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摘要： 随着风电机组单机容量的不断增大，遭受雷击的问题越来越严重。从雷电的形成，破坏机理，破坏形式入手，对风电机组的防雷保护系统进行阐述分析。
关键词： 风电机组；防雷
中图分类号：TM6文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110007－01
1 雷电的形成
雷电是一种大气中放电现象。雷电的形成过程中，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，在云层某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，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。这种放电有的是在云层与云层之间进行，有的是在云层与大地之间进行。风电机组遭受雷击实际上就是带电雷云与大地之间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有巨大的电流和能量。
2 雷电的破坏机理
风电机组遭受雷击损坏的机理与雷击放电的电流波形和雷电参数密切相关。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。
2.1 峰值电流
当雷电流流过被击物时，会导致被击物的温度升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时(如叶片中的导体)还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中骤增的高温会对被击物造成极大的破坏。这也是导致许多风机叶片损坏的主要原因。
2.2 转移电荷
物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，缩短其使用寿命。
2.3 电流陡度
风电机组遭受雷击的过程中经常会造成控制系统或电子器件损坏，其主要原因是存在感应过电压。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。
3 雷电的破坏形式
设备遭雷击受损通常有4种情况，一是，设备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设备使其受损；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，设备因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。
4 风电机组的防雷
根据雷电的破坏形式，风电机组的防雷可分为外部防雷保护和内部防雷保护。
4.1 外部防雷保护
外部防雷保护主要用以防直击雷，通常都是采用避雷针、避雷线等作为接闪器，将雷电流接收下来，由风力机的金属部分引导，通过转动和非转动系统部件间的放电间隙过渡，导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。外部防雷保护一般是基于5个不同的位置受到雷击。它们分别是3个叶片，机舱盖的顶部和风速仪支架。
4.1.1 叶片防雷保护。风电机组上的每个叶片都包含接闪器和敷设在叶片内腔并连接到叶片根部的导引线，叶片根部通过截面不小于70mm2铜芯电缆连接到轮毂，再通过放电间隙把雷电流从轮毂引至机舱主机架，塔架，一直引入大地，从而避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀损坏。
4.1.2 机舱防雷保护。风电机组的机舱罩一般采用非导电材料制成，并可考虑在机舱表面内布置金属带或者金属网，由金属带或金属网构成一个法拉第笼，对机舱内的部件起到良好的防雷保护作用。如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于对机舱实施了直击雷保护，但是考虑到叶片是旋转的，可考虑在机舱首尾端加装避雷针保护。机舱内部全部采用等电位连接，以保护人身不会受到接触电压的危险。
4.1.3 塔架及引下线。专门敷设引下线连接机舱和塔架，引下线跨越偏航齿圈，因此雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。而对于钢塔架，雷电流则可通过自身传导至接地系统。
4.1.4 接地系统。风机的接地系统由1个金属圆环和若干个接地棒组成。金属圆环围绕风机基础设置，采用50mm2以上的铜导体，埋设在距风机基础1m远的地下1m处。根据IEC规范的要求：接地电阻须小于1～2Ω，若测得接地电阻值大于2Ω，必须采用降阻措施使接地电阻值达到相应要求。常用降阻措施是将风电场内所有机组接地网都连接起来。
4.2 内部防雷保护
内部防雷保护主要用于减小和防止雷电流在需防空间内产生电磁效应，通常由等地电位连接系统、屏蔽系统、合理的布线和过电压保护等组成。
4.2.1 等地电位连接系统。电气柜采用薄钢板制作，可以有效地防止电磁脉冲干扰；线路应尽可能靠近金属构件布置。由于雷电流具有趋肤效应，所以金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果；风速计和风标与避雷针一起接地等电位；机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适的尺寸接地带连接到机舱主框作为等电位。
4.2.2 屏蔽系统。屏蔽可以减少元件间的电容性耦合，互相影响的元件间适当增加距离（比如移动电线靠近地面，使用接地电线管或者电缆保护管，减少暴露面）也可以减少元件间的电容性耦合。使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响。对于多根电缆，可考虑分别将A、B、C一起捆扎，以减小电磁干扰。塔架与机舱的通信采用光纤连接，以避免干扰。
4.2.3 合理布线。风电机组布线时，应尽可能地减小感应电压，通常采用的方法是：线路尽可能短而直，且尽可能靠近承载雷电流的构件；设置多个平行通道，使电流最小，并尽可能将线路靠近电流密度小的导体；敏感的线路应特殊处理，如布置在金属线槽等；多重的搭接和最短的搭接长度可使电压差最小。
4.2.4 过电压保护。对于过电压保护，风电机组可根据雷电对该区域部件的影响划分区域，主要考虑是否可能有直击雷和雷电流的大小以及相关的电磁干扰情况。而过电压保护装置只需要安装在从高保护等级的区域连接到低保护等级的区域的电缆上。
5 结语
雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的重要因素，因此必须加强对风电机组防雷技术的研究。雷电活动水平和强度地区性差异大，而我国风电机组技术大都是从国外引进，在引进吸收过程中，制造出更适合我国国情的风电机组是我们迫切需要做的。
