论文部分内容阅读
摘要：：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。
关键词：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。因被雷击中的概率与该物体高度的平方成正比，况且风力发电机几乎任何地方都可能成为雷击的附着点，当任一点被雷击中时，它都将成为雷电流泄放的通路。风力发电机组的内部有很多的电子电气设备，比如控制柜、驱动装置、传感器、变频器、执行机构，以及相应的总线系统等。设备遭雷击受损通常有4种情况，1.设备直接遭受雷击而损坏;2.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人设备使其受损;3.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;4.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。虽然国际电工委员会（IEC）于2002年已经颁布了风电机组的防雷推荐标准（IEC/TR 61400-24），但该标准仅制定了一套设计导则[5]，只是用于雷电防护的一般情况，其内容多限于一般性和经验性的设计原则，但没有规定量化的设计条款和具体的实施细则，对雷电瞬态过程的防护措施设置尚不够规范[6]。
2.2雷电防护区域的划分
雷电防护区域的提出是为了更好的保护风机系统里的电气部件。风电机组系统利用半径30m的滚球法可以分为几个不同的区域。雷电防护系统依据标准制定划分区域，目的是为了减少电磁干扰与可预见的藕合干扰。国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZO区（LPZA、LPZOB），LPZI区，LPZ2区.
LPZ0A区有直击雷（绕雷）侵袭的危险， 完全处在电磁场环境中，具有雷击电涌破坏的可能。这个区域包括：叶片、机舱罩避雷针系统、塔架、架空电力线、风电场通讯电缆;LPZOB区没有直击的危险，但电磁场环境与雷电电涌没有任何减低[5]。这类区域包括叶片加热部分、环境测量传感器、航标灯未平蔽的机舱内部、发电机、齿轮箱、冷却系统、传动系统、电气控制柜、传感器、电缆。以上部位是遭受直击雷（绕雷）或不遭受直击雷，但电磁场没有衰减的部位。
LPZl区可选择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。这类区域包括机舱内、塔架内的设备如电缆、发电机、齿轮箱等。
LPZ2区电涌破坏进一步减弱，电磁破坏影响更小。这类区域包括塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分。
3 防雷和过电压保护设计
3.1风力发电机组的雷电接受和传导途径
雷电由在叶片表面接闪电极引导，由雷电引下线传到叶片根部，通过叶片根部传给叶片法兰，通过叶片法兰和变桨轴承传到轮毂，通过轮毂法兰和主轴承传到主轴，通过主轴和基座传到偏航轴承，通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。
3.2外部直击雷的保护设计
叶片 ：叶片防雷系统包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线.雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，受损后也可以更换。雷电传导部分在叶片内部将雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。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。
3.3機舱
机舱主机架与叶片、机舱顶上避雷棒连接，再连接到塔架和基础的接地网。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统的传导。机舱上层平台为钢结构件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。
3.4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，机舱和偏航制动盘通过接地线连接，因此，雷击时将不会受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。 3.5接地网
接地网设在混凝土基础的周围[3]。接地网包括1个50平方毫米铜环导体，置在离基础地下 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。日本学者利用时域有限差分法对于机组的含接地环的接地体进行了电磁暂态的分析，并得出了环形电极对机组防雷保护的基本特性[7]，[8]。
