风电机组的雷电防护

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1、风电机组的雷电防护2011-10-14 15:25:00 |来源：本站 |浏览： 28次 |评论： 0条 |点击收藏 风力是最环保清洁 的能源，所以风电机组得到广泛应用。风力机额定功率迅速的增加使风塔的高度和体积增加，同时由于风 力机安置在孤立或高海拔地区，风场风机的雷击损坏是不可避免的。因此研究风电机组叶片以及电力和控 制设备的防雷极其重要。本文探讨风电机组的综合防护方法，以为风电和防雷行业抛砖引玉。关键词：风电机组；雷害；防雷引言我国的风电场从年平均雷电日较少的新疆和内蒙开始发展，当初是450kW级以下的风力机，因此雷害 并不突出。目前MW级的大功率风电机成为风场的主机型，大功率风电机的风

2、塔高度已经超过120m，是风 场中最高大的构筑物，在风电机组的20年寿命期内，总会遭遇到几次雷电直击。今后我国将大力发展 2.5MW级以上的风电机组，风电机组还将设置在 苏北沿海、华南，甚至设置海上风场。因此风电机组的雷害问题引起了风电行业从业人员的重视。风电机 组的防雷被提到风电研发人员的议事日程。国际电工委员会IEC第88工作委员会（IEC TC 88）在编制风电机组系列标准IEC 61400时，编制了 个技术报告（TR），作为IEC 61400系列标准的24部分于2002年6月出版。该标准已经由我国风标委等 同采用上报为国家标准。当时IEC是想为这个相对年经的工业提供雷电和防雷知识。该标

3、准提供了些风力机雷害的背景资料，也提供了最实用的防雷指导。在几年的 实践中证明了该技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。近年来，全世界清洁能源发展势头越来越猛，风电产业迅速向大功率风力机发展，并且更加繁荣和更加成熟，风场向 外海设置，使雷害的问题比2002年以前更加复杂和突出。因此IEC第88 工作委员会正在制定一个作为风 电机组防雷标准的文件供风电行业人员使用。将IEC 61400由技术报告（TR ）升级为技术标准（TS）。1风电机组的雷害2006年，IEC的TC81发布了系列标准IEC 62305雷电防护。它主要是建筑物及建筑物内的电气电 子设备的防雷规则，对于风电机组，其基本原则可

4、以采用，但具体的防护方法则需要根据风机和风场的特 点确定，这也是IEC第88 工作委员会第24项目组编制新的风电机组防雷的原因。IEC第88工作委员会第24项目组认为，风电机组的雷害是其它建筑物不曾有的，因为：风电机组是高度超过150m的高大构筑物；风电机组常常布置在非常容易受到雷击的场地； 风电机组的许多暴露部件，如叶片和机舱盖往往由不能承受直击雷或传导直击雷电流的复合材料制成；叶片和机舱是转动的；雷电流必须通过风力机的结构传导到大地，因此，实际上大部分雷电流将流经或靠近所有的风力机部件。风电场中的风电机组往往位于接地条件不好的区域。 直击雷可以使风轮叶片遭到损毁。雷电电磁脉 冲等非直接雷击

5、可以使发电机、变压器、 变频器等电气设备和控制、通信、 SCADA 等电子系统等灾难性损 坏。也有极个别的轮毂、 齿轮箱、液压系统、偏航系统和传动系统及机械制动器等遭到雷击损坏。在 2008 到 2009 年期间， 我国的风机雷害也开始显现， 笔者在风场， 亲眼看见了风机叶片， 变频器以及控制、 通信、 SCADA 等电子系统受雷害造成经济损失的情景。按照雷害次数统计，控制系统、传感器、通信、 SCADA 等弱电部件的雷害概率较大， 这是因为这些弱 电器件的耐过电压和过电流的能力较弱， 雷电电磁脉冲即雷电感应过电压 会使其损坏， 但由于维修方 便， 直接和间接经济损失与风轮叶片比较不算很大。

