风电机组的防雷和防雷标准
风力发电机组的气象防雷保护
风力发电机组的气象防雷保护：随着风力发电机组单机容量的不断増大，风机轮毂高度和叶片高点也在不断増高，在旷野、山顶和沿海地区，风机遭受雷击的概率非常大。
从各风场反馈的情况来看，雷击不但是造成风机故障停机的重要因素，甚至直接影响风电场的安全运行。
本文首先从雷电的破坏机理和形式入手，对雷电的防护区域进行了划分，并提出了风力发电机组的防雷保护设计原则和防雷系统工程方案;而后对风机整机系统的防雷保护进行了系统的分析，并提出了具体的防雷保护方法。
标签：风力发电防雷雷电1引言风能是一种绿色、安全的清洁能源，也是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生能源。
近年来，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毅高度和叶轮直径不断增高;同时，高原、沿海、海上等新型风力发电机组的开发，使风力发电机组开始大量应用于高原、沿海、海上等地形更为复杂，环境更为恶劣的地区，更加加大了风力发电机组被雷击的风险。
据统计，风电机组故障中，由遭遇雷击导致的故障占到4%。
电具有极大的破坏力，雷击释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等故障，给风电场带来直接和间接的巨大经济损失，此风力发电机组的防雷保护已日益引起各个风电机组制造厂家和风电机组研发设计人员的重视。
风电机组的防雷是一个综合性的工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风电机组在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风电机组内的各种设备不受损害。
2雷电的产生及危害雷电是雷云间或雷云与地面物体间的放电现象，电位差可达数兆瓦甚至十兆瓦，放电电流几十千安甚至几百千安。
经验表明，对地放电的雷云绝大部分带负电荷，当雷暴经过大地时，云块下方原本负电荷充电的几公里的雷暴范围内的大地可以变为正极充电。
这些正电荷会集中在垂的物体上，比如树木和高耸的建筑物。
这些物体向上释放出正极的放电，并试图与从云块发出的向下的负极放电相结合，当正负电荷相结合时，闪电就发生了。
2.1雷电的破坏形式风力发电机一般都是安装在空旷的地方，并且明显高于附近的建筑物和树木，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁下，尤其是叶片。
风力发电机的防雷解决方案
风力发电机的防雷解决方案(2009-03-02 00:00:54)标签：风机防雷教育分类：行业相关风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。
风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。
由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。
由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。
雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。
我国沿海地区地形复杂，雷暴日较多，应充分重视雷击给风力风电机组和运行人员带来的巨大威胁。
例如，红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件，据统计，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20%。
为了降低自然灾害带来的损失，必须充分了解它，并做出有针对性的防范措施。
风机的防雷是一个综合性的防雷工程，防雷设计的到位与否，直接关系到风机在雷雨天气时能否正常工作，并且确保风机内的各种设备不受损害等。
一、直击雷防护该风机主体高度约80米，叶片长度约40米，即风机最高点高度约为120米，且大多数风力发电机位于空旷地带，较孤立。
风机的高度加上所处特殊的环境，造成风力发电机在雷雨天气时极易遭受直击雷。
国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZ0 区（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 区，LPZ2 区。
在金属塔架接地良好的情况下，叶片、机舱的外部（包括机舱）、塔架外部（包括塔架）、箱式变压器应属于LPZ0 区，这些部位是遭受直击雷（绕雷）或不遭受直击雷但电磁场没有衰减的部位。
