风电机组的雷电防护

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，编制了一个技术报告（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。 该标准提供了一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。 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，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、

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。 特别是在滚轮和滚道之间以及

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 等敏感电子设备的雷电电磁脉冲防护。

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

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。 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（ receptor）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 叶片上而引起损它的防雷比其它构筑

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

轮毂— 机舱—风塔 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 Safety Institute

—NLSI ）, 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”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29.5m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，

施加负冲击电压，叶片截雷 58%,机舱截雷42%。