風電機組雷擊損傷分析與防護

紀一鳴，吳奎猛，殷樂，王建，周偉

（1.中廣核風力發電有限公司吉林分公司，吉林長春130000；2.中廣核風力發電有限公司山東分公司，山東濰坊261000；3.國網吉林省電力公司長春供電公司，吉林長春130000；4.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002；5.國網吉林省電力公司，吉林長春130000）

風電機組雷擊損傷分析與防護

紀一鳴1，吳奎猛2，殷樂3，王建4，周偉5

（1.中廣核風力發電有限公司吉林分公司，吉林長春130000；2.中廣核風力發電有限公司山東分公司，山東濰坊261000；3.國網吉林省電力公司長春供電公司，吉林長春130000；4.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002；5.國網吉林省電力公司，吉林長春130000）

隨著風電建設的迅猛發展，單臺風機設備更加大型化，雷擊對風電機組的安全運行和經濟效益影響也日益突出。實地調研分析國內某運行風場風機各個部件和系統遭雷擊損害情況歷史數據，研究分析風電機組雷擊損害機理，結合實際生產運行提出防雷的有效應對措施，對風電場的生產運行及風機設備的生產有一定的借鑒意義。

風電機組；雷擊分析；雷電防護

0 引言

隨著社會經濟的發展及風力發電技術日漸成熟，風力發電已成為重要的清潔能源之一。至2012年底，我國已成為全球風電裝機容量最大的國家，風電累計裝機容量達到7 532.4萬kW。

為了充分利用風能，輪轂高度和葉輪直徑隨之增高，而風機一般建立在空曠和較高位置，雷擊風險更加突出，成為影響風電機組安全運行的最大自然災害之一，可能會造成風電機組葉片損壞、發電機絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。除此之外，國內風資源豐富的地區地理環境多樣，雷暴發生幾率相對較高［1］。例如，我國的紅海灣風電場投產并網至2008年底多次發生雷擊，據統計分析，風機葉片雷擊故障率達4%，其他通信電子元件雷擊故障率達20%。

德國對風機雷擊事故的多年研究顯示［2］，每年德國風電場每百臺風機雷擊事故率高達8%左右，遇雷擊而易損壞的部件系統主要是電氣通信系統、控制系統、葉片和發電機。其中控制系統幾率最大，約為40%～50%，葉片及電氣通信系統次之，約為15%～20%，發電機受雷擊幾率最低，約為5%。雷擊故障損失發電量和修復費用多少依次為：葉片（最多）、發電機、控制系統、電氣通信系統。

結合實際生產運行做好風電場的防雷措施，有利于提高風電場的有效利用小時數、減少運行成本和增強風電機組的運行可靠性，對風電場的運行管理及風機設備的生產有顯著的經濟效益。

1 雷擊形式

雷電浪涌。雷電浪涌是雷擊時在輸電和通信線路中電磁感應產生的電流波動，它對電子設備危害最大。

直接雷擊。直接雷擊就是正負極雷云之間或帶電雷云對地面部分（樹木、建筑物、動物等）的快速猛烈放電現象，其產生的熱效應和電效應等會造成人員傷亡和設備損壞［3］。

感應雷擊［4］。雷電產生時，在其周圍導體上（輸電線路、鋼鐵構件、通信線路等）產生的電磁感應與靜電感應現象稱為感應雷擊，它會在微電子設備產生過電壓和過電流，使得信號或數據干擾丟失，人員受到安全威脅。

2 風電機組各部分的雷擊情況分析

鑒于不同地區的雷暴日數和雷電流幅值概率等參數及特性均不相同，實地調研國內某運行風場風機各個部件和系統遭雷擊損害情況，統計分析該風電場連續4年的風機所受雷擊歷史數據。

2.1 風機葉片雷擊情況統計分析

葉片是風機捕捉風能的不可缺少的部件，作為風機的最大、最長的旋轉部件，葉片比其他系統和結構更易遭受雷擊，而且為了滿足葉片的性能，葉片不能夠安裝沉重的避雷設備。對表1數據分析可知，風機葉片雷擊損壞主要集中于葉片尖部，受損程度主要集中于小面積的輕微受損，約占葉片受雷擊損害總數量的80%，主要包含裂紋、灼傷、開皮等。葉片嚴重損壞或全部損壞約占20%左右。一般情況下，專業葉片維修隊伍可在1天內修復好輕微受損，經濟效益影響較小。

表1 風電場風機葉片受雷擊事故損害數量統計

2.2 風機發電機雷擊情況統計分析

發電機是風電機組的重要部件之一，成本高，安裝和檢修技術要求高，發電機運行好壞直接影響風電機組的可利用率。

由表2中數據分析可知，風機發電機雷擊損壞主要發生在轉子，該風電場4年中發生過一次轉子雷擊損壞事故，發電機其他結構未發生雷擊損壞事故。轉子損壞導致發電機無法工作，故障需要專業的大修隊伍進行處理，耗費時間和費用相對較高。

2.3 風機控制系統雷擊情況統計分析

無論是頂部控制柜的控制系統還是測風塔控制系統，一旦發生故障都會導致風機停機或不安全運行。該類控制模塊故障處理一般需要更換新模塊，部分模塊可能是國外產品，備品備件成本較高。

表2 風電場風電機組的發電機雷擊事故次數統計

由表3中數據分析可以看出，風機控制系統雷擊損壞主要集中于頂部的PLC控制模塊和底部控制柜模塊，分別占控制系統總故障率的65%和22%，此類模塊主要控制風機的偏航、液壓、變槳及系統通信，對單臺風機的安全運行有重要作用。

