（西昌飓源风电开发有限公司 四川西昌市 615000）
摘要：雷电放电作为一种具有爆发力的自然灾害会给地面设备带来灾害。当雷电击中风机后，强大的雷电流将沿着桨叶到塔体再到接地装置路径流入地面，造成风机塔体上暂态电位的抬升。暂态电位的抬高会使塔体与周围金属导体之间形成的电位差。当这一电位差大于导体之间的绝缘耐受强度时，绝缘层会被击穿，产生反击事故。同时由于雷电流波头的上升时间非常短暂，其电磁脉冲会在风电机组内部的电源线路，信号线路及电力电缆线路上产生高幅值的感应过电压。风电机组内信号回路及其它电力电子设备耐压水平较低，当感应过电压沿线路侵入设备后易造成电子设备及器件的损坏。雷电流具有很高的能量，雷电流通过金属导体泄放后会产生的热能导致短时间内雷击局部范围温度的升高。虽然该温升持续时间较短，但对于截面积较小的金属体，过高的温度会造成金属物体雷击点局部的金属的融毁。因此做好风电机组的防雷工作是至关重要的。
关键词：风电机组；防雷；维护
1风电机组和叶片防雷的必要性
在中国的风力发电行业的起步阶段，风电场通常建设在西北部地区，因为这些地方一年之中发生雷电的情况比较少，从而建设中主要使用450kW级以下的风电机组，这样雷害的问题就不会那么突出目前风电场中的雷害问题日趋严重，主要是因为风电机组的规模不断大型化，风电场的建设速度不断提升。据统计，在我国的沿海地区和一些高海拔地区，一些风电场已在建设中，也有一些已投入使用，其中塔架高度超过120m的风电机组已成为风电场中最高达的构筑物，这也使得其最容易受到雷电的袭击，其中叶片的防雷间题尤为重要。
雷击可以造成风电机组的部分器件受到损害，通常分为直接雷击和间接雷击两种，其中叶片损毁的都是直接雷击造成的，而引发变压器、变流器、发电机、SCADA电子系统、通信系统和控制系统发生严重故障的基本上是由于雷电感应过电压（雷电电磁脉冲）等间接雷击造成的。在一些报道中，也会发现有液压系统、传动系统、齿轮箱等部位遭受雷击损害的。在这些器件中，遭受雷害的概率较大的主要是由弱电器件组成的部分，例如传感器、SCADA系统、通信系统和控制系统。虽然它们承受过电流和过电压的能力较差，容易造成损害，但是维修相对比较便捷，而且由此产生的直接和间接的经济损失要比由于叶片损坏所造成的损失小得多。
叶片遭受雷击问题之所以越来越受到重视，主要是因为两个方面：
第一、经济方面，建在边远地区或是海上的风电机组，维修费用高、物品运输困难、而由此造成风电场停止运作，所产生的经济损失也是巨大的。
第二、技术方面，由直接雷击造成的叶片损坏，情况都比较严重，而且损毁的叶片也极难修复。
另外，像玻璃纤维增强塑料这种具有不传导雷击电流功能的复合材料是组成风电机组风叶的主要成分二这种类型的防雷工作是必不可少的，如果不给叶片增加防护，那么只要被雷电击中，叶片就会损坏。利用相同材料制成的机舱外壳，同样要采取防直接雷击的相关措施。
叶片受到雷击的过程中，雷击电流会通过轮毂、齿轮、桨距轴承、主轴轴承、发动机轴承、偏航轴承、底座和塔架流入大地。雷击电流流过轴承和齿轮，可以造成其部位的损坏，当轮齿和齿轮之间、滚道和滚轮之间油润滑层存在时，雷击造成的损伤更为严重。大量实验证明，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高度重视。
2风电机组的防雷
2.1接地点的选择
土壤本身种类是决定土壤电阻率的重要因素，不同种类的土壤之间的电阻率相差很大。土壤电阻率受温度与湿度的影响较大，极端情况下当土壤温度降低到0℃及以下，土壤冻结，其电阻率会急剧上升，其电阻率值是20℃的4.2倍。因此在埋设接地体时应该设法躲开地表下的高电阻率冻土层。绝对干燥的土坡是良好的绝缘体，随着土壤中水含量的增加，电阻率会逐渐下降，在实际施工中接地点的选择应在土壤湿度大的地方，如办公楼的背阴面，地下水的出口灯等地，甚至可以利用地下水源，将接地体敷设在水下，达到减小接地电阻的目的。除了土壤温度与湿度外，当土壤中含有无机电解质时，由于这些电解质在水分中电离，会使土壤电阻率降低，考虑到这种情况可以人为向土壤中渗入电解质以降低土壤电阻率。
2.2降低接地电阻的技术措施
（1）更换土壤：更换土壤是在接地体周围用低电阻率的土壤人为的取替换原本电阻率高的土壤。在进行换土施工时首先要确定换土的范围，研究表明从接地体表明算起，在距离为10倍接地体尺寸内的土壤对接地电阻贡献很大，占接地电阻的90%，实际施工中可参考这一范围并考虑接地体的具体形状进行换土设计。实际应用表明这种方法对小尺寸接地装置经济实用。
（2）深井接地：土壤电阻率在土壤中的分布是不均匀的，越靠近地表土壤电阻率越不稳定，土壤所处地层越深，其电阻率就越稳定。采用钻孔机在土壤中打出一定直径的井孔，在孔中插入接地体，然后用低电阻率材料进行回填，保证接地体与材料的充分接触。深井接地打孔深度通常在3m-50m，并要求井的宽度应大于垂直接地体的长度的2倍。随着打孔深度的增加，此方法的成本也会迅速的增长。