机舱内、塔架内的设备应属于 LPZ1 区，这其中包括电缆、发电机、齿轮箱等。
塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分应属于 LPZ2。
对与现有风力发电机的 LPZ0 区防雷过电压保护装置进行分析后，在LPZ0 区内，直击雷的防护在没有技术突破的前提下仍然沿用传统的富兰克林避雷方法：利用自身的高度使雷云下的电场发生畸变，从而将雷电吸引，以自身代替被保护物受雷击，以达到保护避雷的目。
风电防雷
在运行中的风力发电机组将会遭受雷击的事却是屡见不鲜，损坏设备，造成巨大损失，甚至危及人身安全。
为此，根据国外部分防雷研究成果及雷害统计资料数据，说明雷电危害风力发电机组的严峻性。
列举了国际著名风力发电机组厂家的防雷设计标准要求，从中看出当前防雷设计的差异。
指出要改善风力发电机防雷性能状况，必须从设计标准、制造规范、建设质量等根本环节着手，并应尽快建立我国风电行业(包括风机防雷)技术规范。
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。
风力发电机抗雷击保护标准技术建议
风力发电机抗雷击保护标准技术建议编者按：2009 年7 月29 日，第二届国际海上风电与传输大会在上海召开，会后相关企业领导与技术专家们对风力发电机的雷击现象表示担忧，而国内外也未在这一领域出台适用标准。
因此，本文针对这一尚未解决的技术问题，介绍了相关标准情况，以及美国标准技术专家Bruce Glushakow 的标准制订技术建议，以供相关技术人员参考。
众所周知，风力发电机组通常分散安臵在风能资源比较丰富的各种复杂地形带，如旷野、山顶等，同时风机叶片的高点达100 多米。
在这种情况下，风机极易遭到雷击。
目前，风电机组的单机容量越来越大，随着轮毂高度和叶轮直径的增高，雷击的风险也相对增加，雷击已经成了自然界中对风电机组安全运行危害最大的一种灾害。
雷电释放的巨大能量，会造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。
目前，我国风电行业只能参照其他行业的标准，例如电力标准、气象标准等，同时验收标准也尚未统一。
中科院电工研究所牵头制定的《风电机组的防雷标准》尚未完稿。
在此，本文介绍相关标准的现状，以及国外专家的一些相关建议。
（一）雷电保护标准现有应用于风力发电机的防雷电标准，有如下几项：1.《IEC61024 防雷电结构》；2.《IEC61662 雷电风险评估》；3.《IEC61312 1-5 抗雷电电磁激励》。
目前，世界上还未专门针对风力发电机防雷电制定标准，在实际生产中，主要参考2002 年颁布的IEC/TR61400-24 Ed.1.0，名为《风力发电系统——24 节：雷电防护》。
值得注意的是，在该文件的25 页注明：“此文件仅提供相关信息，非国际标准。
”但不能否定，IEC/TR 614200-24 还是为风力发电机雷电保护相关标准的制定打开了大门。
该文件包含了以下几个重要内容：1. 风力发电机雷击损坏数据报告（章节4）；2. 转子叶片、轴承和齿轮箱等部件雷电保护的综合分析（章节6 与7）；3. 在内容与其他国际标准保持一致的基础上提出，防雷系统必须保证峰值电流200kA 时，风力发电机不受损害（段落5.3）；4. 强调工作重点放在接地和焊接工序。
风电机组的防雷和防雷标准
风电机组的防雷和防雷标准邱传睿1、引言风电作为高效清洁的可再生能源，一问世就受到各国高度重视，我国是较早利用风力发电的国家，到现在为止，总装机容量已经排在亚洲第一、全球第三的位置，而发展速度名列世界前二。
风场高速发展的同时，风电机组的雷害也日益显露，因此风电机组的防雷被问题摆到了风电研发人员的面前。
风力资源丰富的风场往往处于高海拔和远离城市的地区及荒郊，风场中的风电机组容易遭受直接雷击。
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。
最初，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，那时都是450kW级以下的风力机，因此雷害并不突出，但是，今后我国风机要设置在苏北沿海、华南，甚至将离岸设置，同时我国将发展2.5MW级以上的风机，风力机的雷害问题引起了有关方面的高度重视，中国风能协会叶片专业委员会于2009年9月在肇庆召开的年会，将叶片的防雷作为一个重要问题进行了研讨，说明风力机的防雷得到大家的重视。
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24部分，于2002年6月出版。
当时，标准编制工作组想为这个相对年经的工业提供雷电和防雷的知识。
