風電機組葉片、電子器件及人員防雷研究*

文 | Bruce Glushakow

葉片是用于捕風的部件。葉片越長，捕風能力越大，從而能將更多的風能轉化為電力，這很好地解釋了風電機組葉片更大和更長的發展趨勢。隨著葉片的加長，塔筒也需要更高。文獻證明，塔筒越高，發生雷擊的概率會隨之增高。IEC 61400-24最早提出保護風電機組免受雷擊損害的標準化措施，在2002年國際電工委員會所作的一篇技術報告中被提出，2010年獲批成為國際標準。風電行業對于這類標準的需求是明確的。一篇1996年的研究顯示，僅德國在1992年到1995年間平均每年發生135起雷擊事件。2006年的IEEE風能特刊報道稱，每年有10%～14%的風電機組受到雷擊損壞，其中1/3是直擊雷造成的，且遭直擊雷損壞葉片的維修費用最高。

今天，損壞比例比標準頒布之前更高。據為可再生能源項目提供保險的Gcube保險公司（一家國際著名的保險公司）介紹：在2012年美國全年的風電機組保險索賠中，41.4%是雷擊損壞葉片，每筆平均賠償額為24萬美元。Gcube 保險公司在2017年的另一篇題為《冒險商業：評估陸上風力開發》的報告中說：全球范圍內，風電行業每年有近4000起葉片損壞事故，每起的損失近100萬美元，而雷擊是這些損壞最主要的原因。

最近發布在《可再生與可持續能源評論》上關于風電機組損壞最全面的研究顯示：盡管少于雷擊損壞的1/3（其他由電網感應或雷擊附近地面造成），直擊雷損壞葉片造成的損失是最大的，且對軸承、發電機、變槳控制以及葉片本身都有非常大的損害。

國際協會的Certified Home Inspector證實：與雷擊關聯最密切的風電機組組件遭受損壞的頻率最高；尤其是控制和電子系統，還有就是昂貴的葉片和轉子。

受雷擊損害嚴重的日本風電行業，已經注意到了IEC 61400-24的不足[8]。歐洲和美國的研究者對其差異化做了詳細的報告（比如風電場經歷雷擊事件比標準預測的高6倍之多，其中98%是從葉尖引發的上行雷擊）。

表1 對每臺風電機組損壞事故的保守估計［6］，其他報告所顯示的損壞頻率更高

他們已經對IEC防雷保護標準中采納的雷擊電流分布情況提出了問題。

毫無疑問，當一家大型可再生能源保險公司的總裁觀察到“整個行業在減少雷擊風險方面幾乎無能為力”時，這種持續損害已經造成了巨大的恐慌。本文要說的是：有很多事情可以做，首先應該從審視旨在消除雷擊損害的標準開始。

加強IEC 61400-24標準

根據《韋伯斯特》字典的定義，標準是適合于某一特殊目的之適當的水平或質量程度。如果IEC 61400-24的目的是保護風電機組免受雷擊損壞，則前面的數據表明：IEC 61400-24執行的步驟和策略有缺陷[12]，所有利益攸關方都有義務幫助改進這一標準。以下是改進這一標準的若干建議。

一、透明是必需的

因為制造商傾向于掩蓋事實，要搜集風電機組損壞的重要數據是非常困難的。IEC 61400-24第一版收錄了整整8頁致力于找出風電機組雷擊損壞的數據。它按國家、風電機組的尺寸、季節和地形類型對損失進行了分類，并且按部件和損壞的成本分別給出故障的數量和頻率；詳細列出這些事故對能源生產的影響并描述老化風電機組的損壞率。得出的結論為，2002年以前“7%到10%的雷擊事故涉及葉片損害……43%到51%的雷擊事故涉及控制系統損壞……相比于一般故障，雷擊故障造成了40%或更多的能源損失以及20%及以上的停機時間”[13]。但在IEC 61400-24的改寫/修訂版中，所有此類信息都被刪除了。2013年，一份由英國衛生和安全執行（HSE）與美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）聯合發起的研究發現行業內沒有全面、公開可利用的包含實際風電機組事故的數據，這是因為制造商的商業關切使得制造商、經營者、研究組織和貿易協會匯編的許多數據成為專有或機密的。報告總結道：“制造商不愿意公布事故數據”，當前沒有風電機組事故的基礎數據可供風電機組可靠性判斷以及風險評估。這種情況在2018年依然如故。這樣的保密工作在其他任何能源行業都是沒有的。

為了準確地評估IEC 61400-24的有效性，風電行業需要提供這些可用數據。據為世界上最大的風電機組制造商之一工作的兩名電氣工程師介紹，在他們熟悉的2.5萬臺風電機組中，平均每年每臺風電機組會出現兩次故障，也就是說一年會發生5000次。雖然瞬態電涌（包括雷擊造成的電涌）被認為是造成這種損壞的頭號原因，但這些信息并沒有制成可供使用的表格，也沒有廣為人知。

