我国的风电场从年平均雷电日较少的新疆和内蒙开始发展,当初是450kW级以下的风力机,因此雷害并不突出。目前MW级的大功率的风电机成为风场的主机型,大功率风电机的风塔高度已经超过120m,是风场中最高大的构筑物,在风电机组的20年寿命期内,总会遭遇到几次雷电直击。今后我国将大力发展2.5MW级以上的风电机组,风电机组还将设置在苏北沿海、华南,甚至设置海上风场。因此风电机组的雷害问题引起了风电行业从业人员的重视。风电机组的防雷被提到风电研发人员的议事日程。
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IEC61400时,编制了一个技术报告(TR),作为IEC 61400系列标准的24部分于2002年6月出版。该标准已经由我国风标委等同采用上报为国家标准。当时IEC是想为这个相对年经的工业提供雷电和防雷知识。该标准提供了一些风力机雷害的背景资料,也提供了最实用的防雷指导。在几年的实践中证明了该技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。近年来,全世界清洁能源发展势头越来越猛,风电产业迅速向大功率风力机发展,并且更加繁荣和更加成熟,风场向外海设置,使雷害的问题比2002年以前更加复杂和突出。因此!EC第88工作委员会正在制定一个作为风电机组防雷标准的文件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)。
风电机组的雷害
2006年,IEC的TC81发布了系列标准IEC 62305《雷电防护》。它主要是建筑物及建筑物内的电气电子设备的防雷规则,对于风电机组,其基本原则可以采用,但具体的防护方法则需要根据风机和风场的特点确定,这也是I EC第88工作委员会第24项目组编制新的风电机组防雷的原因。
IEC第88工作委员会第24项目组认为,风电机组的雷害是其它建筑物不曾有的,因为:
—风电机组是高度超过150m的高大构筑物;
—风电机组常常布置在非常容易
受到雷击的场地;
—风电机组的许多暴露部件,如叶片和机舱盖往往由不能承受直击雷或传导直击雷电流的复合材料制成;
—叶片和机舱是转动的:
—雷电流必须通过风力机的结构传导到大地,因此,实际上大部分雷电流将流经或靠近所有的风力机部件。
—风电场中的风电机组往往位于接地条件不好的区域。
直击雷可以使风轮叶片遭到损毁。雷电电磁脉冲等非直接雷击可以使发电机、变压器、变频器等电气设备和控制、通信、SCADA等电子系统等灾难性损坏。也有极个别的轮v、齿轮箱、液压系统、偏航系统和传动系统及机械制动器等遭到雷击损坏。在2008到2009年期间,我国的风机雷害也开始显现,笔者在风场,亲眼看见了风机叶片,变频器以及控制、通信、SCADA等电子系统受雷害造成经济损失的情景。
按照雷害次数统计,控制系统、传感器、通信、SCADA等弱电部件的雷害概率较大,这是因为这些弱电器件的耐过电压和过电流的能力较弱,雷电电磁脉冲一即雷电感应过电压会使其损坏,但由于维修方便,直接和间接经济损失与风轮叶片比较不算很大。风轮叶片在直击雷袭击的时可能会损毁,直击雷概率较小,风轮叶片遭到直击雷袭击的概率更小,但叶片一旦遭到雷击,损坏就会比较严重,叶片维修和恢复都很费事,离岸和在边远地区设置的风机,运输物资极其困难,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,风轮叶片的雷害造成的直接和间接经济损失都是巨大的,所以叶片的雷害最引人关注。