雷电对风电机组的危害和预防性检测研究

张大伟

摘 要：风电机组一般都在空旷地带且机位比较高，容易被雷击。叶片尖作为机组的最高点，在叶片上都装有接闪器，将雷电流用导线连接到轮毂，轮毂传到主机，主机通过地线接到地面，从而将雷电流泻入大地，避免风电机组损坏，这就是风机的防雷原理。如果防雷效果不好被雷击中，有三点危害：容易引起火灾，风机用的复合材料容易燃烧;有可能电坏主轴;损坏电控系统。所以，在多雷地区，风电机组防雷的定期预防性检测非常关键。

关键词：风电机组;雷击;防雷;检测

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.012

截至2020年年底，我国新增风电装机容量7 167万千瓦，我国风电累计装机规模达到281.72 GW。目前，我们国家大力发展清洁能源，作为新能源的主力，风电机组的防雷形势也非常严峻。

1 雷电的主要特点

由于雷电具有大电流和高电位的特点，因此能造成很大的危害，如图1所示。雷电流放电电流大，幅值高达数十至数百千安;放电时间极短，大约只有50 μs～100 μs;波头陡度高，可达50 kA/s，属于高频冲击波。雷电感应所产生的电压高达300 kV～500 kV。直击雷冲击电压高达MV级，放电时产生的温度高达2 000 K[1]。

对于风电机组而言，直接雷击保护主要是针对叶片、机舱、塔架防雷，而间接雷击保护主要是指过电压保护和等电位连接。电气系统防雷则主要是间接雷击保护。雷电对风电机组的威胁如图1所示。

2 雷电的危害

雷电热效应：当几十安至几千安（电流单位安培的简称）的强大雷电流通过导体时，在极短的时间内将转换成大量的热能。雷击点的发热能量约为500 J～2 000 J，这一能量可以熔化体积为50 mm3～200 mm3的钢。因此，在雷电通道中产生的高温，往往会酿成火灾。

雷电机械效应：由于雷电的热效应，将使雷电通道中木材纤维缝隙和其他结构中间的缝隙里的空气剧烈膨胀，同时使水分及其他物质分解为气体，因而在被雷击物体内部出现强大的机械压力，致使被击物体遭受严重破坏或造成爆炸。被雷击后开裂的叶片如图2所示。

雷电效应：在雷电放电时，能产生高达数万伏，甚至数十万伏的冲击电压，足以烧毁电力系统的发电机、变压器、断路器等电气设备或将输电线路绝缘击穿而发生短路，导致可燃、易燃、易爆物品着火和爆炸。

雷电电磁效应：雷电具有很高的电压和很大的电流，同时是在极短的时间内产生的。在它周围的空间里，将产生强大的交变电磁场。不仅会使处在这一电磁场中的导体感应出较大的电动势，并且还会在构成闭合回路的金属物中感应电流。这时如果回路中有的地方接触电阻较大，就会局部发热或产生火花放电，这对于存放易燃、易爆物品的建筑物是非常危險的。

3 雷电对风力机组的影响

风电机组是新能源开发商投资的主要成本，占整个风场建设投资总额的70 %左右。风电机组一旦遭受雷击，会引起风力机电气系统的过电压。直击雷可使风机叶片遭到严重损毁，感应雷还会让发电机、变压器、变流器等电气设备和控制、通信、SCADA等电子系统遭到灾难性损坏[2]。

风电机组的电气和控制系统遭受电涌的途径通常源于：

雷击直接击中风机叶片或机舱等位置;

风机叶片等位置出现的先导;

雷电感应产生的电涌过电压（非直接雷击形成的雷电电磁脉冲）。

雷击风电机组后，不仅会造成机组发电量损失，还可能会造成叶片开裂或者火灾事故发生，严重影响生产效益和企业形象。以雷击更换叶片为例：一支叶片的成本约为50万元～60万元，运输成本+吊装成本+废弃物回收成本+更换新叶片成本，加起来达到200万元左右。雷击已经成为影响风电机组安全运行、风电场安全生产的危险因素之一。