3.6内部防雷（过电压）保护系统
为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备如 ：金属构架、金属装置、电气装置、通信装置和外来的导体应作等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过接入点传输到接地网。
3.7等电位汇接和隔离
风速计、风标和环境温度传感器在机舱内一起等电位接地 ;机舱的所有组件如避雷针、主轴承、发电机、齿轮箱和液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位 ;主空开进线电缆接地线与控制柜、变压器和电抗器在塔底接地汇流排上作等电位连接 ;地面开关盘框由一个封闭金属盒，连接到地等电位。在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接 ;对处理器和传感器，分开供电的直流电源。
4雷电响应
4.1 叶片的雷电暂态响应
首先雷电流从叶片顶端注入，电流源波形为10/350畔，雷电流幅值为lOOkA。
上图4-1，所示为雷电流注入风机时叶片上雷电流波形。从图中可以看出叶片上的雷电流波形和10/350%雷电流波形走势是大体相同的，只不过雷电流波形发生了一定的振荡， 这是因为电网络结构是由电感和电容组成的，电路本身的自振频率，使得部分的高频电流会通过电路，从而使叶片上通过的电流出现振荡，另外EMTP软件中在求解这种暂态电路是利用梯形积分法来求解的，会放大高频电流的影响，这样也会使得电流出现振荡。
下图是雷电流从桨叶上注入，其上的电压抬升情况的数值计算的仿真。在此是将桨叶平均分为四段，将桨叶上分段结点由上往下依次标号为结点a、b、c， d、e，那么其上各节点的电压波形如下图4-2。
可以看出雷电一旦击中风机叶片会有几十甚至几百千安的电流通过，相应的桨叶壳体上的电压最大抬升可达几兆伏，由于桨叶内部是空心的机械结构，那么当电压增加到一定的程度时，桨叶内空气承受不住瞬间的这种高电压，就会叶片的壳体内发生电压反击，从而产生电弧，对叶片造成机械损害。另外，为了更好地反映叶片遭受雷击时，其上的电压分布情况，本文通过对叶片上的各节点的电压取平均值，绘制出了各结点电压平均值在叶片本体上的变化曲线。
本文中机组的桨叶长度为40m，其中上图中横坐标轴为零时，此时对应的是桨叶最端的结点电压，那么横坐标为40时，所对应的是桨叶最下端的电压。从上图4-3可以看出：雷电流在桨叶往下传播时，其上的电压下降了 1.25%左右。
虽然叶片的壳体由玻璃纤维（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）等高电阻率的材料组成，但在这么强大的雷电流作用下就很容易产生导电路径，在叶片上出现的放電通道可能有三条，即叶片壳体外表面、内表面和壳体材料叠层交界处。在一次雷电放电中，这三种放电路径并不一定只有一个，也可能雷电流在这三种路径之间来回跳变重复发生，并且在此期间时常伴有电弧的出现，弧道温度一般高达几万摄氏度，这么高的温度会严重烧毁壳体材料，同时高温会使叶片内部产生高压力冲击波，对叶片造成机械损伤（出现叶片裂缝，严重时导致叶片断裂）。因此， 对叶片的电压数值计算是非常必要的，现在，国际上对于风机叶片的防雷保护通常采用IEC-1024-1的I级保护水平设计，一般在叶片尖部嵌装圆盘形接闪器，接闪器与设置在叶片内部并跨接叶片全长的引下导体作电气连接，其目的就是为了雷电流能顺利的通过叶片，减少对叶片的损伤。
随着风电机组单机容量增大，叶片长度在增加，对于长度大于20m的叶片来说采用单接闪器加内置引下线措施通常已不再可靠，为此，现在较为实用的做法是在叶片上加装多个接闪器，这样可以大幅度地改善防雷装置对雷电下行先导的拦截性能，减小叶片表面非接闪器部位的雷击概率。目前这种做法巳经在MW级的机组上投入使用。
4.2轴承的雷电暂态响应
在机组叶片受雷击接闪后，雷电流由叶片根部传导到机舱主轴，流过主轴的雷电流又会通过轴承导入到下面的塔体上。而在这一过程中，轴承是最易受到雷电流损害的部件。当有强大的雷电流通过轴承时，雷电流很容易在轴承处的间隙发生油膜放电，产生电弧灼烧轴承，很有可能使轴承表面的部分金属发生熔化， 产生灼烧斑点，这样会造成轴和轴承工作时，大大加大两者之间的机械磨损，噪声增大，明显缩短工作寿命。在文献[1]中提出了简单轴承模型注入雷电流的试验， 试验中得出了通过的雷电流幅值与轴承损伤面积之间的关系，如下图