因此，在IEC 61400-24中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编制工作组编制的该技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。
在IEC 61400-24问世后不久，风电工业迅速的向大功率风力机发展，并且技术更加成熟，市场更加繁荣。
同时雷害的问题比2002年以前更加复杂和日益突出。
因此有必要有一个作为风电机组防雷标准的文件供风电行业人员使用。
这样，将IEC 61400由技术报告（TR）升级为技术标准（TS）便顺理成章提到议事日程上来了。
风力发电防雷方案
风力发电机系统
防雷解决方案
设计单位：OBO 中国培训中心（沈阳） 技术支持：利德风能（沈阳）
2007 年 12 月
联系人：孟红
风力发电机系统防雷解决方案
目
录
一、风力发电系统防雷配置表 二、风力发电机系统简介 三、引言 四、雷电造成的危害 五、设计总则 六、设计方案 七、防雷器配置表 八、维护与保修 九、附件
电网中由于故障或其它原因会突然停电。突然停电将给电力、银行金融、国防以及其它 部门带来不可估量的损失。UPS 的功能就是在突然停电的情况下，在很短的时间内及时将备 用电源投入，保证用电设备供电的连续性，使用电设备在突然停电的情况下仍能继续工作一 段时间或长期运行。但 UPS 不能消除暂态过电压，在电网停电 UPS 动作的情况下，反而会产 生暂态过电压。在暂态过电压的作用下，UPS 自身有可能被损坏。
风力发电系统防雷设计研究
风力发电系统防雷设计研究风力发电系统是一种利用风能转化为电能的装置，具有可再生、清洁、环保等优点，正逐渐成为全球能源结构调整的重要部分。
由于风力发电系统通常建在高处，暴雨、雷电等天气现象容易导致系统遭受雷击，引发安全隐患和设备损坏。
对风力发电系统进行防雷设计是非常重要的。
一、风力发电系统的防雷设计原则：1.系统的安全可靠性是最重要的考虑因素。
2.尽可能减小风力发电系统的雷击危害。
3.遵循国家相关防雷标准，确保系统的合规性。
二、风力发电系统的防雷设计内容：1.系统常规防雷保护措施：（1）系统接地设计：风力发电机组、输电线路和绝缘线设计良好的接地系统，可有效地降低雷击危害。
（2）引雷器：在风力发电系统中设置引雷器，将雷电引入地下或者避免直接击中关键设备，减少雷击对设备的损害。
（3）避雷针：在发电塔上安装避雷针，防止塔上人员遭受雷击伤害。
（4）金属防护：使用避雷针、金属网等材料对设备进行金属防护，形成电磁屏蔽，防止雷击对设备造成直接伤害。
2.高频保护系统设计：（1）设置防雷川流式闭合环节，对外部大气环境中的雷击脉冲进行拦截、吸收和消散，保护风力发电系统的高频设备。
（2）通过使用避雷器、稳压器等设备，对高频电路进行保护，防止雷击冲击对设备电路产生干扰和破坏。
3.系统的过电压保护设计：（1）使用过电压保护器对系统进行过电压保护，及时将过电压释放到地下或外部大气环境中，防止过电压对系统设备产生危害。
（2）设置过电压保护器的位置、数量和规格应根据系统的整体特点进行选择，确保可靠性和合理性。
4.系统的电气接地设计：（1）风力发电机组和输电线路的接地设计应符合相关防雷标准，确保接地电阻小于设计要求。
（2）通过设置接地体，提高接地效果，减小系统感应电阻，保护系统的安全运行。
5.系统的维护和监控：定期对风力发电系统进行维护和检测，确保系统设备的正常运行，及时处理可能存在的安全隐患。
总结：风力发电系统的防雷设计是保护系统设备和人员安全的重要环节。
风力发电机组内部防雷要点
风力发电机组内部防雷要点随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风电场的安全运行问题日益受到重视。
在影响风电场安全运行的诸多因素中，遭受雷击是一个重要方面。
本文结合风电机组防雷的研究成果，对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷措施进行了其内部防雷设计的要点阐述。
由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，风机的高度和安装位置决定了它是雷击的首选通道，而且风机内部集中了大量敏感的电气、电子设备，一次雷击带来的损坏将是非常大的。
因此，必须为风机内的电气、电子设备安装完整的防雷保护系统。
1、雷电对风电机组的危害雷电对风电机组的危害风力发电机通常位于开阔的区域，而且很高，所以整个风机是暴露在直接雷击的威胁之下，被雷电直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。
兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，因此风机的叶片部分特别容易被雷电击中。
风机内部集成了大量的电气、电子设备，可以说，我们平常用到的几乎每一种电子元件和电气设备，都可以在一台风电机组中找到其应用，例如开关柜、马达、驱动装置、变频器、传感器、执行机构，以及相应的总线系统等。
这些设备都集中在一个很小的区域内。
毫无疑问，电涌可以给风电机组带来相当严重的损坏。
以下的风力发电机数据由欧洲几个国家提供，其中包含了超过4000台风力发电机的数据。
表1是德国、丹麦和瑞典三国这些事故的汇总表。
由雷击导致的风力发电机损坏数量，每100台平均每年3.9次到8次。
从统计数据上显示，在北欧的风力发电机组中，每100台每年有4-8台遭受雷击而损坏。
值得注意的是：虽然损害部件是不相同的，但是控制系统部件雷击损坏占40-50%。
2、雷电的破坏形式设备遭雷击受损通常有4种情况，一是，设备直接遭受雷击而损坏;二是，雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源线或其他金属管线侵入设备使其受损;三是，设备接地体在雷击时产生瞬间高电位形成地电位“反击”而损坏;四是，设备因安装的方法或安装位置不当，受雷电在空间分布的电场、磁场影响而损坏。
风电机组叶片防雷检查
关于叶片防雷及接地的避免措施和检查方法整理如下，希望有所帮助。
一、目前叶片雷击基本为：雷电释放巨大能量，使叶片结构温度急剧升高，分解叶片内部气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏（更有叶片内存在水分而产生高温气体，爆裂）。
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损害。
经过统计：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。
多数情况下被雷击的区域在叶尖背面（或称吸力面）。
根据以上叙述，叶片防雷设计一般在叶尖装有接闪器捕捉雷电，再通过敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线使雷电导入大地，约束雷电，保护叶片。
二、按IEC61400-24标准的推荐值，叶片防雷击铜质电缆导线截面积最小为50平方毫米。
如果为高发区，可适当增加铜质电缆导线截面积。
三、我集团近期刚出的一个检查标准：1、叶片吊装前，逐片检查叶片疏水孔通畅。
2、叶片吊装前，逐片检查叶片表面是否存在损伤。
3、叶片吊装前，应逐片检查叶片防雷引下线连接是否完好、防雷引下线截面是否损伤，检测叶片接闪器到叶片根部法兰之间的直流电阻，并做好检测记录。
若叶片接闪器到叶片根部法兰之间的直流电阻值高于20 mΩ，应仔细检查防雷引下线各连接点联接是否存在问题。
叶片接闪器到叶片根部法兰之间直流电阻测量采用直流微欧计、双臂电桥或直流电阻测试仪（仪器分辨率不低于 1 mΩ），采用四端子法测量，检查叶片叶尖及叶片上全部接闪点与叶片根部法兰之间直流电阻，每点应测三次取平均值。
4、机组吊装前后，应检查变桨轴承、主轴承、偏航轴承上的泄雷装置（碳刷、滑环、放电间隙等）的完好性，并确认塔筒跨接线连接可靠。
表1 防雷检查及测试验收清单。
风电机组综合防雷
风电机组综合防雷风电机组都设置在风力强大、雷电多发的海岸、丘陵、山脊等地区的制高点，并远离其它高大物体，因此更易遭受雷击。
风电机组由于其自身的特殊性，也出现了其它建筑物不曾有的防雷难点：——风电机组是高度超过120m 的高大构筑物;——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;——叶片和机舱是旋转的(不利导流);——风电场中的风电机组往往位于接地条件不好的区域。
综合防雷措施从分析风电机组遭受雷击事故呈现出来的现象来看，原因多种多样：1 我国地域辽阔，各风电场所处的地理位置不同，风电机组所处的雷电环境也千差万别。
即使是在同一个风电场，安装在不同位置的风电机组遭受雷击的概率也不相同。
2 在实际的设计施工中，往往是同一个防雷设计方案应用到不同雷电环境下的风电机组上。
3 由于没有根据风电机组的实际情况选择合适的SPD，没有达到预期的电涌防护效果。
因此风电机组的雷电防护必须结合风电机组的特点、风电场的实际情况进行全面的考虑，按照防直击雷、防雷电电磁脉冲的方法设计一个综合的防雷系统工程，风电机组综合防雷系统包括如图1 所示的六个方面。
一、直击雷防护风电机组易接闪的部位主要是叶片、机舱和其上的测风、测温等设备以及塔身。
本章重点要讨论的是，如何从整体考虑的区域防雷来防止或减少风电机组遭受直击雷。
