（华北电力大学 电气与电子工程学院 北京）
摘要：本文简要介绍了目前风电机组的典型防雷设计，通过大量的统计数据提出了目前风电机组防雷重点，具体论述了风电机组叶片雷击损坏的机理和形式，并提出了改进风电机组防雷工作的具体措施。
引言
雷电灾害是影响风电场运行的主要的自然灾害之一。2002年国际电工委员会（IEC）基于风电机组雷击特点和数据统计提出了IEC61400-24 风电机组防雷标准为风电机组防雷起到了积极作用， 2011年我国的国家标准《风电机组雷击防护》（GB/Z25427-2010）也正式发布实施。但随着大量风电机组的列装，实际运行情况中出现的雷害情况对于指导和改进风电机组的防雷工作有实际意义。
1. 风电机组典型防雷设计和要求
随着IEC61400-24等风电机组专业技术标准的出台，风电机组形成了较为典型的风电机组防雷技术方案，系统简图见图1。
1.1 叶片防雷方面：采用接闪器和引雷线设计，接闪器嵌入叶片叶尖部分，引雷线采用铜、铝、铝合金等导线内置敷设在叶片主梁，导线截面积50-70mm不等，随着长叶片技术的推广，接闪器数量选择上需要随着叶片长度的增加进行设置。
1.2 引雷通道方面。叶片引雷线通过轴承、轮毂、塔架引入接地网，跨越动静连接的轴承可采用滑环设计，形成完整、接触良好的引雷通道。
1.3 通讯系统防雷方面。一般在通讯电缆接入端必须设置瞬态保护，但是近年来通讯系统目前主要采用光缆为传输信号的介质。
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1.4 电气系统防雷方面。主要在风电机组主母线上设置浪涌保护器（SPD），一般在风电机组主母线，低压配电回路进行配置。
1.5 设备屏蔽方面。一般应采用连续完整的金属外壳将大规模集成电路的微电子设备封闭，进出设备信号线和电源线的屏蔽层在其进出口处与设备的外壳保持良好的电气接触。
1.6 等电位连接方面。从防止不同设备的电位差而造成两者之间的反击出发，将包括雷电流路径和设备金属外壳以及构建在内的各种金属物体和道题在电气上互相连接，形成一个电气上连接贯通的整体。
1.7 接地网方面。接地网的作用主要是将引雷通道传导的雷电流引入大地，目前我国风电机组防雷接地电阻一般要求不大于4欧姆，土壤电阻率高的特殊地区需采用接地深井、加降阻剂等来降低接地电阻。
2. 雷害数据统计和分析
雷击情况统计是探讨雷电灾害规律的重要的方法。笔者对国内某公司所有在运风电场的四年的年雷害情况数据进行了分析和梳理，涵盖了主要分布在我国三北地区、东南沿海和西南地区等不同地区的在运风电场。
2.1 雷害数据统计
表1风电场不同年份雷击损坏统计表
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2.2 雷害数据分析
“年均每百台机组损坏数”是IEC61400-24及我国国家标准中重要参考数据，也是衡量风电机组遭受雷击情况的重要指标。从上述统计中可以看出以下一些特点：
2.2.1 当前风电机组的防雷能力有了相对切实的提高
根据表1数据可以看出，风电机组年均百台机组的累积率约为0.9台.次,这个数据明显小于IEC61400-2002中第五部分的统计数据。在IEC标准中统计的1992-1999年风电机组雷击事故统计中，德国多年来每百台机组的雷击损坏率在10%左右，说明随着防雷标准和设计方案的完善，新技术的采用，风电机组防雷能力较以前有了大幅度的提升。
2.2.2 风电场的雷击频率与地形有密切关系
从表2中可以看出，相对海拔高的高山风电场其雷击损坏率较其地形风电场高出2-4倍，滩涂和海岛的雷击概率也较高。按照雷电放电理论，高耸的风电机组易产生上行先导，使大气电场产生畸变，大大降低闪络电压，雷击更容易发生。滩涂风电场等位于潮热区域，在夏季空气对流强烈，容易形成雷云，风电机组处于相对高位，雷害情况也较为严重。