从上图中可以看出：在轴承所受机械负荷一定的情况下（即轴与被测轴承之间接触面积一定），最大损伤面积总是随着注入电流的增大而增大，几乎是一个正比例增长的关系;在注入电流一定的情况下最大损伤面积随着轴承所受机械负荷的增大而减小。呈现这一现象的原因：注入电流加大，其热效应增强，热损坏作用增强，相应的最大损伤面积增大;在机械负荷增大，轴与轴承之间的接触面积增大，这样可以改善雷电流在轴承内的传导条件，能减弱热损耗的作用。
从上面的试验结果可以看出：要减少雷电流对轴承的危害，一般方法有两种： 一、减小注入机组轴承的雷电流的大小;二、适当的增大轴承上的机械负荷。至于第二种方法难以应用到现实中，因为增加机组的机械负荷很可能对机组的机械性能造成影响。因此，现实中对机组的轴承防雷，常采用措施是在轴承前端设置一条与其并行的低阻通道，对于沿轴承传来的雷电流实施旁路分流，使雷电流尽可能少的流过轴承。为了达到这一目的，常用导体滑环、电刷和放电管等，具体的旁路分流通道设置见文献[1]。采用旁路分流后，轴承的电路模型是由轴承的电容和轴承与电刷之间的接触电阻相并联组成。 下图4-5（a、b）分别为雷电流经过机舱主轴承和机组加装分流电刷电路的雷电流。从下面两图中可以明显看出;在风机未采用低阻的旁路放电防雷措施时， 轴承上流过的雷电流的幅值在100kA左右，而对机组的轴承采取防雷措施时，流经机组主轴承上的雷电流幅值明显减小，此时雷电流幅值降到18kA左右，而大部分雷电流是经过旁路放电通道往下传播的，所以采用旁路电刷低阻通道可以明显地降低流过机组轴承上的雷电流，对轴承的防护起到有效的保护作用。
结论
雷电是影响机组可靠安全运行的实际因素，对风电机组的灾害性正备受人们的关注;就现有己公布的文献来看，关于风力发电机组雷电瞬态过程的研究，国际和国内尚未开展专门的研究工作。在理论分析方面，缺乏机组的雷电瞬态分析模型和瞬态效应数值计算方法。在保护设计方面，缺乏充分可靠的设计依据，对风电机机组遭受雷击时其本体结构上各部位出现的瞬态电位抬高水平和过电压危害程度没有提出可供保护设计参考的量化指标。为此，本文从理论分析、数值计算以及模拟试验三方面对风力发电机组在遭受直接雷击的瞬态模拟过程进行研究。下面就本文的相关工作和结论作如下总结：
当风力发电机组遭受雷击时，强大的雷电流通常是从机组的叶片叶尖注入， 雷电流会沿机组的叶片到达叶片根部，流过主轴承和机舱导流路径进入塔体顶部， 然后经塔体导入接地装置，并由接地装置散入大地。本文通过选取合适的算法， 详细介绍了对雷电放电、叶片、机舱、塔体、接地装置建立模型的方法，从而将整个导流路径转化成可以进行数值求解的电网络。雷电流在机组的塔体上传播时，各导体中雷电流波形与注入的雷电流波形基本一致;在雷电流往下传播过程中，雷电流从注入点向塔体的其他分支导体扩散流动，其中水平分支导体起到分散电流的作用，而倾斜导体则是雷电流主要泄放的通道;电流在塔体顶层分布极不均匀，随着电流往下传播，各层导体的雷电流分布自上而下逐渐趋于均匀;当倾斜支路上的电流达到平衡状态时，该层上倾斜导体的电流分量值之和，近似的等于注入机组的雷电流幅值。因此，在机组的防直击雷设计时，一定要保证塔体各个分段连接良好，必要时还可以设置水平分流导体和采用引下线来分散电流，以便为机组提供雷电流泄放有效的通道。
参考文献
[1]张小青.风电机组防雷与接地.北京：中国电力出版社，2009.
[2] IEC TR 61400-24. Wmd Turbine Generator System-Part 24： Lightning Protection. 2002.
[3]G B 5 0 0 5 7 — 9 4 建筑物防雷設计规范 [ S ] . 2 0 1 0 .
[4]张华.大型风力机的防雷保护[J].风力发电，2002，1
[5] IEC 62305-1，Protection against lightning-Part 1 ： General principles. 2006.
[6] IEC 62305-5， Protection against lightning-Part 5： Services. 2006.
[7] Yasuda Yoh， Ueda Toshiaki. FDTD transient analysis of ring earth electrode . Proceedings of the41st International Universities Power Engineering Conference， 2006，1： 133-136.
[8] Yasuda Yoh， Fujii Toshiaki， Ueda Toshiaki. How does ring earth electrode effect to wind turbine.Proceedings of the 42st International Universities Power Engineering Conference， 2007，796-799.
