风电机组的防雷防护技术及应用

　　根据雷电机理，雷云在风场上空时，风力机容易形成上行雷，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量可以高达3000，风力机高度增加上行雷造成的风力机雷害也增加，当风塔高度超过loom时上行雷击的概率大大升高。据统计，高度超过60m的建筑物往往会发生侧击，即有一部分雷电击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。风力机是高于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。还有，风电机组都设置在风力强大的地区，例如海岸、丘陵、山脊等荒郊野地，而这些地区正是雷电多发区，风电机组设置在高于周围地区的制高点，并且远离其它高大物体，因此它更加能吸引雷电。
　　叶片雷击损毁严重的一个主要原因是现代大型风力机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，我国现在开始用得竹纤维层压板。在叶片未加防护时，一旦被雷电击中就会造成损坏。因此，必须对这类叶片采取防雷措施。
　　风电机组还是不断旋转运动的机械，于是又出现了一个特殊问题----雷击的风险出现在旋转叶片上多处，并且不止一个叶片遭到雷击。我们知道雷击的连续性，即一次闪电包含有几个不连续的雷击，一次闪电的持续时间达到1s。这一时间足以使多个叶片暴露在雷击中（例如一个3叶片的风力机以20rpm的速度旋转，那么每叶片的运动速度就为1200 /s)。雷电流通过整个风力机构筑物入地，包括桨距轴承、轮毅和主轴轴承、齿轮、发动机轴承、底座、偏航轴承和塔架。雷电流流经齿轮和轴承可使其损坏，特别是在滚轮和滚道之间以及齿轮与轮齿间有润滑层时。
　　机舱外壳都是用玻璃纤维增强塑料或碳纤维合成材料做成，也有遭到雷击的可能，它们也应当采取防直接雷击措施。风力机在设计时一定要考虑叶片、机舱的直击雷防护和发电机、变压器、变频器等电气设备和控制、通信、SCADA等等敏感电子设备的雷害电磁脉冲防护。
　　叶片的防雷
　　风机的叶片几何结构复杂，雷电来时，叶片完全暴露在直击雷下，它的防雷比其它构筑物复杂。
　　沿着同一电离路径的整个放电过程称为闪电，其持续时间可以达到IS以上。云中先导与风机迎面先导汇合形成完整的雷击。风场叶片上发生的上行雷为多，其原因就是地面突出物有先导向上发展，成为雷闪的主流。图1说明风机叶片产生向上先导与云中先导汇合形成对风机叶片雷击的示例。雷击叶片后，雷电流将从雷击点通过叶片一轮毅一机舱一风塔一塔基一接地系统入地。雷电流流经叶片，可以产生热效应和机械效应，流经机舱和风塔时，强大的雷电流诱发的雷电电磁脉冲可以对电气系统和电子设备造成危害。
　　雷电击中风电机组的入侵点称为雷击点，一般，雷闪打在叶片的接闪器(receptor）处，图2是雷击叶片的照片，雷电流由雷击点流入风电机组，这时，造成的典型损坏是：
　　1)叶片表面复合材料开裂和灰化，以及雷击点的金属部件烧毁或熔化（开裂是机械损坏、灰化则是热效应的结果）。
　　2）雷电在叶片内部形成电弧（这时，风力机叶片的损坏最为严重，空气中的电弧会存在于叶片内的空洞和叶片表面，这种属于电气损坏）。
　　3）另一种损坏是雷电流传到复合材料层之间时，因为层间有些潮气，内部电弧加热潮气引起压力冲击使叶片爆裂或使叶片表面沿着前后缘和叶片承载梁处撕裂损坏（小至叶片表面发生裂纹，大到叶片完全碎裂）。有时，压力波会通过轮毅从受雷击的叶片传到其它的叶片上而引起损坏，（热效应和机械损坏）
　　4）在叶尖雷击点和导体部件之间常会形成内部电弧。
　　有叶尖刹车的叶片的损坏常局限在叶尖部分，而叶片主体保持完好。当叶片主体内部形成电弧时，常可看见有叶尖刹车的叶片主体的损坏。在控制叶尖刹车的钢丝没有足够的截面积将雷电流从轴尖传递到轮毅时，经常会发生叶片主体损坏的情况。对于有副翼的叶片来说，叶片就会完全毁坏。
　　因此，导致风力机叶片严重损坏的原因是叶片内部的雷电弧周围形成了压力冲击波。当雷电弧在叶片外表面形成或当传递雷电流的金属部件的截面积足够大时，风力机叶片的损坏会比较小。
　　下面有两个例子，一个是美国Texas南风场雷害，一个是日本北海道某风场冬雷雷害。
　　美国Texas南风场内风力机输出功率1.5MW，发电机叶片由玻璃纤维增强复合材料构成。叶片内部采用硬质聚氨醋泡沫塑料包裹在玻璃纤维上形成加强横梁，并采用多层有绝对强度的聚氨醋／玻璃纤维作为内部层，一耐应力的效果相当好。该地雷闪密度为每年每平方公里5至6个，2006到2008年3年中，该场5％的风力机叶片被雷击损坏，2008年4月6日雷电将155号机的4608号叶片完全击坏（叶片解体，导流线截断），美国国家雷电监测网报道雷击时刻（08: 36' 38"）记录的该地雷电电流为10kA。比较起来，这次雷击雷电流不算大，但叶片的损坏相对却十分严重。美国国家雷电研究所（National Lightning SafetyInstitute-NLS1)，2008年6月对该例的研究认为，导雷线未达到设计水平，叶片内部的空气和水气在大雷电流流过时气化和膨胀产生机械力，是这次叶片损毁的主要原因。在研究中发现，该厂叶片叶尖有一个“接闪器”。雷击接闪器后，大电流进入叶片，由于瞬时雷电流达到10kA，雷电流从接闪器进入后沿“导雷线”入地网，瞬时电流产生了25000℃以上的高温，使得“导雷线”熔断，同时将叶片内残存的水汽加热，水汽急剧膨胀使叶片爆裂。
　　日本北海道某风场在2006年12月6日一次冬雷时，一台1000kW风机测得的雷电电荷为739C，但风机未被击坏。这台风机在叶片上部装有碟形接闪器，导流线可以传导上百千安的电流而无机械损坏。松下公司在2006年做了叶片大电流室内试验。将模拟雷电流加到长度为29,5m，叶片上部装有几个碟形接闪器和棒型接闪器。试验中发现,  施加正冲击电压时，接闪器的接闪率为100%，施加负冲击电压时，接闪器的接闪率也有70%，其余的电流直接流向引下线。松下也做过有接闪器和无接闪器的对比试验，叶片无接闪器时，施加负冲击电压，叶片截雷58%，机舱截雷42%。