4 风电机组防雷现状

我国风电最早的技术都是外来授权取得的。通过多年来的自主创新和技术融合，我国风力发电机组的设计能力与国外的距离逐步缩短。但是，人们在防雷领域中可以发现，技术的进步和升级速度仍不尽如人意。近三十年的风电技术发展对防雷技术进步的推动并不明显。风电机组防雷必须注意以下几个问题：

风电机组的防雷设计不应使用建筑物防雷设计模型。风电机组的电气结构与建筑物完全不一样，不应沿用建筑物体系的三级防雷系统。

风电机组的防雷保护模式，不宜采用建筑物的保障供电连续性的保护模式。风电机组在野外遭受雷击的概率高于普通建筑物，一旦电涌保护器前置熔断器断开，机组失去防雷保护，将造成严重的后果。

叶片的接闪系统静态雷电放电测试，不代表动态复杂工况条件下的叶片接闪器有效接闪率，在风力发电机组防雷系统测试标准上，不能完全听从国外企业制定的标准。

风电产业链急需专业防雷人才。目前，虽然大型整机企业都有专业的防雷技术人员，但是叶片防雷人员乃至电气人员的配置相对较少，叶片的防雷设计能力较为薄弱。

从产业发展的角度看，由于我国风电机组存量市场呈持续增长状态，在电价持续走低的背景下，机组电气系统与风电场的相关防雷问题将成为业主的刚需。通过提高机组防雷能力，压缩停电小时，能够达到提质增效、增加发电量的目的。

5 风机防雷保护的设计

目前，风电机组的防雷保护主要分为内部保护和外部保护两种。外部保护负责耗散直接雷击造成的能量，防止风电机组产生机械损坏和火灾，主要通过避雷针和接地系统来实现。只有准备良好并具有低电阻和低诱导效应的接地才能尽快可能的耗散雷击电流，电位差才会尽可能的低。内部保护包括机舱内部与传感器和聚能处因直接或间接雷击造成的雷电电磁脉冲所产生的电磁场与电位差，旨在将过电压降到最小，保护电子部件，并保护人们避免跨步电压和接触电压。可见，风电机组的防雷保护，主要通过接地系统和过电压保护来实现。

6 风电机组防雷的预防性检测

根据风机防雷的设计特点，加强风电机组的防雷装置检测可以有效地避免雷击危害。加强风电机组的防雷装置检测，重点包括：风电机组接地网接地电阻的测量，风电机组各部位的连接过渡电阻的测试，风电机组浪涌保护器SPD的性能测试等。风机防雷接地路径如图3所示。

6.1 风电机组接地电阻测量

风机地网接地电阻的测试，单机工频接地电阻值不应大于10 Ω;接电阻测量应在雨后连续3天晴天后进行测量;测量前应查看接地装置的验收图纸，避免与接地网的施工方向重叠;一般宜对机组进行至少两个测向的接地电阻测试，接电阻值取各测向的平均值;检测塔筒底部末端与接地扁钢的连接，应不大于0.24 Ω的要求。

风机地网接地电阻的测试，除了对接地测试的方法有要求外，测试仪器的测量电流也尽量要大（规范要求不小于3 A，异频45 HZ/55 Hz）。虽然风机的地网达不到大地网的规模，但是地网周围覆土状况较差，接地网中存在工作电流，会对测量精度产生很大影响，为了提高测量质量，需要增大测试电流[3]。

6.2 风电机组各部位连接过渡电阻测量

雷电流经过风机扇叶后，要通过风机扇叶内的接地线与桨毂连接;桨毂与主轴连接，再通过主轴碳刷与风机偏航装置连接;偏航装置通过塔筒与风机底座连接，才能泄放入地。

扇叶与桨毂之间的变桨电机，主轴碳刷与偏航装置之间，偏航装置与塔筒的连接为滑动连接。这三处滑动连接点的过渡电阻值的测量，是风力发电设备防雷检测的重点。

其中，塔筒与塔筒、塔筒与基础直接的连接靠的是重力，且每一节塔筒法兰之间以及第一节塔筒法兰与基础环法兰之间分别采用3条横截面积为50 mm2的接地電缆跨接相连。该3条接地线缆在法兰处呈120°均匀分布连接，以保证塔筒之间以及塔筒与基础环之间的可靠电路连通而形成雷电流通道。一般情况下只要肉眼检查其连接情况即可，如图4所示。