6、风轮叶片在 直击雷袭击的时可能会损毁， 直击雷概率 较小， 风轮叶片遭到直击雷袭击的概率更小， 但叶 片一旦遭到雷击， 损坏就会比较严重， 叶片维修和恢 复都很费事， 离岸和在边远地区设置的 风机， 运输物资极其困难， 维修人员的开销很大， 同时风电场停 止运行的收入损失也是巨大 的。因此， 风轮叶片的雷害造成的直接和间接经济损失都是巨大的， 所以叶片 的雷害最引人 关注。根据雷电机理， 雷云在风场上空时， 风力机容易形成上行雷， 与上行雷相关的起始连续 电流转移的 电荷量可以高达300C,风力机高度增加上行雷造成的风力机雷害也增加，当风塔高度超过 100m 时上行雷击的概率大大升高。据统计，

7、高度超过 60m 的建筑物往往会发 生侧击，即有一部 分雷电击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。 风力机是高于 60m 的构筑物， 所以侧击概率比建筑物大很多， 并造成严重损害。 还有，风电机组都设置在风力强大的地区， 例如海岸、 丘陵、山脊等荒郊野地， 而这些 地区正是雷电多发区， 风电机组设置在高于周围 地区的制高点，并且远离其它高大物体，因此它更加能吸引 雷电。叶片雷击损毁严重的一个主要原因是现代大型风力机的叶片用不能传导雷电流的复合 材料制成， 例如 玻璃纤维增强塑料或木材层压板， 我国现在开始用竹纤维层压板。 在叶片未 加防护时，一旦被雷电击中就 会造成损坏。因此，必须对这类叶片采取防雷

8、措施。风电机组还是不断旋转运动的机械， 于是又出现了一个特殊问题雷击的风险出现在 旋转叶片上多 处， 并且不止一个叶片遭到雷击。 我们知道雷击的连续性， 即一次闪电包含有 几个不连续的雷击，一次闪电的持续时间达到1s。这一时间足以使多个叶片暴露在雷击中（例如一个 3 叶片的风力机以 20rpm 的速度旋转，那么每叶片的运动速度就为120/s）。雷电流通过整个风力机构筑物入地，包括桨距轴承、轮毂和主轴轴承、齿轮、发动机轴承、特别是在滚轮和滚道之间以及 底座、偏航轴承和塔架。雷电流流经齿轮和轴承可使其损坏，齿轮与轮齿间有润滑层时。机舱外壳都是用玻璃纤维增强塑料或碳纤维合成材料做成，也有遭到雷击的可

9、能，它们也应当采取防直接雷击措施。风力机在设计时一定要考虑叶片、机舱的直击雷防护和发电机、变压器、变频器等电气设备和控制、通信、SCADA等敏感电子设备的2 叶片的防雷风机的叶片几何结构复杂， 雷电来时， 叶片完全暴露在直击雷下， 物复 它的防雷比其它构筑 杂。沿着同一电离路径的整个放电过程称为闪电，其持续时间可以达到1 s 以上。云中先导与风机迎面先导汇合形成完整的雷击。风场叶片上发生的上行雷为多，其原因就是地面突出导物有先导向上发展， 成为雷闪的主流。 图 1 说明风机叶片产生向上先导与云中先导汇合形成 对风机叶片 雷击的示例。雷击叶片后，雷电流将从雷击点通过叶片 塔基 接地系统入 地。

10、雷电流流经叶片， 可以产生热效应和机械效应， 流经机舱和风塔 时，强大 轮毂 机舱风塔 的雷电流诱发的雷电电磁脉冲可以对电气系统和电子设备造成危害。雷电击中风电机组的入侵点称为雷击点，一般，雷闪打在叶片的接闪器（recep tor）处，图 2 是雷击叶片的照片，雷电流由雷击点流入风电机组，这时，造成的典型损坏是：（ 1）叶片表面复合材料开裂和灰化，以及雷击点的金属部件烧毁或熔化（开裂是机械 损坏、灰化则 是热效应的结果）。2）雷电在叶片内部形成电弧（这时，风力机叶片的损坏最为严重，空气中的电弧会 存在于叶片内的空洞和叶片表面，这种属于电气损坏）。（3）另一种损坏是雷电流传到复合材料层之间时，因