区域防雷主要思想是：依据雷击选择性、雷击电气-几何模型的理论以及“双极接闪针”能减少被保护物雷击几率的特性，将整个风电场看做一个整体，在风电场适当位置设置数个独立接闪针塔，机舱尾部上方安装一只“双极接闪针”。
将风电场区域内强度大的雷电吸引到接闪针塔上，减少强度大的雷电击中风电机组的概率。
根据雷击选择性，在一定区域内，在地面电场强度越大的地方，雷击越易发生。
通过架设的独立接闪针塔与机舱尾部上方安装的“双极接闪针”相配合，在雷云接近机组时，独立接闪针塔顶处的电场强度远远高于风电机组上的电场强度，这就达到让雷击发生在接闪针塔上的目的。
风电机组的防雷和防雷标准
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6 0m 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。
风力发电站防雷设计
风力发电站防雷设计一、防雷概述雷击防护的基本原理雷击防护：就是通过合理、有效的手段将雷电流的能量尽可能的引入到大地，是疏导，而不是堵雷或消雷。
正常采用的方法是采用提前放电避雷针或避雷针塔防护。
避雷针（或避雷带、避雷网、避雷针塔）、引下线和智能接地系统构成外部防雷系统，主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故；完整的防雷还包括内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏，这是外部防雷系统无法保证的，为了实现内部避雷，需对建筑物进出各保护区的电缆、金属管道等安装过电压保护器进行保护并良好接地。
A、多级分级（类）保护原则：即根据电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定防护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。
B、外部无源保护：在0级保护区即外部作无源保护，主要有提前放电避雷针（网、线、带）和接地装置（接地线、地极）。
保护原理：当雷云放电接近地面时，它使地面电场发生畸变。
在避雷针（线）顶部，形成局部电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（线）放电，再通过接地引下线，接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击。
这是人们长期实践证明的有效的防直击雷的方法。
然而，以往一般认为用避雷针架空得越高越好（一般只按45度角考虑），且使用被动放电式避雷针，其反应速度差，保护的范围小以及导通量小。
根据现代化发展的要求，避雷针应选择提前放电主动式的防雷装置，并且应该从30度、45度、60度等不同角度考虑，安装，以做到对各种雷击的防护，增大保护范围以及增加导通量。
建筑物的所有外露金属构件（管道），都应与防雷网（带，线）良好连接。
风能是当前技术最成熟、最具备规模开发条件的可再生洁净能源。
风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。
由于风力发电机组是在自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。
由于现代科学技术的迅猛发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径随着增高，相对的也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害，并且雷击对风电机组造成的危害主要有直击雷、感应雷、雷电波侵入、地电位反击等形式。
风电机组外部防雷技术措施PPT课件
C.Wagener
风电机组接闪状况
- clima sensors - aviation lights - antennas
cooling system
- generator - brake - gearbox - topbox - hydraulic
yaw drive
transformer station
--- 云地闪的形成过程
风电机组外部防雷相关参考标准
GB 50057 建筑物防雷设计规范
IEC 62305-1: 2006 雷电防护 第1部分: 总则 GB/T 21714.1-2008
IEC 62305-2: 2006 雷电防护 第2部分: 风险管理 GB/T 21714.2-2008
IEC 62305-3: 2006 雷电防护 第3部分:建筑物的物理损坏GB/T 21714.3-2008 和生命危险
2839
428
发电 能力 MW
每年风 力发电 机组数
352 9204
698 22000
178 1487