作者简介：阿迪力·阿布力克木（1993-），男，维吾尔族，新疆吐鲁番市鄯善县人，大学本科学历，助理工程师，从事气象局测报、气象观测、防雷工作。
通讯作者：陈丹，阿克苏地区气象局，助理工程师。
关键词：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。因被雷击中的概率与该物体高度的平方成正比，况且风力发电机几乎任何地方都可能成为雷击的附着点，当任一点被雷击中时，它都将成为雷电流泄放的通路。风力发电机组的内部有很多的电子电气设备，比如控制柜、驱动装置、传感器、变频器、执行机构，以及相应的总线系统等。设备遭雷击受损通常有4种情况，1.设备直接遭受雷击而损坏;2.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人设备使其受损;3.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;4.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。虽然国际电工委员会（IEC）于2002年已经颁布了风电机组的防雷推荐标准（IEC/TR 61400-24），但该标准仅制定了一套设计导则[5]，只是用于雷电防护的一般情况，其内容多限于一般性和经验性的设计原则，但没有规定量化的设计条款和具体的实施细则，对雷电瞬态过程的防护措施设置尚不够规范[6]。
2.2雷电防护区域的划分
雷电防护区域的提出是为了更好的保护风机系统里的电气部件。风电机组系统利用半径30m的滚球法可以分为几个不同的区域。雷电防护系统依据标准制定划分区域，目的是为了减少电磁干扰与可预见的藕合干扰。国际电工委员会对防雷过电压保护的防护区域划分为：LPZO区（LPZA、LPZOB），LPZI区，LPZ2区.
LPZ0A区有直击雷（绕雷）侵袭的危险， 完全处在电磁场环境中，具有雷击电涌破坏的可能。这个区域包括：叶片、机舱罩避雷针系统、塔架、架空电力线、风电场通讯电缆;LPZOB区没有直击的危险，但电磁场环境与雷电电涌没有任何减低[5]。这类区域包括叶片加热部分、环境测量传感器、航标灯未平蔽的机舱内部、发电机、齿轮箱、冷却系统、传动系统、电气控制柜、传感器、电缆。以上部位是遭受直击雷（绕雷）或不遭受直击雷，但电磁场没有衰减的部位。
LPZl区可选择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。这类区域包括机舱内、塔架内的设备如电缆、发电机、齿轮箱等。
LPZ2区电涌破坏进一步减弱，电磁破坏影响更小。这类区域包括塔架内电气柜中的设备，特别是屏蔽较好的弱电部分。
3 防雷和过电压保护设计
3.1风力发电机组的雷电接受和传导途径
雷电由在叶片表面接闪电极引导，由雷电引下线传到叶片根部，通过叶片根部传给叶片法兰，通过叶片法兰和变桨轴承传到轮毂，通过轮毂法兰和主轴承传到主轴，通过主轴和基座传到偏航轴承，通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。
3.2外部直击雷的保护设计
叶片 ：叶片防雷系统包含接闪器和敷设在叶片内腔连接到叶片根部的导引线.雷电接闪器是一个特殊设计的不锈钢螺杆，装置在叶片尖部，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，受损后也可以更换。雷电传导部分在叶片内部将雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。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。
3.3機舱
机舱主机架与叶片、机舱顶上避雷棒连接，再连接到塔架和基础的接地网。避雷棒用作保护风速计和风标免受雷击，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱上层平台，避免雷电流沿传动系统的传导。机舱上层平台为钢结构件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。
3.4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，机舱和偏航制动盘通过接地线连接，因此，雷击时将不会受到伤害，通过引下线将雷电顺利地引入大地。 3.5接地网
接地网设在混凝土基础的周围[3]。接地网包括1个50平方毫米铜环导体，置在离基础地下 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。日本学者利用时域有限差分法对于机组的含接地环的接地体进行了电磁暂态的分析，并得出了环形电极对机组防雷保护的基本特性[7]，[8]。