11、为层间有些潮气，内部电弧加热 潮气引起压力冲击使叶片爆裂或使叶片表面沿着前后缘和叶片承载梁处撕裂损坏（小至叶片 表面发生裂纹，大到叶片完全碎裂）。有时，压力波会通过轮毂从受雷击的叶片传到其它的 叶片上而引起损坏（热效应和机械损坏）。（4）在叶尖雷击点和导体部件之间常会形成内部电弧。 有叶尖刹车的叶片的损坏常局限在叶尖部分， 而叶片主体保持完好。 当叶片主体内部形 成电弧时，常可看见有叶尖刹车的叶片主体的损坏。 在控制叶尖刹车的钢丝没有足够的截面 积将雷电流从轴尖传递到轮毂时， 经常会发生叶片主体损坏的情况。 对于有副翼的叶片来说， 叶片就会完全毁坏。因此，导致风力机叶片严重损坏的原因是叶片内部

12、的雷电弧周围形成了压力冲击波。 当 雷电弧在叶片外表面形成或当传递雷电流的金属部件的截面积足够大时， 风力机叶片的损坏 会比较小。下面有两个例子，一个是美国Texas南风场雷害，一个是日本北海道某风场冬雷雷害。美国Texas南风场内风力机输出功率1.5MW发电机叶片由玻璃纤维增强复合材料构成。叶片内部采用硬质聚氨酯泡沫塑料包裹在玻璃纤维上形成加强横梁，并采用多层有绝对强度的聚氨酯/玻璃纤维作为内部层，耐应力的效果相当好。该地雷闪密度为每年每平方公里5至6个， 2006到2008年3年中，该场5%的风力机叶片被雷击损坏，2008年年4月6日雷电将155号机的4608号叶片完全击坏（叶片解体，导流

13、线截断），美国国家雷电监测网报道雷击时刻（08:36 38）记录的该地雷电电流为10kA。比较起来，这次雷击雷电流不算大，但叶片的损坏相对却十分严重。美国国家雷电研究所（National Lightning Safe ty Inst itu teNLSI ）, 2008年6月对该例的研究认为，导雷线未达到设计水平，叶片内部的空气和水气在大雷电流流 过时气化和膨胀产生机械力，是这次叶片损毁的主要原因。在研究中发现，该厂叶片叶尖有一个“接闪 器”。雷击接闪器后，大电流进入叶片，由于瞬时雷电流达到10kA，雷电流从接闪器进入后沿“导雷线”入 地网，瞬时电流产生了25000C 以上的高温，使得“导雷线

14、”熔断，同时将叶片内残存的水汽加热，水汽急剧膨胀使叶片爆裂。日本北海道某风场在2006年12月6日一次冬雷时，一台1000kW风机测得的雷电电荷为739C，但风 机未被击坏。这台风机在叶片上部装有碟形接闪器，导流线可以传导上百千安的电流而无机械损坏。松下公 司在2006年做了叶片大电流室内试验。将模拟雷电流加到长度为295m的叶片，叶片上部装有几个碟形接闪器和棒型接闪器。试验中发现，施加正冲击电压时，接闪器的接闪率为 100%，施加负冲击电压时，接闪器的接闪率也有70%，其余的电流直接流向引下线。 松下也做过有接闪器和无接闪器的对比试验，叶片无接闪器时，由此可知，风机叶片是风机中最暴露的部分，

15、必须加以防护。对叶片的保护是否足够， 应当看其设计和 安置叶片接闪器系统后能有效的截获雷电，以及导流系统能疏导 100kA 以 上的雷电流（我国西北雷害较少的地区可以不这样考虑）。关于叶片的防雷应当采取以下措施：（1） .叶片应当导电： 雷击时，叶片接受并将大电流导入大地，否则强大的雷电流将 会损毁叶片。若叶片中含有导电的部分， 则导电部件可能将雷击电流引导到轴心， 以防止叶 片内部产生弧光放电。导电的部件可以为叶片的外框或叶面。在德国、丹麦、日本、美国的 一项广泛的研究 表明，带有内置导体的叶片可以大大降低叶片结构严重损坏的可能性。（2） 叶片有多个接闪器：研究说明，安装有内置防雷系统的长条