雷电 故障
738 851 86
每年每 百台风 力发电 机组故 障数 8.0
3.9
5.8
雷电对风电机组的损害（2）
-- 引自IEC61400-24 表5 雷击损毁风力发电机组的地区效应(德国)
设置 位置
沿海
北部 低地
数据库中 风力发电 机组数
616
519
发电 能力MW
178 88
每年风 力发电 机组数
4018
3213
雷电 故障
223 239
低山
363
86
总数
1498
352
1973
风力发电机组的防雷技术
风力发电机组的防雷技术1 引言随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电在近十几年来的发展非常迅速，到2001年底全世界的风电总装机容量已超过24GW[1]。
与此同时，风电机组的单机容量和风电场的总装机容量也不断增长，因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的关注。
影响风电场安全运行的因素很多，其中遭受雷击是一个非常重要的方面。
随着单机容量的增大，风电机组的塔筒越来越高，再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或山地，因此风电机组遭受雷击的概率也较大。
以德国风电场遭受雷击的情况为例。
德国风电部门对近年来该国风电机组的故障情况进行了统计，其中1992~1999年间风电机组雷击事故情况如表1所示[2]。
由表可见，多年以来德国风电场每100风机年的雷击数基本维持在10 %左右。
另外，调查结果还表明，在所有引发风电机组故障的因素中，外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）占16 %以上，其中雷击事故约占4%。
由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风电机组遭受雷击，只能在风电机组的设计、制造和安装过程中，采取防雷措施，使雷击造成的损失减到最小。
本文从雷电发生的机理和雷击过程入手，对风电机组的防雷技术进行了阐述分析。
2 雷击损坏机理雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象。
风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。
在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量[3,4]。
雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。
雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。
风电机组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。
（1）峰值电流当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。
热效应从根本上来说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。
风力发电机雷电防护
风力发电机雷电防护区域 的划分
LPZ 1 可选择SPD保护设备，存在电涌破坏的危险，电磁场由于 可选择SPD保护设备，存在电涌破坏的危险，电磁场由于 屏蔽作用已经减弱。 这类区域包括：轮毂内部；机舱电控柜内部；发电机接线 盒内部；照明系统；机舱与塔筒的线缆；塔筒内部；箱式 变电站内部； LPZ 2…n 电涌破坏进一步减弱，电磁破坏影响更小 2… 这类区域包括：变桨控制箱内部；塔基控制柜内部；箱式 变电站开关柜内部；
图（8 图（8）机架接地点示意图
等电位连接
机舱柜 门和侧板使用6mm 门和侧板使用6mm2的电缆进行跨接。 控制柜带有一个可靠的外部接地点，这一点通过35mm2的 控制柜带有一个可靠的外部接地点，这一点通过35mm2的 电缆与机架接地点进行最短距离连接。控制柜外部接地点 如图（9 如图（9）所示。
发电机定子与变频柜接地连接采用240mm 发电机定子与变频柜接地连接采用240mm2电缆。 变频器与塔内接地环采用240mm 变频器与塔内接地环采用240mm2接地电缆可靠相连，保证 变频器可靠接地。
等电位连接
齿轮箱机座与机架接地点相连。选用35mm 齿轮箱机座与机架接地点相连。选用35mm2接地电缆。齿 轮箱机座接地点如图（11）所示。 轮箱机座接地点如图（11）所示。
图（11）齿轮箱机座外部接地点 图（11）齿轮箱机座外部接地点
等电位连接
