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摘 要：随着我国风力发电事业的迅猛发展，风电机组的单机容量已经达到MW等级的水平，因而风电机组运行的安全性逐渐受到社会的重视。如今，随着对电能的需求越来越大，使得风电机组的容量也在不断的加大，因此就需要直径更大的风轮并且提高离地距离，再加上风电机组往往安装在气候条件恶劣的山顶或是开阔地带，从而增加了风电机组遭受雷电袭击的几率。本文就对风电机组的防雷问题进行简要的分析、探究。
关键词： 风电机组；雷电；防雷
一、雷电的形成
雷电在形成的过程里，空中的冰晶、尘埃等物质在大气运动中，发生剧烈的摩擦生电及云块切割磁力线。正电荷积聚在云层的某些部分中，而云层还有一部分会积聚负电荷，在运动的过程中，当强大的电场将异性带电中心之间的空气击穿时，既而形成放电。
二、雷电破坏机理
以下为欧洲的几个国家所提供的风力发电机数据，其中囊获了四千台以上的风力发电机数据。列表1，是瑞典、丹麦和德国三国的风力发电机事故的汇总表。风力发电机因遭受雷击所导致损坏的数量，每一百台里平均每年3.9-8次。从统计数据上来看，在北欧的风力发电机组中，每一百台里每年有四台至八台，因遭受雷击而导致损坏。
针对风力发电机的各个不同部件其遭受雷击的损坏情况进行研究、分析，可为风电机组的防雷保护工作提供基础数据。通过分析、探讨风机中几种不同的部件遭受雷击损坏的关系，发现虽然损害的部件不同，但控制系统的部件遭雷击损坏占40%到50%。
三、风电机组接地
接地的作用在于保障电力系统的正常运作，并防止人身触电伤亡。接地还可以保护变配电设备、输电线路及用电设备绝缘免遭损坏，防止静电放电的危害、电击损坏设备，预防火灾等。接地的作用主要是体现在是通过接地极的方式，将雷电电流或故障电流快速、自如的导入大地土壤中，從而保护电器设备及人身安全。而大地并非最为理想的导体，其带有一定电阻率。由此，当外界对大地强制施加某一电流时，大地无法保持等电位，导入大地的电流流经接地体、接地线并注入大地土壤中后，以电流场的形式扩散。
四、风电机组的防雷保护
防雷保护区，作为一项保护措施，其应在防雷保护区的边界处，将辐射性干扰和传导性干扰，降低、控制到可承受的范围内，由此将受保护构筑物的不同部件，划分成不同的防雷保护区，其具体的划分结果与风电机组的结构有关，同时还需考虑此结构建筑材料及形式。通过电涌保护器的安装以及屏蔽装置的布设，保证风电机组内的电子及电气设备不受干扰并正常运作。
综合防雷系统：其可分为外部与内部两种防雷保护系统。
a.内部防雷保护系统：防雷击等电涌保护、电位连接、屏蔽措施。
b.外部防雷保护系统：引下线、接闪器、接地系统。
（一）机械部件防雷
1.接闪器
风力发电机遭受雷击时，其落雷点多数在风机的桨叶上。因此，应预先在桨叶的预计雷击点上布设接闪器，以此接闪电流。针对设置在机舱顶部的风速计等设施的防雷保护，应采用避雷针的方式，将其安装在机舱的顶部，从而避免这些设施遭受直接雷击。
2.引下线
对于金属塔，可直接将其塔架作为引下线来使用；然而对于混凝土制塔身，应选用内置引下线（镀锌扁钢30×3.5mm，或者镀锌圆钢φ8～10mm）。
3.叶片防雷：对于无叶尖阻尼器结构的叶片，应在叶尖的玻璃纤维外表面上，预制金属化合物作为接闪器，并与叶片内部的铜导体相连接。此种针对叶片的防雷系统通过了相关实验，而实验的结果显示当电流达到200kA时，叶片无损害。
4.轴承防雷：轴承属于金属材质，有良好的导电效果。当雷击叶片时，大部分雷电流通过主轴承流入塔筒。而对于带有绝缘层的轴承，电流通过滑环流入塔筒，但滑环无法解决轴承的潜在问题，其只能承载小量电流。
