风电防雷接地

风电防雷接地

1 风机的防雷特点

电闪雷鸣释放的巨大能量，会造成风机叶片爆裂、电气绝缘击穿、自动化控制和通信元件烧毁……

1.1 一般雷击率

在年均10雷电日地区，建筑物高度h与一般雷击率n的关系见表1。

1.2 环境

风力发电特点是：风机分散安置在旷野，大型风机叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达60～70 m，易受雷击；风力发电机组的电气绝缘低（发电机电压690 V、大量使用自动化控制和通信元件）。因此，就防雷来说，其环境远比常规发电机组的环境恶劣。

1.3 严重性

风力发电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。若其遭受雷击（特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击），除了损失修复期间应该发电所得之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。丹麦LM公司资料介绍：1994年，害损坏超过6%，修理费用估计至少1 500万克朗(当年丹麦装机540 MW，平均2.8万克朗/MW) 。按LM公司估计，世界每年有1%～2%的转轮叶片受到雷电袭击。叶片受雷击的损坏中，多数在叶尖是容易被修补的，但少数情况则要更换整个叶片。雷击风机常常引起机电系统的过电压，造成风机自动化控制和通信元件的烧毁、发电机击穿、电气设备损坏等事故。所以，雷害是威胁风机安全经济运行的严重问题。

2 叶片防雷研究

雷击造成叶片损坏的机理是：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。

美国瞬变特性研究院用人工电晕发生器，在全复合材料的叶片做雷击试验，高电压、长电弧冲击（3．5 MV，20 kA）加在无防雷设置的叶片上，结论是叶片必须加装防雷装置。

TACKE公司设计了玻璃钢防雷叶片（图1），叶片顶端铆装一个不锈钢叶尖，用铜丝网贴在叶片两面，将叶尖与叶根连为一导电体。铜丝网一方面可将叶尖的雷电引导至大地，也防止雷击叶片主体。

丹麦LM公司于1994年获得叶片防雷的科研项目，由丹麦能源部资助，包括丹麦研究院雷电专家、风机生产厂、工业保险业、风电场和商业组织在内，目的在于调查研究雷电导致叶片损害，开发安全耐用的防雷叶片。研究人员在实验室进行一系列的仿真测试，电压达1．6 MV，电流到200 kA，进行雷电冲击，验证叶片结构能力和雷电安全性。研究表明：不管叶片是用木头或玻璃纤维制成，或是叶片包导电体，雷电导致损害的范围取决于叶片的形式。叶片全绝缘并不减少被雷击的危险，而且会增加损害的次数。研究还表明：多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。在研究的基础上，LM叶片防雷性能得到了发展，在叶尖装有接闪器（图2）捕捉雷电，再通过叶片内腔导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片，设计简单和耐用。如果接闪器或传导系统附件需要更换，只是机械性的改换。

3 雷害资料数据

3.1 我国个别案例

1995年8月，浙江苍南风电场1台FD16型55 k W风机受雷击，从叶尖到叶根开裂损坏报废。我国各风场的雷害，没有统计资料。

3.2 丹麦和德国统计的雷击数据

3.2.1 风机雷击率

丹麦1200台、德国1400台风机遭雷击数据见表2。

德国雷击率比丹麦高出1倍。除了地点不同，收集时间短(一般认为需要15 a),或许有德国的风机平均总高度44．3 m比丹麦的35．5 m高等因素。

3.2.2 雷击地区分布

德国1992～1995年雷击地区分布数据见表3。

3.2.3 受雷击损坏部位

德国和丹麦风机受雷击损坏部位数据见表4。

3.2.4 影响利用率

德国和丹麦因风机受雷击损坏造成损失的天数见表5。

3.2.5 影响发电量

因风机受雷击损坏不同部位所影响的发电量（丹麦）见表6。

3.2.6 修理费用

用在修复受雷击损坏的风机上的费用（德国）见表7。

3.2.7 德国资料记录

雷击停机后可再次顺利启动的大约占10．5%，说明防雷保护的作用。

3.2.8 统计资料分析

通过上述统计资料分析，可以认为：

a）德国、丹麦统计数据说明风机遭雷击概率高，估计我国多雷地区会更严重；

b）安装在高山的风机，比在低地和海边更容易受雷击；

c）控制系统损坏率最高，是雷害薄弱环节，电气系统和发电机损坏概率也不低，说明雷电造成的过电压必须引起重视；

d）叶片损坏造成损失电量最多、修理费用最大；

e）德国记录雷击停机后有大约10．5%可再次顺利启动，很值得进一步研究。

4 防雷标准及地电阻要求

现代的雷电保护，可分为外部雷电保护和内部的雷电保护两部分。按照IEC1024－1标准，以雷电5个重要参数，确定保护水平分I～IV级（表8）。

如今，风机叶片（如LM叶片）的防雷，是按照IEC1024－1的Ⅰ级保护水平设计，并通过有关型式试验，所以，叶片避免直击雷的破坏大有改善。当外部直击雷打到叶片，将雷电引导入大地也不难。但是，风力发电机组在离地40～50 m机舱内的设备,和地面控制框设备都与雷电引下系统有某种相连，雷电流引起过电压，造成这些设备的损坏是面广而棘手的问题。

雷电流引起过电压，取决引下系统和接地网。目前，国际风机厂家对地电阻值的要求(表9)很不一样：丹麦(Vestas、Micon)允许较大；美国(Zond)西班牙(Made)次之；德国(Nordex、Jacobs)要求地电阻值最小。

我国尚没有风力发电机组防雷和过电压保护（包括地电阻值）的行业标准，这是风机国产化和风电场设计急需解决的问题。

5 防雷和过电压保护设计

5.1 外部直击雷的保护设计

5.1.1 叶片

如上所述，包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线，叶片的铝质根部连接到轮毂、引至机舱主机架、一直引入大地。叶片防雷系统的主要目标是避免雷电直击叶片本体，而导致叶片本身发热膨胀、迸裂损害。

5.1.2 机舱

机舱主机架除了与叶片相连，还连接机舱顶上避雷棒，见图3。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击。主机架再连接到塔架和基础的接地网。

5.1.3 塔架及引下线

专设的引下线连接机舱和塔架，减轻电压降，跨越偏航环，机舱和偏航刹车盘通过接地线连接，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。

5.1.4 接地网

接地网设在混凝土基础的周围，见图4。接地网包括1个50 mm2铜环导体，置在离基础1 m地下1 m 处；每隔一定距离打入地下镀铜接地棒，作为铜导电环的补充；铜导电环连接到塔架2个相反位置，地面的控制器连接到连点之一。有的设计在铜环导体与塔基中间加上两个环导体，使跨步电压更加改善。如果风机放置在高地电阻区域,地网将要延伸保证地电阻达到规范要求。一个有效的接地系统，应保证雷电入地，为人员和动物提供最大限度的安全，以及保护风机部件不受损坏。