关键词： 风电机组；防雷
中图分类号：TM6文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0110007－01
1 雷电的形成
雷电是一种大气中放电现象。雷电的形成过程中，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，在云层某些部分积聚起正电荷，另一部分积聚起负电荷，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。这种放电有的是在云层与云层之间进行，有的是在云层与大地之间进行。风电机组遭受雷击实际上就是带电雷云与大地之间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有巨大的电流和能量。
2 雷电的破坏机理
风电机组遭受雷击损坏的机理与雷击放电的电流波形和雷电参数密切相关。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。
2.1 峰值电流
当雷电流流过被击物时，会导致被击物的温度升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电流流过被击物时(如叶片中的导体)还可能产生很大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过程中骤增的高温会对被击物造成极大的破坏。这也是导致许多风机叶片损坏的主要原因。
2.2 转移电荷
物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够大还可能导致金属熔化。这是威胁风电机组轴承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会加速其磨损，缩短其使用寿命。
2.3 电流陡度
风电机组遭受雷击的过程中经常会造成控制系统或电子器件损坏，其主要原因是存在感应过电压。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。
3 雷电的破坏形式
设备遭雷击受损通常有4种情况，一是，设备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设备使其受损；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，设备因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。
4 风电机组的防雷
根据雷电的破坏形式，风电机组的防雷可分为外部防雷保护和内部防雷保护。
4.1 外部防雷保护
外部防雷保护主要用以防直击雷，通常都是采用避雷针、避雷线等作为接闪器，将雷电流接收下来，由风力机的金属部分引导，通过转动和非转动系统部件间的放电间隙过渡，导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。外部防雷保护一般是基于5个不同的位置受到雷击。它们分别是3个叶片，机舱盖的顶部和风速仪支架。
4.1.1 叶片防雷保护。风电机组上的每个叶片都包含接闪器和敷设在叶片内腔并连接到叶片根部的导引线，叶片根部通过截面不小于70mm2铜芯电缆连接到轮毂，再通过放电间隙把雷电流从轮毂引至机舱主机架，塔架，一直引入大地，从而避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀损坏。
4.1.2 机舱防雷保护。风电机组的机舱罩一般采用非导电材料制成，并可考虑在机舱表面内布置金属带或者金属网，由金属带或金属网构成一个法拉第笼，对机舱内的部件起到良好的防雷保护作用。如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于对机舱实施了直击雷保护，但是考虑到叶片是旋转的，可考虑在机舱首尾端加装避雷针保护。机舱内部全部采用等电位连接，以保护人身不会受到接触电压的危险。
4.1.3 塔架及引下线。专门敷设引下线连接机舱和塔架，引下线跨越偏航齿圈，因此雷击时将不受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。而对于钢塔架，雷电流则可通过自身传导至接地系统。
4.1.4 接地系统。风机的接地系统由1个金属圆环和若干个接地棒组成。金属圆环围绕风机基础设置，采用50mm2以上的铜导体，埋设在距风机基础1m远的地下1m处。根据IEC规范的要求：接地电阻须小于1～2Ω，若测得接地电阻值大于2Ω，必须采用降阻措施使接地电阻值达到相应要求。常用降阻措施是将风电场内所有机组接地网都连接起来。
4.2 内部防雷保护
内部防雷保护主要用于减小和防止雷电流在需防空间内产生电磁效应，通常由等地电位连接系统、屏蔽系统、合理的布线和过电压保护等组成。
4.2.1 等地电位连接系统。电气柜采用薄钢板制作，可以有效地防止电磁脉冲干扰；线路应尽可能靠近金属构件布置。由于雷电流具有趋肤效应，所以金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽效果；风速计和风标与避雷针一起接地等电位；机舱的所有组件如主轴承、发电机、齿轮箱、液压站等以合适的尺寸接地带连接到机舱主框作为等电位。
4.2.2 屏蔽系统。屏蔽可以减少元件间的电容性耦合，互相影响的元件间适当增加距离（比如移动电线靠近地面，使用接地电线管或者电缆保护管，减少暴露面）也可以减少元件间的电容性耦合。使用屏蔽电缆可以减少电磁耦合的影响。对于多根电缆，可考虑分别将A、B、C一起捆扎，以减小电磁干扰。塔架与机舱的通信采用光纤连接，以避免干扰。
4.2.3 合理布线。风电机组布线时，应尽可能地减小感应电压，通常采用的方法是：线路尽可能短而直，且尽可能靠近承载雷电流的构件；设置多个平行通道，使电流最小，并尽可能将线路靠近电流密度小的导体；敏感的线路应特殊处理，如布置在金属线槽等；多重的搭接和最短的搭接长度可使电压差最小。
4.2.4 过电压保护。对于过电压保护，风电机组可根据雷电对该区域部件的影响划分区域，主要考虑是否可能有直击雷和雷电流的大小以及相关的电磁干扰情况。而过电压保护装置只需要安装在从高保护等级的区域连接到低保护等级的区域的电缆上。
5 结语
雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运行的重要因素，因此必须加强对风电机组防雷技术的研究。雷电活动水平和强度地区性差异大，而我国风电机组技术大都是从国外引进，在引进吸收过程中，制造出更适合我国国情的风电机组是我们迫切需要做的。