5.风况传感器防雷：应根据传感器高度设置避雷针，其分别用16mm2的铜芯电缆连接到各个电位母线上。
6.机舱与部件防雷：机舱罩有很好的防雷效果，但还需在机舱罩后部设一个高于风向仪和风速的避雷针。
（二）电气部件防雷
1.等电位连接：风标和风速计同避雷针一起接地等电位，发电机、主轴承、齿轮箱等机舱组件，需以合适的尺寸接地带连接到机舱主框作为等电位。
2.隔离：机舱内的地面控制器与处理器通信，应使用光线电缆连接。引用压敏电阻保护元件与系统的屏蔽体系相连，从而可以将暂态过电压波隔离。对于雷区内的传感器采样信号，可使用隔离保护线圈，通过RS422、RS232、RS485远程通信到监控室的数据传输线，从而进行数据的隔离。
3.浪涌保护器：穿过偏航轴承的地方和机舱的内部，很容易产生感应过电压，需要安装防雷保护器。
4.接地系统：风机的接地系统，有若干个接地棒与一个金属圆环组成。金属圆环，需围绕风机基础设置，使用50平方毫米以上的铜导体，在距离风机基础一米，埋置一米深。根据相关规范要求，接地电阻应小于1-2Ω，若有超出需进行降阻措施。
五、设备防雷的预防措施及降阻方法
风电防雷的几个层面：直击雷防护；电磁脉冲和电磁感应防护；接地保护。
1. 制定防雷预案
风电场场长应起带头作用，做为防雷工作的第一负责人，还应制定完善、具体的防雷预案，以预防为主。同时，确保防雷工作能有效的落实到每一位员工上。
2. 风电机组整机防雷接地系统检查
根据风机制造商所提供的防雷检查说明书，应尽可能的在第一场雷电到来之前完成。每年对接地电阻进行一次测量，每个季度都需对防雷系统进行一次检查。
3. 要重视雷电形成的过电压
风机受到直接雷击导引线和引下线并通过接地网引入大地。但从国外雷击损坏部位统计结果来看，雷电直击的叶片损坏占15%～20%，而80%以上是与引下线相连的其他设备，受雷电引入大地过程中产生过电压而损坏。 4.在雷电较多的地区，应着重增加考虑一下防雷接地工作。
（1） 严格执行风机、箱变的基础施工和测量标准。
（2）考虑风机箱变接线组别对防雷的影响，采用Yzn11组别变压器的防雷效果更好。
（3）加强箱变的外绝缘处理。
风电场防雷是一个系统和复杂的工程，需要从设计和施工、验收、运行、管理等几方面统筹全面考虑和把关，才可以有效的防止雷击，保障人员和设备安全，减少由于雷击造成的电量损失。
5.屏蔽措施
屏蔽装置的作用是减少电磁干扰。因风力发电机其结构的特殊性，若能在设计时就考虑到屏蔽措施，从而屏蔽装置就可以以较低的成本实现。应将機舱制成一个金属的封闭壳体，有关的电气及电子器件都装在开关柜，控制柜和开关柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在机舱和塔基的不同设备之间，其线缆应带有外部金属屏蔽层。对于干扰的抑制，只有在线缆屏蔽的两端都与等电位连接带相连接时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才能有效。
6.接地网工程实用降阻方法
（1）扩大主接地网面积。
（2）外延接地网。
（3）引外接地。
在引外接地中，有一种新接地网工程实用降阻方法（穆莱克勒-x（Moleculer-x）接地法），穆莱克勒（moleculer）接地法是在分子层面对雷电流进行解读，然后在分子层面构建等量级的电荷运动通道，来为雷电流提供自由运动的通道，再与相同数量级的异性电荷中和来达到接地安全的方法；方法的实现有两个组成部分：
1）要构建一个多维万向的电荷自由运动通道。
2）必须提供相同数量等级的电荷储备，以便在雷电状态下能够迅速中和达到安全。构建万向通道材料需要具备如下特征：
（a）能够与金属紧密结合
（b）能够与介质紧密结合
（c）能够多维的运动通道
