷云附近的架空输电（或者通信线缆）上，因雷云过境位置的改变或者雷云对地放电前后电荷量的改变。线缆导体因静电感应作用而大量积聚的极性电荷将成为无束缚的自由电荷，并对地形成高电位，当自由电荷因雷云位置或者雷云电荷量的改变后向线路的两侧运动，就形成了过电压波，可传导到风机舱端。

（3）同样情况下，通常布置风电机组内部的各种信号线路和电源线路，由于设置的需要，这些线路往往会在机组内部的不同空间位置上构成导体回路和回环。沿各路径流过的雷电流所产生的暂态脉冲磁场，将会在风电机组内的各种导体回路和回环中感应出暂态过电流和过电压，损坏回路或回环端接的电子设备和相关器件。

3.2.2 雷电的电涌过电压灾害分析

此外，风电机组遭受雷击时，风机塔顶雷电流传递到塔底，经过接地体泄放到大地的瞬间，其暂态电位抬高、地电位抬高以及跨步电压和接触电压抬升，不仅可能对风电机组中的电气和电子设备造成危害，而且也可能对风电场中的人员、牲畜造成伤害。

4 风机雷电防护主要的注意事项影响

（1）土壤电阻率影响。由于很多风机安装在山顶，其底座土壤电阻率较大，需要采取合理的手段降低土壤电阻率对接地电阻的影响。此外，接地方式也是根据实际安装场地的变化需要合理的进行设计，以求达到电阻的最小值。

（2）等电位连接的影响。等电位连接效果的因素主要有连接方式和连接材料的选择，连接体要尽可能的短、避免弯曲，否则容易造成机舱内部的弱电电子设备发生大面积损坏，导致后期维护耗费巨大。

（3）屏蔽的影响。由于风机内部各种回路较大，在雷电静电感应作用下容易在各种回路中产生感应电压，可能导致回路端电子设备和器件受到损坏。因此需要做好设备以及线路屏蔽保护。

（4）浪涌保护器安装的影响。需要参照相关要求，对风机电源系统、信号弱电系统进行安装匹配的浪涌保护器进行过压保护，一般主要采用三级防护的方式。

（5）风力发电机组内部设施防雷击起火影响。一旦雷击发生接近百米高度，消防灭火可行性小。因此，为减缓甚至防止风机内部起火燃烧，在风机内部设备润滑油、液压油选用阻燃油，设置温度监控、火灾远程报警装置，从源头减少雷电引发火灾的概率，及时跟踪。

（6）35 kV架空线路的影响。需要提高风机组配电中压线路的绝缘和防电磁脉冲水平，防止配电线路因直接雷击（线路附近）或雷电感应而引起线路闪络和故障，造成跳闸甚至导致相关开关设备受损。

5 结论

综上所述，风电机组内部结构比较复杂，对雷电灾害风险的影响因素很多。雷电防护与检修过程中，要充分考虑各个因素的影响程度，整体合理的进行研究分析,才能做到防患于未然，降低后期的维护成本与投入。

1002－252X（2017）02－0032－02

2017－3－1

李鹏飞（1989-），男，江苏省东海县人，南京信息工程大学，硕士生，助理工程师.