但是值得一提的是，按照一般的雷击概率经验公式计算，见式子2.1和2.2，结合《中国年雷暴日分布图》，在雷暴日相同的山区风电场为其他一般地形为的2倍，但是从统计中看，山区风电场相对最高可达4倍以上。
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另外，统计中还发现叶片的雷击绝大部分是叶片开裂或损伤，见图2，占叶片损坏的94.3%，按照滚球法理论，风电机组的绕击率是存在的，但是实际上统计中发现雷击击中中部叶尖的只有5次，绕击率较低，主要仍是叶尖受雷击。
从上述的统计和分析可以看出：1、高山风电场的雷害是风电场中最为严重的，说明与地形特点紧密相连；2、风电机组雷击损坏以叶片叶尖为主，且随着风电机组大型化的进一步发展，仍可能呈增加趋势。3、目前随着电气、通讯防雷方面的措施的完善，按照相关标准实施，电气和通讯及防雷能力是有保障的，能够较好地满足生产实际需求。
3. 风电机组防雷的改进措施建议
从上述的统计、分析可以看出，叶片防雷是目前风电机组防雷中最薄弱和最提高的环节，加强叶片防雷的加强措施，从安全性和经济性都可以使得风电机组防雷能力得到大幅度的提升。叶片损坏原因从机理上讲主要是有以下几个原因：1、雷击后在叶片引雷导线发热，内腔形成内压力，造成叶片开裂；2、叶片雷击后造成引雷导线断股或损坏，多次雷击后导线通流能力下降，造成叶片爆炸；3、叶片长期运行后由于表面污秽，造成沿面闪络；4、叶片引雷导线材质的选择不当，高能雷击造成引雷导线融化。
叶片雷击率和损坏率高的情况，有地理位置高的原因、有本身运行特点造成的原因。综合考虑安全性和经济性，笔者认为，在现有标准的基础上应进一步高山风电场和沿海等污染影响的叶片的防雷措施。
4.1 高山风电场风电机组叶片必须采用铜导线，且铜导线的截面积必须大于50mm，铜导线的端部与轮毂相连处应采用铜编制带连接，防止应力集中情况出现，导致引雷线断股断线；
4.2 应在叶片叶端增设接闪器，增加接闪器的面积和体积可以有效减少雷击热效应的影响.国外某公司研发了一款叶片防雷带，有多个接闪器相连，可有效提高防雷能力。另外，也可防止表面污染后，叶片表面闪络情况的出现，提高叶片对雷电的拦截效率。
4.3 在雷击严重的地区，可考虑在叶片叶尖前缘处应设引雷的铜片，有效阻止防止对叶片前缘的侵蚀，防止潮气进入叶片纤维内部。铜片厚度不应小于4mm，通过胶合工艺胶合在叶尖前缘同时应与引雷线有效连接，与增设的接闪器增大叶片引雷分流的途径，缓解在局部点的过热情况出现。
4.4 在叶片端部盖板应开口设计，可减少叶片雷击后内压力的加大,缓解雷击后产生的叶片内腔压力，降低破坏力；
4.5 叶片的定期维护必须每年正常开展，清洁和维修工作在每年的雷季来临前进行，确保雷季期间叶片叶尖保持较高的闪络电压和设计防雷能力。
5. 结论
本文作者从统计角度出发，较为系统地分析了目前风电场雷击的特点和规律,指出了当前风电机组防雷的重点，对叶片防雷方面结合国外的研究资料提出了自己的改进观点，希望对风电机组防雷工作起到参考价值，由于水平有限，不足之处请谅解。
参考文献
1、风电机组防雷与接地 张小青著 中国电力出版社
2、IEC61400-24 风电机组防雷
3、GB/Z 25274-2010 风电机组 雷电防护
论文作者:张冬平
论文发表刊物:《电力设备》2015年第9期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：叶片论文; 机组论文; 防雷论文; 风电论文; 雷害论文; 导线论文; 风电场论文; 《电力设备》2015年第9期供稿论文;