（d）保水性强以利于长期稳定运行。
柔性接地体同时能够最大限度降低介质的电阻率，降阻系数能达到 0.16（经国家质检中心检验可以达到0.16）。其可以获得最多的异性感应电荷，能够在瞬间中合雷电泄放电流。柔性接地体选取了电涌性能极好的载体这样能够充分保证电荷在载体中的通过性。
（作者单位：华电（福清）风电有限公司）
关键词： 风电机组；雷电；防雷
一、雷电的形成
雷电在形成的过程里，空中的冰晶、尘埃等物质在大气运动中，发生剧烈的摩擦生电及云块切割磁力线。正电荷积聚在云层的某些部分中，而云层还有一部分会积聚负电荷，在运动的过程中，当强大的电场将异性带电中心之间的空气击穿时，既而形成放电。
二、雷电破坏机理
以下为欧洲的几个国家所提供的风力发电机数据，其中囊获了四千台以上的风力发电机数据。列表1，是瑞典、丹麦和德国三国的风力发电机事故的汇总表。风力发电机因遭受雷击所导致损坏的数量，每一百台里平均每年3.9-8次。从统计数据上来看，在北欧的风力发电机组中，每一百台里每年有四台至八台，因遭受雷击而导致损坏。
针对风力发电机的各个不同部件其遭受雷击的损坏情况进行研究、分析，可为风电机组的防雷保护工作提供基础数据。通过分析、探讨风机中几种不同的部件遭受雷击损坏的关系，发现虽然损害的部件不同，但控制系统的部件遭雷击损坏占40%到50%。
三、风电机组接地
接地的作用在于保障电力系统的正常运作，并防止人身触电伤亡。接地还可以保护变配电设备、输电线路及用电设备绝缘免遭损坏，防止静电放电的危害、电击损坏设备，预防火灾等。接地的作用主要是体现在是通过接地极的方式，将雷电电流或故障电流快速、自如的导入大地土壤中，從而保护电器设备及人身安全。而大地并非最为理想的导体，其带有一定电阻率。由此，当外界对大地强制施加某一电流时，大地无法保持等电位，导入大地的电流流经接地体、接地线并注入大地土壤中后，以电流场的形式扩散。
四、风电机组的防雷保护
防雷保护区，作为一项保护措施，其应在防雷保护区的边界处，将辐射性干扰和传导性干扰，降低、控制到可承受的范围内，由此将受保护构筑物的不同部件，划分成不同的防雷保护区，其具体的划分结果与风电机组的结构有关，同时还需考虑此结构建筑材料及形式。通过电涌保护器的安装以及屏蔽装置的布设，保证风电机组内的电子及电气设备不受干扰并正常运作。
综合防雷系统：其可分为外部与内部两种防雷保护系统。
a.内部防雷保护系统：防雷击等电涌保护、电位连接、屏蔽措施。
b.外部防雷保护系统：引下线、接闪器、接地系统。
（一）机械部件防雷
1.接闪器
风力发电机遭受雷击时，其落雷点多数在风机的桨叶上。因此，应预先在桨叶的预计雷击点上布设接闪器，以此接闪电流。针对设置在机舱顶部的风速计等设施的防雷保护，应采用避雷针的方式，将其安装在机舱的顶部，从而避免这些设施遭受直接雷击。
2.引下线
对于金属塔，可直接将其塔架作为引下线来使用；然而对于混凝土制塔身，应选用内置引下线（镀锌扁钢30×3.5mm，或者镀锌圆钢φ8～10mm）。
3.叶片防雷：对于无叶尖阻尼器结构的叶片，应在叶尖的玻璃纤维外表面上，预制金属化合物作为接闪器，并与叶片内部的铜导体相连接。此种针对叶片的防雷系统通过了相关实验，而实验的结果显示当电流达到200kA时，叶片无损害。
4.轴承防雷：轴承属于金属材质，有良好的导电效果。当雷击叶片时，大部分雷电流通过主轴承流入塔筒。而对于带有绝缘层的轴承，电流通过滑环流入塔筒，但滑环无法解决轴承的潜在问题，其只能承载小量电流。
5.风况传感器防雷：应根据传感器高度设置避雷针，其分别用16mm2的铜芯电缆连接到各个电位母线上。
6.机舱与部件防雷：机舱罩有很好的防雷效果，但还需在机舱罩后部设一个高于风向仪和风速的避雷针。