16、形叶片容易受到雷电 的袭击，雷击点不一定是安装在叶尖的接闪器。 因此需要安装多个接闪器，这样比在叶尖设 置单个接闪器 更容易截获雷电，为叶片提供更优良的保护。短于30m的叶片在每一片叶尖上至少应安装一个接闪器。长于 30m 的风叶，应安装多个接闪器，接闪器可以是碟形和柱形。3 风机其它部件的防雷和综合接地系统（1） 机舱和其它构件：风力机机舱和其它构件（如轮毂、塔架）的防雷，应当有接闪能力，尽可能使用大的金 属构件作接闪 器。还要将金属构件做等电位连接，将雷电流传导到接地系统。机舱上气象仪表、航空灯等的避雷针、引下线以及搭接线的尺寸要满足IEC62305-3的要求。总之，机舱和其它构件的防雷可

17、以直接采用IEC62305系列标准所描述的方法。风力机应当划分为若干防雷区LPZ,设计人员应当计算雷电风险水平，并根据等电位搭接、电磁屏蔽和采用 SPD 等设计防雷系统。（2） 机械驱动系统和偏航系统机械驱动系统的防雷非常重要，因为风力机的驱动系统有巨大的转动轴承、传动轴、齿 轮、液压和电气执行系统，在雷电击中叶片时，它们都处于雷电流的径路上，巨大的雷电流 可以使其受到机械损坏。 机械驱动系统的所有部件都要经受住雷电流或运 动部件间的雷电弧 而不受损害， 例如， 轴承和执行机构用滑动接触器或火花间隙进行防护。 这些部件设 计成可以将雷电流从被保护部件上转移或减少雷电流流经部件的数值，直到该雷电

18、流小到部件可以承受的 水平。（ 3）电气系统、电子系统风力机的电气系统、电子系统应当经受住由于雷电产生的雷电电磁脉冲 （ LEMP ）而不损坏。雷害统计显示，大多数雷害与风机的电气系统、电子系统有关。电气系统、电子系统 的LEMP的防护措施（LPMS ）应能消除或避免这些系统的雷害。应当采用IEC62305-4的防护区的综合防护概念采取接地、搭接、电磁屏蔽和合理布线、安装能量协调一致的SPD等措施。（4）综合接地系统风塔地基应当有一个接地系统，该系统是风机叶片遭直击雷后的雷电流通道，也是其他系统SPD的 接地点。各风塔间的接地系统应当相互连接构成综合接地系统，各风塔间的地线也是电缆的接地保护线

19、。 国外经验证明，综合接地系统的防雷效果比独立的风塔接地系统好很多。4结束语雷害对风电机组的负面影响越来越受到风电行业的重视，可以预见，在风电机组容量增大和机身高度 增加，控制系统大量采用耐过电压过电流能力极低而工作效率极高的微电子设备后， 大容量机组雷害的严 重性将会日益突出，造成的间接经济损失也将也来越大。尤其将来离岸设置风电机组时，雷害的问题会 更加突出。应当对风电机组实施综合防护的措施以有效减少雷害。所谓“综合防护” 首先要提高风力机自 身的抗雷电能力，叶片及雷电流入地路径中的所有部件（包括桨距轴承、轮毂和主轴轴承、齿轮、发动机 轴承、底座、偏航轴承和塔架）应能通畅的将雷电流导入大地儿

20、自身完好无损。对于低压电气系统和电子 系统以及高压电力系统必须装置“合适的”、 “能量配合”的浪涌保护设备。风场要有与相关建筑物、构 筑物和风场设备、传输电缆连为一体的综合接地系统。我国清洁能源发展正处于上升时期，风力发电和光伏发电都将面临如何有效的防止雷害的问题。国外 的风电场业主和风电机组制造商已经认识到与专业防雷公司或科研机构、试验机构合作研究防雷措施的必 要性，IEC第88技术委员会就吸收了专业防雷公司参加其中的工作。我国是个雷暴分布复杂和多雷暴的 国家，风机防雷将是必然课题。目前，成都兴业雷安电子技术公司等我国大防雷器生产厂家已经有专门部门 从事清洁能源系统防雷研究，其生产的电源和微电子设备用SPD已经出到欧美和亚非各国，有较高的性 价比。相信，风电机组制造商和运营商和专业防雷公司或科研机构、试验机构精诚合作, 必然将风电机组防雷 工作做好，使我国的风电机组能够全天候的工作。