雷電對風力發電機組的危害及對策

摘要

風能是當前技術最成熟、最具備規模開發條件的可再生潔凈能源。風能發電為人與自然和諧發展提供了基礎。由于風力發電機組是在自然環境下工作，不可避免的會受到自然災害的影響。

由于現代科學技術的迅猛發展，風力發電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對的也增加了被雷擊的風險，雷擊成了自然界中對風力發電機組安全運行危害最大的一種災害。雷電釋放的巨大能量會造成風力發電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。我國沿海地區地形復雜，雷暴日較多，應充分重視雷擊給風力風電機組和運行人員帶來的巨大威脅。例如，紅海灣風電場建成投產至今發生了多次雷擊事件，據統計，葉片被擊中率達4%，其他通訊電器元件被擊中率更高達20% 。

為了降低自然災害帶來的損失，必須充分了解它，并做出有針對性的防范措施。筆者作為風電第一線工作人員，根據自己在現場運行工作中積累的第一手資料結合國內外風電場運行的經驗教訓以及風電行業最新發展情況，整理出本文與同行們共同學習、共同進步為推動我國風力發電事業蓬勃發展盡一份力!

1 雷電的形成

空中的塵埃、冰晶等物質在大氣運動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層上下層分別形成了帶正負電荷的帶電中心，運動過程中當異性帶電中心之間的空氣被其強大的電場擊穿時，就形成放電。對風電場運行帶來危害的主要是云地放電，帶負電荷的云層向下靠近地面時，地面的凸出物、金屬等會被感應出正電荷，隨著電場的逐步增強，雷云向下形成下行先導，地面的物體形成向上閃流，云和大地之間的電位差達到一定程度（25—30kV/cm）時，即發生猛烈對地放電。

2、雷電的主要特點

(1)沖擊電流大：其電流高達幾萬-幾十萬安培；

(2)時間短：雷擊分為三個階段，即先導放電、主放電、余光放電，整個過程一般不會超過60 微秒；

(3)雷電流變化梯度大：雷電流變化梯度大，有的可達10 千安/微秒；

(4)沖擊電壓高強大的電流產生的交變磁場，其感應電壓可高達上億伏。通常雷擊有三種形式，直擊雷、感應雷、球形雷。

3、雷電的破壞

設備遭雷擊受損通常有四種情況，一是直接遭受雷擊而損壞；二是雷電脈沖沿著與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵入使設備受損；三是設備接地體在雷擊時產生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞；四是設備安裝的方法或安裝位置不當，受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。

由于風力發電機組的葉片高度較高，葉片成了最易受直接雷擊的部件（如圖一），其他部件遭感應雷和球形雷破壞的風險也相應增加(如圖二)。葉片是風力發電機組最昂貴的部件之一，大部分雷擊事故只損壞葉片的葉尖部分，少量的毀損壞整個葉片。雷擊造成葉片損壞主要有兩個方面：一方面是雷電擊中葉尖后，釋放大量能量，強大的雷電流使葉尖結構內部的溫度急驟升高，水分受熱汽化膨脹，從而產生很大的機械力，造成葉尖結構爆裂破壞，嚴重時使整個葉片開裂。另一方面雷擊造成的巨大聲波，對葉片結構造成沖擊破壞。還有一點值得關注的是雷擊一般是擊中葉片上翼面。

有關變電站和輸電線路的防雷技術已經比較成熟，在此略過。本文在此主要探討風力發電機組防雷問題。經過對雷擊特點的研究分析，提出以下幾點經濟可靠的綜合性防雷措施：

4.1 利用新材料防雷電

針對雷電對設備的破壞特性，試驗證明降低被擊物體結構內部阻抗，對地形成通路就可以免遭雷擊破壞。根據這一特性，在葉片上翼面復合材料中加入具有良好導電性能和比重輕的碳纖維，并在葉尖部位裝一個接閃器，通過電纜與葉片法蘭連接，再由輪轂通過塔架內的接地線接入地網形成雷電通道(如果通道中轉動部分導電性能不能達到導電要求，可以加裝導電滑環解決)。當雷電擊中葉片時，強大的雷電流通過雷電通道瀉入大地，達到避雷效果，而不致使對葉片及其他設備造成損壞。這樣實際上葉片成了引雷針，將周圍的雷電引來并提前放電，因此應特別注意雷電通道阻抗要非常小，連接導線要有足夠導電截面及良好的導電性，接地網一定要保證盡量小的阻抗值。

4.2 利用避雷網防雷電

將風場內所有建筑工程基礎和地樁間利用導電截面積足夠的金屬導體連接為一體形成可靠的具有低電阻接地網，接地電阻越小越好。由于對地電阻小，強大的雷電流能夠迅速散流到大地，使設備不受強電流、高電壓沖擊，對被保護設備起到很好的防護效果。

4.3 利用避雷器防雷電

避雷器又稱電涌保護器，在風力發電機組電力電纜和通訊控制線線路上安裝避雷器，就能把因雷電感應而竄入電力電纜線、信號傳輸線的高電壓限制在一定范圍內，保證設備不被擊穿而達到防雷效果。另外，因為通訊較脆弱、抗干擾能力較差，為避免雷電帶來影響，建議風力發電機組與風場監控系統的通訊聯系使用光纖傳輸。

2利用新技術監測雷電

在葉片上嵌置光導纖維，加上綜合配套的軟件，對葉片的載荷、溫度、潛在斷裂及破壞、雷電打擊等起到連續不間斷的全天候監測，并提供適時的預警或維修警告，而無需停機檢查，對風機實行優化運營與使用，以提高運行的可靠性和延長葉片壽命。

總之，雷電能量非常巨大，雷擊方式是復雜的，采用合理適當的防雷措施只能減少損失，只有更多新技術的突破和應用才能對雷電進行完全防護并加以利用。