风电机组的防雷和防雷标准

风电机组的防雷和防雷标准

邱传睿

1、引言

风电作为高效清洁的可再生能源，一问世就受到各国高度重视，我国是较早利用风力发电的国

家，到现在为止，总装机容量已经排在亚洲第一、全球第三的位置，而发展速度名列世界前二。风场高速发展的同时，风电机组的雷害也日益显露，因此风电机组的防雷被问题摆到了风电研发人员

的面前。风力资源丰富的风场往往处于高海拔和远离城市的地区及荒郊，风场中的风电机组容易遭

受直接雷击。目前MW级的大功率的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。最初，

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，那时都是450kW级以下的风力机，因此雷害并不突出，但是，今后我国风机要设置在苏北沿海、华南，甚至将离岸设置，同时我国将发展

2.5MW级以上的风机，风力机的雷害问题引起了有关方面的高度重视，中国风能协会叶片专业委员

会于2009年9月在肇庆召开的年会，将叶片的防雷作为一个重要问题进行了研讨，说明风力机的防

雷得到大家的重视。

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。当时，标准

编制工作组想为这个相对年经的工业提供雷电和防雷的知识。因此，在IEC 61400-24中提供了一些

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编制工作组编制的该

技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。在IEC 61400-24问世后不久，风电工业迅速的向

大功率风力机发展，并且技术更加成熟，市场更加繁荣。同时雷害的问题比2002年以前更加复杂和日益突出。因此有必要有一个作为风电机组防雷标准的文件供风电行业人员使用。这样，将IEC 61400

由技术报告（TR）升级为技术标准（TS）便顺理成章提到议事日程上来了。

2、风电机组的雷害

IEC 61400-24 2002 阐明了其它建筑物不曾有的风电机组的雷害普遍问题，即：

——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；

——叶片和机舱是旋转的；

——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相互电连接，往往位于接地条件不好的区域。 德国、丹麦、瑞典等欧洲国家统计，雷电引起的故障每年每百台风力机达3.9到8次。

雷害由雷电直击和雷电电磁脉冲造成。雷电直接击中风场设备或大地，同时在闪电道周围产生

强烈电磁场，由此产生雷电电磁脉冲。 雷电可以直接击中风轮叶片，雷电流经过叶片入地，使风轮遭到损毁，即直击雷损毁叶片。

雷电电磁脉冲属于间接雷击，强大的雷电电磁脉冲通过风力机的电线系统传播，会在整个风机

线路系统产生瞬态过电压，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雷击损坏

的报道。损坏可以雷击后立即出现。也可由于反复暴露在雷电电磁脉冲中产生累积效应而在雷击以后一段时间才出现故障。

雷电直击风场设备的概率相对比雷电电磁脉冲入侵风场设备的概率低。也就是说，控制系统、

传感器、通信、SCADA等弱电部件的雷害概率较大，这不但因为雷电电磁脉冲入侵风场设备的概率高，还因为弱电器件的耐过电压和过电流的能力较弱，比如，传感器在能量达到10-8焦耳时就会损

坏，即较低的雷电感应过电压都会使部分微电子设备损坏。不过这些部件维修比较方便，直接和间

接经济损失不会太大。但直击雷损坏风轮叶片就不同了，一般，风轮叶片的雷害损坏比较严重，而

雷害后，更换损坏的风轮叶片、发电机、变压器等花费的成本较高，离岸和在边远地区设置的风机，

运输物资极其困难，维修成本会更高，同时风电场停止运行的收入发电损失巨大。

3、叶片的直击雷害

对于风电机组来说，大家最关心风轮叶片的雷害。我们知道高大建筑物容易遭到雷击，高度超

过60m的建筑物还会发生侧击，所谓侧击是部分雷闪并不击中建筑物顶部而是击中建筑物侧面。风

力机的风塔是高于60m的构筑物，雷电侧击概率比建筑物大很多，即使对叶片进行了防护，但叶片

侧面也可遭到雷击造成叶片严重损害。从雷电机理可我们知道，与上行雷相关的起始连续电流转移

的电荷量可以高达300C，同时，对建筑物或构筑物，上行雷的比例随着建筑物或构筑物高度增加而

增加，当风塔高度超过100m时，上行雷就变得很重要了。大家都愿意将风电机组设置在海岸、丘陵、

山脊等风力强大的地区，而这些地区正是雷电多发区。风场的风电机组是风场中的最高物体，并且

远离其它高大物体，因此它更加能吸引雷电。还有一个问题是设置在丘陵和山脊的风电机组的接地

问题，这些地区的土壤导电性能相对较差，接地往往不尽人意。 通常，现代大型风力机的叶片用复合材料制成，若未加防护，雷击时就会出现损坏。因此，对这类叶片进行防雷设计是必要的。用玻璃纤维增强塑料制成的机舱外壳，它们也应当采取防直接雷