3.6内部防雷（过电压）保护系统
为了预防雷电效应，对处在机舱内的金属设备如 ：金属构架、金属装置、电气装置、通信装置和外来的导体应作等电位连接，连接母线与接地装置连接。汇集到机舱底座的雷电流，传送到塔架，由塔架本体将雷电流传输到底部，并通过接入点传输到接地网。
3.7等电位汇接和隔离
风速计、风标和环境温度传感器在机舱内一起等电位接地 ;机舱的所有组件如避雷针、主轴承、发电机、齿轮箱和液压站等以合适尺寸的接地带，连接到机舱主框作为等电位 ;主空开进线电缆接地线与控制柜、变压器和电抗器在塔底接地汇流排上作等电位连接 ;地面开关盘框由一个封闭金属盒，连接到地等电位。在机舱上的处理器和地面控制器通信，采用光纤电缆连接 ;对处理器和传感器，分开供电的直流电源。
4雷电响应
4.1 叶片的雷电暂态响应
首先雷电流从叶片顶端注入，电流源波形为10/350畔，雷电流幅值为lOOkA。
上图4-1，所示为雷电流注入风机时叶片上雷电流波形。从图中可以看出叶片上的雷电流波形和10/350%雷电流波形走势是大体相同的，只不过雷电流波形发生了一定的振荡， 这是因为电网络结构是由电感和电容组成的，电路本身的自振频率，使得部分的高频电流会通过电路，从而使叶片上通过的电流出现振荡，另外EMTP软件中在求解这种暂态电路是利用梯形积分法来求解的，会放大高频电流的影响，这样也会使得电流出现振荡。
下图是雷电流从桨叶上注入，其上的电压抬升情况的数值计算的仿真。在此是将桨叶平均分为四段，将桨叶上分段结点由上往下依次标号为结点a、b、c， d、e，那么其上各节点的电压波形如下图4-2。
可以看出雷电一旦击中风机叶片会有几十甚至几百千安的电流通过，相应的桨叶壳体上的电压最大抬升可达几兆伏，由于桨叶内部是空心的机械结构，那么当电压增加到一定的程度时，桨叶内空气承受不住瞬间的这种高电压，就会叶片的壳体内发生电压反击，从而产生电弧，对叶片造成机械损害。另外，为了更好地反映叶片遭受雷击时，其上的电压分布情况，本文通过对叶片上的各节点的电压取平均值，绘制出了各结点电压平均值在叶片本体上的变化曲线。
本文中机组的桨叶长度为40m，其中上图中横坐标轴为零时，此时对应的是桨叶最端的结点电压，那么横坐标为40时，所对应的是桨叶最下端的电压。从上图4-3可以看出：雷电流在桨叶往下传播时，其上的电压下降了 1.25%左右。
虽然叶片的壳体由玻璃纤维（GRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）等高电阻率的材料组成，但在这么强大的雷电流作用下就很容易产生导电路径，在叶片上出现的放電通道可能有三条，即叶片壳体外表面、内表面和壳体材料叠层交界处。在一次雷电放电中，这三种放电路径并不一定只有一个，也可能雷电流在这三种路径之间来回跳变重复发生，并且在此期间时常伴有电弧的出现，弧道温度一般高达几万摄氏度，这么高的温度会严重烧毁壳体材料，同时高温会使叶片内部产生高压力冲击波，对叶片造成机械损伤（出现叶片裂缝，严重时导致叶片断裂）。因此， 对叶片的电压数值计算是非常必要的，现在，国际上对于风机叶片的防雷保护通常采用IEC-1024-1的I级保护水平设计，一般在叶片尖部嵌装圆盘形接闪器，接闪器与设置在叶片内部并跨接叶片全长的引下导体作电气连接，其目的就是为了雷电流能顺利的通过叶片，减少对叶片的损伤。
随着风电机组单机容量增大，叶片长度在增加，对于长度大于20m的叶片来说采用单接闪器加内置引下线措施通常已不再可靠，为此，现在较为实用的做法是在叶片上加装多个接闪器，这样可以大幅度地改善防雷装置对雷电下行先导的拦截性能，减小叶片表面非接闪器部位的雷击概率。目前这种做法巳经在MW级的机组上投入使用。
4.2轴承的雷电暂态响应
在机组叶片受雷击接闪后，雷电流由叶片根部传导到机舱主轴，流过主轴的雷电流又会通过轴承导入到下面的塔体上。而在这一过程中，轴承是最易受到雷电流损害的部件。当有强大的雷电流通过轴承时，雷电流很容易在轴承处的间隙发生油膜放电，产生电弧灼烧轴承，很有可能使轴承表面的部分金属发生熔化， 产生灼烧斑点，这样会造成轴和轴承工作时，大大加大两者之间的机械磨损，噪声增大，明显缩短工作寿命。在文献[1]中提出了简单轴承模型注入雷电流的试验， 试验中得出了通过的雷电流幅值与轴承损伤面积之间的关系，如下图
从上图中可以看出：在轴承所受机械负荷一定的情况下（即轴与被测轴承之间接触面积一定），最大损伤面积总是随着注入电流的增大而增大，几乎是一个正比例增长的关系;在注入电流一定的情况下最大损伤面积随着轴承所受机械负荷的增大而减小。呈现这一现象的原因：注入电流加大，其热效应增强，热损坏作用增强，相应的最大损伤面积增大;在机械负荷增大，轴与轴承之间的接触面积增大，这样可以改善雷电流在轴承内的传导条件，能减弱热损耗的作用。