2.4 風電場線路雷擊情況統計分析

風電場線路主要包含集電線路（10 kV、35 kV）及并網線路（110 kV、220 kV），主要起匯集電能和輸送電能作用。線路一旦遭受雷擊將造成線路絕緣損壞和設備跳閘，影響風機的發電和運行，修復時間較長，甚至導致全場風機停運。

表4 風電場風電機組的電場線路雷擊損壞次數統計

從表4分析可以看出，35 kV系統是風電場集電線路，線路較多，遭受雷擊次數最多，跳閘次數最多，遭受雷擊后跳閘概率約為2%；10 kV系統線路較少，遭受雷擊次數最少，遭受雷擊后跳閘概率約為6%；110／220 kV系統線路是風場聯系電網的大動脈，遭受雷擊次數較多，遭受雷擊后跳閘概率約為1%。

3 風電機組遭受雷擊故障原因分析和防雷措施

3.1 風電機組遭受雷擊故障原因分析

風電機組葉片、控制柜的控制系統、測風塔控制系統、風場中控通信遠動、輸電線路、電子設備易因雷擊發生故障，主要是因為惡劣環境的侵蝕導致風電機組和輸電桿塔接地網接地電阻變高，當遭受雷擊時，地電位抬高形成反擊過電壓，從而造成風機設備損壞。接地電阻越高，形成的反擊電壓則越高，造成設備損壞的概率就越大。同時風機廠家一般只注重葉片、機艙等單個部件的防雷實驗，很少對整機進行防雷測試和檢驗；另外，在生產運行中，感應雷擊產生的過電壓還會沿線路（包括輸電線路、通信線路等）波及到弱電系統，使弱電系統的通信和控制模塊信號丟失或受干擾，造成設備故障。

3.2 風電機組防雷措施

目前國內風電機組采用的防雷模式主要為圖1所示。

圖1 風機雷電流路徑和相關設備

當閃電擊中風機時，從上到下依次通過葉片接閃器、變槳軸承、主軸、機艙地板、偏航軸承、塔筒、大地。所以為保護控制柜內的設備，建議在機艙、發電機、控制柜等采用等電位和屏蔽處理［5］，在塔筒和基礎布置了接地環和接地網。為了降低雷擊風電機組的次數，建議在強雷暴區的風電場采用綜合的防雷保護措施：通過降低風電機組和測風塔的接地網接地電阻來降低接地網的反擊過電壓；在架空輸電線路上有選擇的安裝質量合格的線路型氧化鋅避雷器或者盡量采用地埋電纜來降低線路的雷擊事故；中控和風機控制柜內采用浪涌吸收器（SPD）和電源隔離的措施；定期測量設備接地電阻，處理不符合規定的防雷接地和定期更換清掃防雷碳刷。

采用葉片尖部加裝接閃器，內部覆蓋接閃帶，可以有效減少雷擊的閃絡和葉片損壞。同時在葉片保護涂層加入10%或30%的銻合金對加強葉片的防雷擊損壞有較好效果。

為減少線路的雷擊故障，可以相應提高35 kV線路避雷線的高度，增加絕緣子片數，降低桿塔接地電阻，而在高土壤電阻率地區填埋降低電阻率的試劑。定期對線路和變電站避雷器及絕緣子做電氣預防性實驗，及時更換不合格的設備。適度增加場內避雷針數量，對通信線路采用帶屏蔽層的線纜或光纜穿鋼管埋地敷設，以減少電磁干擾和電磁感應。

針對雷擊損壞高故障率的控制系統，為防止沿通信線或者低壓電源線路侵入的雷電浪涌損壞用電設備，供電回路建議采用TN-S供電方式；在控制系統安裝三級浪涌保護器。例如機艙頂部控制柜和塔筒底部控制柜安裝通過二級分類試驗（交流避雷器，Imax為60 kA；24 V直流電源避雷器In為20 kA）的防雷模塊和避雷器，在柜內的主要弱電模塊電源處增設三級分類試驗（交流避雷器，Imax為30 kA；24 V直流電源避雷器In為2 kA）的防雷模塊和避雷器，各類參數必須符合規范要求的最小值，同時在場站的通信線路和計算機保護裝置均增設24 V直流防雷模塊，可有效提高防雷能力。

4 結語

為有效提高風電場的可靠運行水平，增強風電場的防雷能力，實地調研分析國內某運行風電場風機各個部件和系統遭雷擊損害情況歷史數據，研究分析風電機組雷擊損害機理，結合實際生產運行提出有針對性的防雷應對措施，為風機制造廠家、施工設計單位、風電場運維單位提供技術參考。

［1］DL／T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合［S］.

［2］趙海翔，王曉蓉.風電機組的雷擊機理與防雷技術［J］.電網技術，2003，27（7）：12-15.

［3］DL／T 621—1997交流電氣設備的接地［S］.

［4］中國建筑標準設計研究院.建筑物防雷設施安裝圖集［M］.北京：中國計劃出版社，2007.

［5］林志遠，黃聰.風力發電機組的防雷問題［J］.廣東電力，2001，14（5）：15-18.

Analysis and Protection of Lightning Damages for Wind Turbines

With the increasing scale of wind power，single wind turbine equipment becomes larger-scale，the effects of lightning strike on the wind turbine safe operation and economic benefits have become increasingly prominent.In this paper，the historical data of lightning damage in a running domestic wind turbine field are researched，the mechanism of wind turbine lightning damage is analyzed，and the effective measures to deal with lightning damage are proposed with the actual production running. These measures have certain significance for the wind turbine equipment production and the wind turbine field operation.

wind turbines；lightning analysis；lightning protection

TM862

：A

：1007－9904（2014）05－0030－03

2014-05-27

紀一鳴（1971—），男，工程師，主要從事風電企業管理、風機檢修管理工作。