对于风机泄流通道的检测要分段进行，各段加测值分别记录。只要这样，才能发现接触不良的部位。通过对不同部位检测数据的分析，才能发现问题。如果不分段进行，一旦存在问题，将不知道问题所在，仍要分段排查。

通过对风机过渡电阻的测量，存在的隐患点有：

风机扇叶叶尖与叶根之间的接地线断裂，且该部位的检测需要高空作业，采用吊篮或者蜘蛛人，危险系数大，耗时长，在检测报价中要有所考虑。

碳刷与主轴之间的电气连接最差，造成的原因有碳刷磨损严重，缺少维护更换，碳刷与主轴之间有油污，造成接触不良等。其他连接部位的过渡电阻多在十几毫欧之间。

因为每台风机都要通过光缆与升压站内的中控室通信，且光纤本身不导电，所以为了加强光缆的抗拉强度，光缆内有一金属加强芯。该金属加强芯要做接地处理，否则会造成光纤熔断的风险，在检测中要加强检测，不要忽视。

接地干线与基础的接地通过——均压环连接。接地干线多为铜缆，接地为热镀锌扁钢。在检测中发现，铜缆与均压环的连接处多发生锈蚀，虽然有的涂油处理，但是连接过渡电阻过大，这是因为不同金属之间的电化学腐蚀造成的。如果该处维护不到位，造成的直接后果就是过渡电阻值过大，影响雷电流泄放，在检查过程中要重点关注。

6.3 风电机组电涌保护器（SPD）定期检查和性能检测

由于电源SPD、信号SPD是对线路内的雷电过电压进行限制的元器件，存在老化、损坏等风险。在季度巡检时，要检查风电机组的浪涌保护器的外观，电涌保护器表面应平整、光洁、无划伤、无裂痕和烧灼痕迹或变形，电涌保护器的标示应完整和清晰。

除了每年的常规检测外，在雷雨季节也要加强日常巡查、维护，以及时发现问题、及时更换，而不只是寄希望于每年的常规检测。

由于电涌保护器运行期间会因长时间工作或因处在恶劣环境中而老化，也可能引起性能下降、失效等故障，因此，应定期进行检测，如测试结果表明电涌保护器劣化或状态指示指出电涌保护器失效，应及时更换。电涌保护器应在国家认可的检测机构进行检测，电涌保护器的性能要求和试验方法应符合GBT 18802.1和GBT 18802.21的规定。电涌保护器的检测要全面覆盖，不能只是抽检。同时，建立巡查记录台账，在制度上保证设备的正常运行。

雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的因素之一。进行风电机组防雷技术的研究是风电研究领域中不可或缺的组成部分，它对保证风电场的安全运行具有重要的意义。随着“十四五”规划的颁布，风电机组的装机容量一定会不断增长。同时，新核准的风电项目逐步不再享受国家补贴，风电行业将迎来低电价时代，风电投资回收周期变长，只有加强风险控制、降本增效，才能实现利润增长。所以，在日常工作中，做好风电场防雷是风电场运行维护中最重要的一环。

参考文献

[1] 蔡国伟，雷宇航，葛维春，等.高寒地区风电机组雷电防护研究综述[J].电工技术学报，2019，34（22）：4804-4815.

[2] 王艳姣.风电机组防雷保护研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[3] 王铁流，李帅.风电机组的防雷与接地监测技术研究[A].中国农机工业协会风能设备分会《风能产业》编辑部.风能产业（2018年1月）[C].北京：中国农业机械工业协会风力机械分会，2018：4.