（二）电气部件防雷
1.等电位连接：风标和风速计同避雷针一起接地等电位，发电机、主轴承、齿轮箱等机舱组件，需以合适的尺寸接地带连接到机舱主框作为等电位。
2.隔离：机舱内的地面控制器与处理器通信，应使用光线电缆连接。引用压敏电阻保护元件与系统的屏蔽体系相连，从而可以将暂态过电压波隔离。对于雷区内的传感器采样信号，可使用隔离保护线圈，通过RS422、RS232、RS485远程通信到监控室的数据传输线，从而进行数据的隔离。
3.浪涌保护器：穿过偏航轴承的地方和机舱的内部，很容易产生感应过电压，需要安装防雷保护器。
4.接地系统：风机的接地系统，有若干个接地棒与一个金属圆环组成。金属圆环，需围绕风机基础设置，使用50平方毫米以上的铜导体，在距离风机基础一米，埋置一米深。根据相关规范要求，接地电阻应小于1-2Ω，若有超出需进行降阻措施。
五、设备防雷的预防措施及降阻方法
风电防雷的几个层面：直击雷防护；电磁脉冲和电磁感应防护；接地保护。
1. 制定防雷预案
风电场场长应起带头作用，做为防雷工作的第一负责人，还应制定完善、具体的防雷预案，以预防为主。同时，确保防雷工作能有效的落实到每一位员工上。
2. 风电机组整机防雷接地系统检查
根据风机制造商所提供的防雷检查说明书，应尽可能的在第一场雷电到来之前完成。每年对接地电阻进行一次测量，每个季度都需对防雷系统进行一次检查。
3. 要重视雷电形成的过电压
风机受到直接雷击导引线和引下线并通过接地网引入大地。但从国外雷击损坏部位统计结果来看，雷电直击的叶片损坏占15%～20%，而80%以上是与引下线相连的其他设备，受雷电引入大地过程中产生过电压而损坏。 4.在雷电较多的地区，应着重增加考虑一下防雷接地工作。
（1） 严格执行风机、箱变的基础施工和测量标准。
（2）考虑风机箱变接线组别对防雷的影响，采用Yzn11组别变压器的防雷效果更好。
（3）加强箱变的外绝缘处理。
风电场防雷是一个系统和复杂的工程，需要从设计和施工、验收、运行、管理等几方面统筹全面考虑和把关，才可以有效的防止雷击，保障人员和设备安全，减少由于雷击造成的电量损失。
5.屏蔽措施
屏蔽装置的作用是减少电磁干扰。因风力发电机其结构的特殊性，若能在设计时就考虑到屏蔽措施，从而屏蔽装置就可以以较低的成本实现。应将機舱制成一个金属的封闭壳体，有关的电气及电子器件都装在开关柜，控制柜和开关柜的柜体应具备良好的屏蔽效果。在机舱和塔基的不同设备之间，其线缆应带有外部金属屏蔽层。对于干扰的抑制，只有在线缆屏蔽的两端都与等电位连接带相连接时，屏蔽层对电磁干扰的抑制才能有效。
6.接地网工程实用降阻方法
（1）扩大主接地网面积。
（2）外延接地网。
（3）引外接地。
在引外接地中，有一种新接地网工程实用降阻方法（穆莱克勒-x（Moleculer-x）接地法），穆莱克勒（moleculer）接地法是在分子层面对雷电流进行解读，然后在分子层面构建等量级的电荷运动通道，来为雷电流提供自由运动的通道，再与相同数量级的异性电荷中和来达到接地安全的方法；方法的实现有两个组成部分：
1）要构建一个多维万向的电荷自由运动通道。
2）必须提供相同数量等级的电荷储备，以便在雷电状态下能够迅速中和达到安全。构建万向通道材料需要具备如下特征：
（a）能够与金属紧密结合
（b）能够与介质紧密结合
（c）能够多维的运动通道
（d）保水性强以利于长期稳定运行。
柔性接地体同时能够最大限度降低介质的电阻率，降阻系数能达到 0.16（经国家质检中心检验可以达到0.16）。其可以获得最多的异性感应电荷，能够在瞬间中合雷电泄放电流。柔性接地体选取了电涌性能极好的载体这样能够充分保证电荷在载体中的通过性。
（作者单位：华电（福清）风电有限公司）