每节塔筒之间以及第一节塔筒与基础环的法兰处用三条 35mm2接地电缆相连。接地电缆在法兰处呈120度分布， 35mm2接地电缆相连。接地电缆在法兰处呈120度分布， 保证塔筒可靠电气连通。塔筒跨接示意图如图（12） 保证塔筒可靠电气连通。塔筒跨接示意图如图（12）
图（5 图（5）主轴接地示意图
外部防雷措施
风力发电机的防雷与接地参考文档
风力发电机的防雷与接地
风机的接地
风力发电机的防雷与接地
风机的接地
风力发电机的防雷与接地
风机的接地
风机的接地电阻 :为了将雷电流流散入大地而不 会产生危险的过电压，风机的工频接地电阻一般 应小于 4Ω，在土壤电阻率很大的地方可放宽到 10Ω。
? 电气系统防雷则主要是间接雷 击保护。
风力发电机的防雷与接地
外部直击雷的保护设计
风力发电机的防雷与接地
叶片的防雷保护
叶片防雷
叶片防雷重要性
位置最高是雷电袭击的首要目标 叶片是风力发电机组中最昂贵的部件
雷击造成叶片损坏
雷电击中叶尖后释放大量能量，雷电 流使叶尖结构内部温度急骤升高，造 成叶尖结构爆裂破坏甚至开裂；
? TT系统，前一个T：系统接地是直接接大地；后一个T： 用电设备外壳的保护接地是经PE线接单独的接地板直 接接大地，与电源中的N线线路和系统接地点毫无关连。
风力发电机的防雷与接地
风机的接地
? 风机接地系统应包括一个围绕风机基础的环状导体，此环 状导体埋设在距风机基础一米远的地面下一米处，采用 50mm2铜导体或直径更大些的铜导体；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接点之一。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。如果风机放置在接地电阻率高的区域,要延 伸接地网以保证接地电阻达到规范要求。若测得接地网电 阻值大于要求的值，则必须采取降阻措施，直至达到标准 要求。
雷击造成的巨大声波，对叶片结构造 成冲击破坏
风电机组极易遭到雷击 风电防雷急需行业标准
风电机组极易遭到雷击 风电防雷急需行业标准目前，我国风电行业发展十分迅猛，但有专家表示，我国风电在防雷方面依然存在较多问题，很容易造成安全隐患。
在能源日益紧张的今天，风力发电由于高效清洁，越来越受到人们的青睐。
据报道，我国风力发电已经连续3年实现翻番增长，总装机容量已经排在亚洲第一、世界第四，而且还在飞速发展，各地都在争先恐后地上马风电项目。
在此大好形势下，有关专家却表示，我国风电行业在防雷接地方面普遍存在一定安全隐患，如果处理不善，极易造成风电机组的雷击事故。
风电机组极易遭到雷击众所周知，风力发电机组分散安置在风能资源比较好的各种复杂地形地带，如旷野、山顶等，环境比较恶劣，特别是风机的叶片高点甚至达100多米。
在这种环境下，高高耸立的风机就很容易被雷电击中。
目前，风电机组的单机容量越来越大。
为吸收更多能量，随着轮毂高度和叶轮直径的增高，相对也增加了被雷击的风险，雷击成了自然界中对风电机组安全运行危害最大的一种灾害。
雷电释放的巨大能量，会造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。
统计资料显示，从1991年到1998年，德国全部的1498台风电机组共发生738起雷击故障事件。
我国风电场所处位置的地质和气候相对复杂，“风电机组遭到雷击的事故经常发生。
”风电专家、北京交通大学电气工程学院汪至中教授告诉记者。
据报道，我国红海湾风电场建成投产至今发生了多次雷击事件。
其中，叶片被击中率达4%，其他通讯电器元件被击中率更高达20%。
若风电机组遭受雷击，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。
当前，我国各地均已进入雷电多发期，“雷害是威胁风机安全运行的严重问题，风电防雷不容忽视。
”国标《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》主要起草人、北京欧地安科技有限公司总裁佟建勋说。
我国风电防雷问题较多专家表示，目前我国风电防雷存在较多问题，导致雷击事故发生概率较高。
“我国大部分机型都是从德国引进的。
iec风电机组防雷标准
iec风电机组防雷标准
IEC风电机组防雷标准是指国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）制定的关于风电机组防雷的标准。
该标准主要是为了保护风力发电机组免受雷击造成的损坏，并确保风力发电机组的安全运行。
IEC风电机组防雷标准包括以下几个方面：
1. 风力发电机叶片和塔筒的防雷设计：包括防雷装置的选择和安装位置、防雷线路的设计等。
2. 风力发电机组的接地系统：包括接地网的设计和安装、接地电阻的要求等。