（3）外延和延长接地体：接地装置安置位置受相连建筑物的约束，有时候接地装置只能埋设在高土壤电阻率的区域，此时当接地装置附近有土壤电阻率低的区域时可以在这些地方埋设接地体，通过外延导体将主接地装置和低电阻率区域埋设的接地进行电气连接。加大水平接地体尺寸也是降低接地装置接地电阻的常用方法。此方法能够有效的降低工频接地电阻，但对于冲击接地电阻而言，延伸的接地体长度是不能无限制的增加，随着水平接地体长度的增大，导体电感的影响也在增大，进而增大冲击系数，导致雷电条件下保护效果不理想。
（4）添加降阻剂：接地体的接地电阻主要取决于其中的接触电阻和散流电阻两个分量。接触电阻是由于接地体表面与周围土壤接触不良而产生的电阻，它与土壤致密程度、土壤湿度和接地体表面电阻率等因素有关。此电阻对接地体散流极为不利，研究表明随着影响接触电阻各种因素的变化，其阻值可占总接地电阻的10%-60%。降阻剂是由导电良好的材料混合而成，其电阻率通常小于1Ω·m。
由于降阻剂电阻率很小，当降阻剂敷设在接地周围时相当于加大了接地体自身截面，有利于减小散流电阻。降阻剂本身可以加工成半流体状，在压力灌浇技术的作用下能够与接地体充分接触，避免了像土壤一样留有空隙，进而有效的减小了接触电阻。在接地体周围填充进降阻剂后，降阻剂会向周围土壤渗透，导致土壤中导电离子浓度的上升，改善了土壤的导电能力，更有利于土壤散流。雷电冲击下接地体周围会形成树状降阻剂束须区，当接地体传导并泄散雷电流入地时，接地体上的暂态高电位能借助这些降阻剂束须以辐射状向土壤中传播，束须末端向外形成电弧区，电流从电弧区再向外扩散又形成火花区。雷电流越大，火花区向外延伸范围也就越大，使得冲击电阻得到减小。
2.3避雷器对雷电电涌的防护作用
本文以M型结构公共接地（此连接方法芯线上的过电压幅值最大，对设备的危害最严重）为例，观察雷击桨叶和雷击高压侧两种情况保护器动作后对各设备上雷电过电压的影响。
2.3.1雷击桨叶时电涌防护
雷击桨叶时主要是电缆上的电涌保护器（SPD）起保护作用，表1是只在电缆顶端安装一组电涌保护器的电缆上的雷电过电压幅值，可发现在安装了电涌保护器的顶端，芯线过电压幅值大幅下降，此时芯线顶端的雷电过电压幅值由电涌保护器残压决定。随着接地电阻的降低，电涌保护器残压幅值略有下降。在接地装置接地电阻1Ω条件下，芯线顶端电压幅值只有原来的1.1%。观察可知，电缆其它位置的雷电过电压幅值在保护器的作用下也所下降，但距离电涌保护器越远的位置保护效果越差，芯线末端电压幅值只降低到原来的11.1%。电涌保护器作用下屏蔽层的电压分布也受到了一定影响，且屏蔽层多数位置电压幅值比原来有所下降。
3防雷系统及其维护
叶片上的电气设备主要是接闪器，接闪器是外部防雷系统的主要部件，同时也是风电机组中的易损器件。经过大量的现场案列，不难发现，叶片被雷击的部位，绝大部分在叶尖位置，只有较少的时候击中叶片的其他部位。因此接闪器一般都安装在叶尖。防雷系统就是要通过接地设备，将闪电流引入地下，即闪电流从叶片接闪器，经过导线快速流过叶片、机舱，从而达到避雷器。这样雷击所产生的过电压就会在传导的过程中通过电离消耗掉，而不是在进人叶片接闪器时放电。
雷击属于自然现象，我们无法控制，但是通过一些措施，可以减低叶片遭受的雷击的次数。例如，定期清理叶尖部位的排水孔，保持干净无杂质、经常检查叶片的防雷系统，发现问题，及时修复。这些措施都可以有效的保护叶片，延长叶片的使用寿命。对于防雷系统，每年要进行例行检修，检测接闪器截获雷电的能力是否下降到设定值以下，传导系统的传导性能是否保持良好，接地系统的接地状况是否良好。在遭受恶劣的雷电天气后，要在外部条件许可后尽快对防雷系统的性能，尤其是叶尖接闪器进行检查。此外，由于接闪器属于易损件，还要根据厂家的规定定期更换。
4结语
近年来风力发电技术日新月异，全球建设的风电场，其规模也是在逐渐扩大，与此同时，单机容量也在快速提高，使得风电场的运行安全问题越来越受到重视。风电场在运行中容易受到雷电的威胁，因此做好风电机组的防雷工作是非常必要的，本文对风电机组防雷系统及其危害进行了简要的分析，希望能够为风电场的安全运行提供帮助。
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[4]王森.风力发电机组防雷保护研究[J].山西建筑，2015，29：147-148.
论文作者:张金明
论文发表刊物:《电力设备》2016年第23期
论文发表时间:2017/1/19
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