雷电对风力发电机组的危害及对策

　　风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发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力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。我国沿海地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。例如，红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件，据统计，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20%。为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的防范措施。笔者作为风电第一线工作人员，根据自己在现场运行工作中积累的第一手资料结合国内外风电场运行的经验教训以及风电行业最新发展情况，整理出本文与同行们共同学习、共同进步为推动我国风力发电事业蓬勃发展尽一份力!

　　1空中的尘埃、冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层上下层分别形成了带正负电荷的带电中心，运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时，就形成放电。对风电场运行带来危害的主要是云地放电，带负电荷的云层向下靠近地面时，地面的凸出物、金属等会被感应出正电荷，随着电场的逐步增强，雷云向下形成下行先导，地面的物体形成向上闪流，云和大地之间的电位差达到一定程度（25—30kV/cm）时，即发生猛烈对地放电。

　　2雷电的主要特点

　　2.1、冲击电流大：其电流高达几万-几十万安培；

　　2.2、时间短：雷击分为三个阶段，即先导放电、主放电、余光放电，整个过程一般不会超过60微秒；

　　2.3、雷电流变化梯度大：雷电流变化梯度大，有的可达10千安/微秒；

　　2.4、冲击电压高强大的电流产生的交变磁场，其感应电压可高达上亿伏。通常雷击有三种形式，直击雷、感应雷、球形雷。

　　3雷电的破坏

　　设备遭雷击受损通常有四种情况，一是直接遭受雷击而损坏；二是雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入使设备受损；三是设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏；四是设备安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。

　　由于风力发电机组的叶片高度较高，叶片成了最易受直接雷击的部件（如图一），其他部件遭感应雷和球形雷破坏的风险也相应增加(如图二)。叶片是风力发电机组最昂贵的部件之一，大部分雷击事故只损坏叶片的叶尖部分，少量的毁损坏整个叶片。雷击造成叶片损坏主要有两个方面：一方面是雷电击中叶尖后，释放大量能量，强大的雷电流使叶尖结构内部的温度急骤升高，水分受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，造成叶尖结构爆裂破坏，严重时使整个叶片开裂。

　　另一方面雷击造成的巨大声波，对叶片结构造成冲击破坏。还有一点值得关注的是雷击一般是击中叶片上翼面。有关变电站和输电线路的防雷技术已经比较成熟，在此略过。本文在此主要探讨风力发电机组防雷问题。经过对雷击特点的研究分析，提出以下几点经济可靠的综合性防雷措施：

　　4.1利用新材料防雷电

　　针对雷电对设备的破坏特性，试验证明降低被击物体结构内部阻抗，对地形成通路就可以免遭雷击破坏。根据这一特性，在叶片上翼面复合材料中加入具有良好导电性能和比重轻的碳纤维，并在叶尖部位装一个接闪器，通过电缆与叶片法兰连接，再由轮毂通过塔架内的接地线接入地网形成雷电通道(如果通道中转动部分导电性能不能达到导电要求，可以加装导电滑环解决)。当雷电击中叶片时，强大的雷电流通过雷电通道泻入大地，达到避雷效果，而不致使对叶片及其他设备造成损坏。这样实际上叶片成了引雷针，将周围的雷电引来并提前放电，因此应特别注意雷电通道阻抗要非常小，连接导线要有足够导电截面及良好的导电性，接地网一定要保证尽量小的阻抗值。

　　4.2

　　利用避雷网防雷电将风场内所有建筑工程基础和地桩间利用导电截面积足够的金属导体连接为一体形成可靠的具有低电阻接地网，接地电阻越小越好。由于对地电阻小，强大的雷电流能够迅速散流到大地，使设备不受强电流、高电压冲击，对被保护设备起到很好的防护效果。

　　4.3利用避雷器防雷电

　　避雷器又称电涌保护器，在风力发电机组电力电缆和通讯控制线线路上安装避雷器，就能把因雷电感应而窜入电力电缆线、信号传输线的高电压限制在一定范围内，保证设备不被击穿而达到防雷效果。另外，因为通讯较脆弱、抗干扰能力较差，为避免雷电带来影响，建议风力发电机组与风场监控系统的通讯联系使用光纤传输。

　　4.4利用新技术监测雷电

　　在叶片上嵌置光导纤维，加上综合配套的软件，对叶片的载荷、温度、潜在断裂及破坏、雷电打击等起到连续不间断的全天候监测，并提供适时的预警或维修警告，而无需停机检查，对风机实行优化运营与使用，以提高运行的可靠性和延长叶片寿命。

　　总之，雷电能量非常巨大，雷击方式是复杂的，采用合理适当的防雷措施只能减少损失，只有更多新技术的突破和应用才能对雷电进行完全防护并加以利用。