击措施。

风电机组是不断旋转运动的机械，这一事实的结果是，雷击的风险出现在旋转叶片上许多地方，

并且不止一个叶片遭到雷击。这是因为雷击包含有几个不连续的脉冲，持续时间达到1s。这一时间

三个叶片都可能连续暴露在同一雷击中（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）。雷击叶片时，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，特

别是在滚轮和滚道之间以及齿轮与轮齿间有润滑层时。

雷电对风场风机的运行形成巨大的挑战，雷害后更换损坏的关键部件如发电机、变压器等花费

的成本较高，损失的电力

1.1 风电机组的防雷——普遍问题

现代风电机组提出了其它建筑物不曾有的防雷的问题。这些问题是：

人们已经了解高大建筑物对雷击过程的影响。高度超过60m的建筑物会发生侧击，百分比很少

的一部分雷击击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。对于风力机，这种侧击引起特别的关注，因为即

使对叶片进行了防护，侧面遭到雷击也会造成严重损害。此外，上行雷的比例随着高度增加而增加，

当建筑物高度超过100m时，就变得很重要了[8]。 风电机组都设置在风力强大的地区，例如海岸、丘陵、山脊，而这些地区正是雷电多发区。由

于都愿意将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。还有一个问题是设置在丘陵和山脊的风电机组的接地，这些地区的土壤导电性能相对较差。 通常，现代大型风力机的叶片用复合材料制成，例如用玻璃纤维增强塑料或木材层压板。由于

这些材料不能传导雷电流，用这类材料制造的叶片，且未加防护，雷击时总是出现损坏。因此，对

这类叶片作防雷要求是重要的。用玻璃纤维增强塑料制成的机舱外壳，它们也应当采取防直接雷击

措施。

风电机组是不断旋转运动的机械，这一事实产生了特殊问题。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。这是因为雷击包含有几个不连续的脉冲，持续时间达到1s。这一

时间足以使多个叶片暴露在雷电中（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）。雷击叶片时，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，特别是

在滚轮和滚道之间以及齿轮与轮齿间有润滑层时。 GB/T21714系列已叙述了电气系统的雷电防护技术。应当特别考虑到，与建筑物内的电气设备

比较，雷电流流过风力机很接近于电气系统。因为不可能法满足GB/T21714-3中规定的最小安全距离，

也应当注意人身安全问题。 风机单机额定功率的增加（4.5MW），风塔的高度也在增加。这种风机风塔的高度已经达到124m（E112型风机，德国Enercon公司）。风机的功率增加，使得它更易遭到雷击。风电机组总是安置在高海拔

和孤立地区以及平坦的乡村，因此遭直接雷击的报告数量很多。根据报告[1]，在山区的风电机组遭

雷击的机会比平原和海边的风电机组多两倍。这种情况可能导致设备的许多问题。对风电机组的影

响广泛，叶片损毁、控制系统受干扰、着火并将整个风力机损坏。此外，还要保护轮毂内的维修人

员免遭雷电和危险的跨步电压和接触电压的危害。许多对人类关键的影响引起心血管、肺部和中枢神经的诸多问题。

风电机组的防雷有一些难点，最主要的是旋转的叶片的防护。雷击首先影响控制系统，然后是电气

系统、叶片和传感器[1]。机械部分，如齿轮箱（若有的话）、机械刹车、发电机的影响不很大。因为，

目前风电机组还没有一个正确和绝对安全的防护方法，本文提交了一个风机（WT）雷电防护的实用

方法。此外，考虑到我们对雷击风机的原因方式还不清楚，有必根据IEC 61400-24设备和风机的雷电防护，找到一个非常安全的防雷方法。

002年发布，第24项目组

作为技术报告（TR）在2002年六月出版，当时是为这个相对年经的工业提供雷电和防雷知识。它

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。这也是准备对IEC 61400-24修订，

将其由技术报告上升为以IEC 62305系列防雷标准、IEC 61000系列EMC标准、电机系统标准、电

气系统标准，并考虑叶片和最新的航空工业的研究成果和发布的标准SAE/EUROCAE[4-5]为基础的完整的标准的原因[2]。

希腊的风机装机容量已经达到746MW并且每年增加。考虑到风机单机额定功率的增加（4.5MW），

风塔的高度也在增加。这种风机风塔的高度已经达到124m（E112型风机，德国Enercon公司）。风机的功率增加，使得它更易遭到雷击。风电机组总是安置在高海拔和孤立地区以及平坦的乡村，因