从上面的试验结果可以看出：要减少雷电流对轴承的危害，一般方法有两种： 一、减小注入机组轴承的雷电流的大小;二、适当的增大轴承上的机械负荷。至于第二种方法难以应用到现实中，因为增加机组的机械负荷很可能对机组的机械性能造成影响。因此，现实中对机组的轴承防雷，常采用措施是在轴承前端设置一条与其并行的低阻通道，对于沿轴承传来的雷电流实施旁路分流，使雷电流尽可能少的流过轴承。为了达到这一目的，常用导体滑环、电刷和放电管等，具体的旁路分流通道设置见文献[1]。采用旁路分流后，轴承的电路模型是由轴承的电容和轴承与电刷之间的接触电阻相并联组成。 下图4-5（a、b）分别为雷电流经过机舱主轴承和机组加装分流电刷电路的雷电流。从下面两图中可以明显看出;在风机未采用低阻的旁路放电防雷措施时， 轴承上流过的雷电流的幅值在100kA左右，而对机组的轴承采取防雷措施时，流经机组主轴承上的雷电流幅值明显减小，此时雷电流幅值降到18kA左右，而大部分雷电流是经过旁路放电通道往下传播的，所以采用旁路电刷低阻通道可以明显地降低流过机组轴承上的雷电流，对轴承的防护起到有效的保护作用。
结论
雷电是影响机组可靠安全运行的实际因素，对风电机组的灾害性正备受人们的关注;就现有己公布的文献来看，关于风力发电机组雷电瞬态过程的研究，国际和国内尚未开展专门的研究工作。在理论分析方面，缺乏机组的雷电瞬态分析模型和瞬态效应数值计算方法。在保护设计方面，缺乏充分可靠的设计依据，对风电机机组遭受雷击时其本体结构上各部位出现的瞬态电位抬高水平和过电压危害程度没有提出可供保护设计参考的量化指标。为此，本文从理论分析、数值计算以及模拟试验三方面对风力发电机组在遭受直接雷击的瞬态模拟过程进行研究。下面就本文的相关工作和结论作如下总结：
当风力发电机组遭受雷击时，强大的雷电流通常是从机组的叶片叶尖注入， 雷电流会沿机组的叶片到达叶片根部，流过主轴承和机舱导流路径进入塔体顶部， 然后经塔体导入接地装置，并由接地装置散入大地。本文通过选取合适的算法， 详细介绍了对雷电放电、叶片、机舱、塔体、接地装置建立模型的方法，从而将整个导流路径转化成可以进行数值求解的电网络。雷电流在机组的塔体上传播时，各导体中雷电流波形与注入的雷电流波形基本一致;在雷电流往下传播过程中，雷电流从注入点向塔体的其他分支导体扩散流动，其中水平分支导体起到分散电流的作用，而倾斜导体则是雷电流主要泄放的通道;电流在塔体顶层分布极不均匀，随着电流往下传播，各层导体的雷电流分布自上而下逐渐趋于均匀;当倾斜支路上的电流达到平衡状态时，该层上倾斜导体的电流分量值之和，近似的等于注入机组的雷电流幅值。因此，在机组的防直击雷设计时，一定要保证塔体各个分段连接良好，必要时还可以设置水平分流导体和采用引下线来分散电流，以便为机组提供雷电流泄放有效的通道。
参考文献
[1]张小青.风电机组防雷与接地.北京：中国电力出版社，2009.
[2] IEC TR 61400-24. Wmd Turbine Generator System-Part 24： Lightning Protection. 2002.
[3]G B 5 0 0 5 7 — 9 4 建筑物防雷設计规范 [ S ] . 2 0 1 0 .
[4]张华.大型风力机的防雷保护[J].风力发电，2002，1
[5] IEC 62305-1，Protection against lightning-Part 1 ： General principles. 2006.
[6] IEC 62305-5， Protection against lightning-Part 5： Services. 2006.
[7] Yasuda Yoh， Ueda Toshiaki. FDTD transient analysis of ring earth electrode . Proceedings of the41st International Universities Power Engineering Conference， 2006，1： 133-136.
[8] Yasuda Yoh， Fujii Toshiaki， Ueda Toshiaki. How does ring earth electrode effect to wind turbine.Proceedings of the 42st International Universities Power Engineering Conference， 2007，796-799.
作者简介：阿迪力·阿布力克木（1993-），男，维吾尔族，新疆吐鲁番市鄯善县人，大学本科学历，助理工程师，从事气象局测报、气象观测、防雷工作。
通讯作者：陈丹，阿克苏地区气象局，助理工程师。