风力发电机组防雷技术分析

浅析风力发电机组的雷电防护

摘要随着风电技术的发展，大型风力发电机不断研制成功，随之机组的塔架也越来越高，风力机遭受雷击的几率也比过去增加了很多，在沿海或林区的风电场，防雷是不可忽视的，在这些风电场尽管也采取了一些防雷措施，但雷击还是造成了叶片和电控器件的损坏，借鉴经验及总结教训，我们应该做到防患于未燃，将防雷工作做的更彻底、更全面，以使雷击对风机的损坏降到最小。

关键词:风电;风力发电机;防雷

一、引言

雷电是自然界中一种常见的放电现象。关于雷电的产生有多种解释理论，通常我们认为由于大气中热空气上升，与高空冷空气产生摩擦，从而形成了带有正负电荷的小水滴。当正负电荷累积达到一定的电荷值时，会在带有不同极性的云团之间以及云团对地之间形成强大的电场，从而产生云团对云团和云团对地的放电过程，这就是通常所说的闪电和响雷。

具体来说，冰晶的摩擦、雨滴的破碎、水滴的冻结、云体的碰撞等均可使云粒子起电。一般云的顶部带正电，底部带负电，两种极性不同的电荷会使云的内部或云与地之间形成强电场，瞬间剧烈放电爆发出强大的电火花，也就是我们看到的闪电。在闪电通道中，电流极强，温度可骤升至2万摄氏度，气压突增，空气剧烈膨胀，人们便会听到爆炸似的声波振荡，这就是雷声。而对我们生活产生影响的主要是近地的云团对地的放电。经统计，近地云团大多是负电荷，其场强最大可达20kV/m。

二、雷电的危害

自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。雷击造成的危害主要有5种：

（1）直击雷

带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、

设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。

风力发电机抗雷击保护标准技术建议

编者按：2009 年7 月29 日，第二届国际海上风电与传输大会在上海召开，会后相关企业领导与技术专家们对风力发电机的雷击现象表示担忧，而国内外也未在这一领域出台适用标准。因此，本文针对这一尚未解决的技术问题，介绍了相关标准情况，以及美国标准技术专家Bruce Glushakow 的标准制订技术建议，以供相关技术人员参考。

众所周知，风力发电机组通常分散安臵在风能资源比较丰富的各种复杂地形带，如旷野、山顶等，同时风机叶片的高点达100 多米。在这种情况下，风机极易遭到雷击。目前，风电机组的单机容量越来越大，随着轮毂高度和叶轮直径的增高，雷击的风险也相对增加，雷击已经成了自然界中对风电机组安全运行危害最大的一种灾害。雷电释放的巨大能量，会造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。目前，我国风电行业只能参照其他行业的标准，例如电力标准、气象标准等，同时验收标准也尚未统一。中科院电工研究所牵头制定的《风电机组的防雷标准》尚未完稿。在此，本文介绍相关标准的现状，以及国

外专家的一些相关建议。

（一） 雷电保护标准

现有应用于风力发电机的防雷电标准，有如下几项：

1.《IEC61024 防雷电结构》；

2.《IEC61662 雷电风险评估》；

3.《IEC61312 1-5 抗雷电电磁激励》。

目前，世界上还未专门针对风力发电机防雷电制定标准，在实际生产中，主要参考2002 年颁布的IEC/TR61400-24 Ed.1.0，名为《风力发电系统——24 节：雷电防护》。值得注意的是，在该文件的25 页注明：“此文件仅提供相关信息，非国际标准。”但不能否定，IEC/TR 614200-24 还是为风力发电机雷电保护相关标准的制定打开了大门。该文件包含了以下几个重要内容：