3. 风力发电机组的内部防雷措施：包括电气设备的防雷保护措施、雷电冲击波的抑制等。
4. 风力发电机组的外部防雷措施：包括雷电感应电流的抑制、雷电击中的引导和分散等。
IEC风电机组防雷标准不仅适用于风力发电机组的设计和制造，也适用于其安装和运维过程中的防雷措施。
这些标准的实施可以有效地降低风力发电机组被雷击造成的损失，确保其可靠运行和安全性能。
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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6 0m 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。
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。
风电机组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。
原因是一次雷击包含有几个不连续的脉冲，即雷击的连续性，一次雷击的持续时间达到1s，这一时间足以使多个叶片暴露在雷电中（例如一个3 叶片的风电机组的旋转速度为20 r/m in，那么每个叶片的运动速度就为120°/s）。
雷击叶片时，雷电流通过整个机组构筑物入地，包括桨距轴承、轮毂和主轴轴承、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，损坏更严重。
风电机组的防雷问题，可以理解为有成千上万高度超过100m 的高大建筑物，位于荒郊野地，很容易遭受雷击。
这些构筑物内有复杂的电气和控制设备，外部用复合材料制成，还有长达60m 的旋转的叶片。
过去各国的经验已经证明，位于雷电频发地区的风电机组，在它服务寿命期内，都会遭到数次雷击。
因此，风电机组的防雷必须引起人们的注意。
3 IEC 61400技术标准概要3.1 IEC 61400技术标准编制背景2006 年，国际电工委员会（IEC）第81 委员会（TC81）完成了系列标准IEC 62305 ：2006 Protection againstLightning，我国于2008 年将其等同采用为国家标准，即GB/T 21714—2008《雷电防护》。
这时，IEC TC 88 第24 项目组提出以IEC 62305 ：2006 为主要参考文件，将IEC 61400 ：2002 由技术报告升级为技术标准。
第24 项目组希望有更多的防雷专家与风电机组的制造商合作，将防雷专家咨询变为防雷专家参与完成防雷工作。
虽然，风电机组的防雷还有一些未解决的难题（如叶片的有效防雷），但过去几十年的研究和经验证明，只要采取的措施得当，风电机组是可以防范雷电损坏的。
新的IEC 61400-24 注重将现存的IEC 62305 系列防雷标准、IEC 61000 系列EMC 标准、电机系统标准、电气系统标准兼顾，并考虑将叶片和最新的航空工业的研究成果和发布的标准SAE/EUROCAE 等应用到风电机组上，以达到保护电器和控制系统以及整个机组结构的目的。
新的标准强调用试验证明防护系统设计的有效性，提出对叶片进行高电压大电流试验。
高电压大电流试验最初用来进行飞机结构合格检验，现在许多叶片制造厂家已经用来检验叶片和风电机组雷电导流系统中的分离部件的导流和耐流能力。
3.2 新IEC 61400-24处理的主要题目3.2.1 风电机组雷电环境定义新IEC 61400-24 认为，IEC 62305-1定义的雷电流参数基本上也可用于风电机组的雷电防护系统设计以及防雷部件的选择和测试。
在IEC 62305-1 中，根据构筑物预期的雷击电流大小，将雷电防护水平分为表1 所示的几类。
我国各地雷电环境不同，预期的雷电流大小也不一样，应当根据我国不同地域使用和规定防护水平。
要考虑我国大多数地区雷电直接击中叶片时，电流达到200kA 的概率极小。
风电机组中的易损器件是接闪器（安装在叶尖）、接闪器系统、滑动接触器、火花间隙和电涌保护器（SPD）等，雷击转移的总电荷是确定材料易损（熔化）以及维修需求的关键参数。
增加易损器件的耐受雷电能力，重新设计这些部件的可靠性，使风电机组在其寿命期内可以抵御磨损和破裂。
图1 设置在山峰上的风电机组高度H的确定示意图3.2.2 风电机组雷害风险评估IEC 61400-24 ：2002 按照IEC/TR2 61662 Ed. 1.0 来评估风电机组的雷害。
新标准遵循IEC 6230 5-2 RiskManagement（风险管理）的雷电环境和风险评估程序评估风电机组的雷害，使其符合风电机组的情况。
新标准建议计算等效雷击截收面积时，风电机组的高度应为轮毂高度与风轮半径之和的高度，同时还要考虑地形的变化（图1）。