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，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量可以高达300C，也就是说，上行雷造成的对建筑物的损坏比例随着高度增加而增加，当塔架高度超过100m 时上行雷击的概率升高。而风电机组一般设置在风力强大的高于周围地区的制高点，并且远离其他高大物体，例如海岸、丘陵、山脊，这些地区正是雷电多发区，因此更能吸引雷电。
　　据德国、丹麦、瑞典等欧洲国家统计，雷电引起故障的频率是，每年每百台机组达3.9 次到8 次。直接雷击可以使叶片遭到损毁；雷电电磁脉冲（雷电感应过电压）等间接雷击可以使发电机、变压器、变流器等电气设备和控制、通信、SCADA 等电子系统遭受灾难性损坏；也有极个别的轮毂、齿轮箱、液压系统、偏航系统和传动系统及机械制动器等雷击损坏的报道。其中控制系统、传感器、通信、SCADA 等弱电部件遭受雷害的概率较大，这是因为这些弱电器件的耐过电压和过电流的能力较弱，雷电电磁脉冲会使其损坏，但由于维修方便，直接和间接经济损失与由于叶片损坏所造成的损失相比不算很大。
　　叶片在遭到直击雷时损坏都比较严重，且遭到损毁的叶片不易修复。离岸或在边远地区设置的机组，物资运输极其困难，维修人员的开销很大，同时风电场停止运行的收入损失也是巨大的。因此，叶片的雷害最引人关注。
　　另外一个问题是现代大型风电机组的叶片用不能传导雷电流的复合材料制成，例如玻璃纤维增强塑料或木材层压板。在叶片未加防护时，一旦被雷电击中就会造成损坏。因此，对这类叶片作防雷要求是必要的。用玻璃纤维增强塑料制成的机舱外壳，也应当采取防直接雷击措施。