1. 风力发电机雷击损坏数据报告（章节4）；

2. 转子叶片、轴承和齿轮箱等部件雷电保护的综合分析（章节6 与7）；

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. 专业学习资料 . 风电机组的防雷和防雷标准

1 引言

在我国风电发展初期，风电场大部分集中在年平均雷电日较少的新疆和内蒙古等地区，采用的主要是450kW 级以下的风电机组，雷害问题并不突出。随着我国风电场建设速度不断加快、规模不断扩大以及风电机组的日益大型化，风电机组的雷害也日益显露。现阶段，我国风电场开发不断向高海拔和沿海地区拓展，大功率风电机组的塔架最高已经超过120m，是风电场中最高大的构筑物。在风电机组的20年寿命期内，难免会遭遇到雷电的直击。中国可再生能源学会风能专业委员会于2009 年9月在肇庆召开的叶片专业组年会，将叶片的防雷作为一个重要问题进行了研讨，说明风电机组防雷已经引起专家的高度重视。

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 系列标准的第24 部分于2002 年6 月出版，其初衷是想为这个相对年经的工业提供防雷知识。该标准在几年的实践中证明，技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。但是随着大型风电机组的发展和风电场向外海的拓展，雷害问题比2002

年以前更加复杂和突出。因此，有必要制订一个风电机组防雷标准以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）便提上了议事日程。

2 风电机组的雷害

IEC 61400-24 2002 中， 阐明了不同于其他建筑物的风电机组雷害问题，机组的结构特点、工作原理以及所处场地等因素使其容易遭受雷害。人们已经了解建筑物高度对雷击过程的影响。高度超过60m 的建筑物会发生侧击，即部分雷电击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。风电机组塔架是高于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。另外，从雷电机理可知，与.. . .. .

风力发电场的防雷技术探讨

摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风力发电有了很大进展。随着风力发电的供需日益增长，风力发电机越来越多地被安装在具有高土壤电阻率和高雷击发生率的次优地理位置，这使得风力发电场电气设备的防雷系统成为风电场设计的关键因素。本文首先分析了风电场集电线路防雷的必要性，其次探讨了风力发电场防雷的位置和经验。

关键词：风力发电机;汇流环;等电位连接;技术错误

引言

近年来，风力发电场的发电需求增加迅猛，这一增长导致在雷击事件概率高的地方和土壤电阻率高的区域安装了更多的风力发电机(WTG)。据中国农机工业协会风能设备分会数据统计，全国风场因雷击造成的叶片受损率高达1%，部分高雷暴区可达5%，保守估计每年因雷击造成的叶片损伤高达3000片。此外，风电机组容量不断增大，高度不断增高，使得雷击事故率成倍增长。为了确保风能利用的持续增长，需要一个有效的防雷系统(LPS)。雷击不仅会损坏单个风力发电机及其组件，还会损坏部分风电场和部分电网，这可能导致WTG停时间增加。停机时间的增加不仅会增加成本，还会增加WTG发电的不确定性。为了减少与雷电相关的对WTG的损坏，需要对防雷接地装置进行有效的设计，并对各设备与防雷装置的连接有效性进行评估。

1风电场集电线路防雷的必要性

集电线路是风电场的关键组成部分，集电线路能否安全运行，将直接影响风电场的运营。风电场运行时，会遇到雷击跳闸的问题。一般情况下，风电场所处位置比较特殊，通常建设在沿海、山地、荒地等居住人口较少的边远区域，由于这些区域地势较高或者比较开阔，很容易受雷电的影响，遭受雷击，从而对风电场稳定运行带来严重影响。据相关数据统计，在风电场各类跳闸事故中，沿海地区40%～70%是由雷电袭击集电线路所引起。再加上相较于其他地区，风电场地区土壤电阻率更高，因此更容易遭受雷击。雷击不仅会严重破坏集电线路，还会破坏相应设备，引发线路开关跳闸，严重干扰风电场正常发电运营。如果雷击比较严重，雷电波还会通过线路直接进入变电所，最终造成更严重的破坏。基于此，必须加强风电场集电线路防雷措施的实施，提高线路防雷能力，维护风电场安全稳定发电。