由于目前雷擊是風電機組最大的損壞來源，因此，IEC 61400-24應該要求建立風電機組事故和損壞事件的數據庫。數據應標準化，以便進行同類的比較，并使數據收集對風電機組業主/運營商來說變得更加容易。同時在沒有任何掩蓋的前提下，適當考慮制造商和經營者對知識產權的關切。由于公眾對風電機組事故的安全關切，以及已經投入大量公共資金用于風電機組的研究和開發，構建這一數據庫是非常必要的。在幾乎每一個國家，公共資金繼續以減稅和能源價格補貼的形式用于風能。建立數據平臺費用可由制造商承擔，作為滿足IEC 61400-24要求的條件，他們的事故和損壞事件應該予以充分披露。換句話說，那些不參與或不提供必要數據的廠家將被視為違反標準。

二、應考慮刪除雷電保護等級（LPL）和雷擊風險評估

IEC 61400-24的出臺使風電行業時刻在忙于做評估、選擇防雷等級和確定防雷區域等工作。將于2019年生效的IEC 61400-24 第2版第6.2條包含一個系統，這個系統要客戶根據預算在4個防雷等級中做選擇。該標準建議，如果使用LPL 1（一級防雷保護）的參數，可以實現99%保護；LPL 2（二級）則相應減少，只有75%的時間能滿足防雷條件；LPL3和LPL 4只能保證50%。主流風電機組制造商都使用LPL 1作為基準，但如上所示，即使使用LPL 一級保護的參數，風電機組仍在遭受持續嚴重的損害。

要確定雷電保護等級，首先需要根據IEC 61400-24 第2版中第7節內容評估風電機組的風險。基本方程是：

式中，Rx是機組的風險值， Nx是年雷擊次數，Px是造成結構損壞的概率，Lx是每個事件導致的損失（金額）。

雷擊次數會影響單臺機組乃至風電場。 第7.2.1條將這些分為以下類別，每個類別分別考慮和計算：ND[year-1]代表每年雷電發生在風電機組上的數量，NM[year-1]代表每年雷電發生在機組350m內的數量，NL[year-1] 代表每年雷電發生在機組服務線路上的數量，NI[year-1]代表每年雷電發生在與機組相連的附近服務線路上的數量，ND,b[year-1]為雷電發生在與原風電機組相連的其他機組或結構上的數量（可能風電機組位于與100個或更多其他機組連接的風電場中）。

這些分類即使是使用最模糊的精準度，也很難實際地測量和計算。在雷電計數中并未包含因為機組本身的高度而引發的高強度雷電的數量，而這對雷電數量預測來說是十分重要的。也就是說，雷電會擊中那些遠離雷電區域的機組。這些分類也缺少隨著機組高度變化雷電數量隨之不同的數據。機組設置得越高，雷電越多，強度越大。而葉片本身的旋轉會顯著增加雷擊的概率也已經得到證實。實際上，我們會發現機組所受的雷擊數量要比根據標準預測的多600%。

IEC61400-24標準的編寫者自己也意識到了這一點。 7.1條明了“錯誤的輸入必然導致錯誤的輸出”的道理，并提醒讀者不要對風險評估程序的準確性有過高的期望。第7.2.2條告誡：“對于復雜的環境條件，可能會出現很高的預測誤差。”（復雜的環境條件描述的正是大多數風電場的現場條件。）第7.1條建議僅使用LPL 1作為默認值，以尋找避免完全使用風險評估程序的方法。這有點道理，然而即使是LPL 1也沒有實現有效的防雷保護。

美國宇航局（NASA）在幾十年前已經找出對風電機組雷電風險評估最有用且可論證的因素，即大風區域通常伴隨高頻率的閃電。NASA編制的地圖顯示，在大多數風密度高的地區，每年有30天以上的雷電天數[18]。假如已將風電場建設在風密度相對較高的地區，那么雷擊已然成為一個顯而易見的威脅。而每年每公里有25或50次雷擊對雷電保護策略或成本并沒有差別，所以，沒有必要通過復雜化的過程制定標準，像雷電保護評級（LPLs） 這種流程對風電機組沒有實際意義。

風電機組設計人員沒必要忙于遵循不可行的策略。應從標準中刪除LPL和風險評估，或者根據本節前面提到的因素和參考條件創建新的雷電預測工具，或者以早期NASA制定的標準為參考，將所有的風電機組都歸類為最高風險類別。

三、人員保護：滾球法和防雷區（LPZ）

（一）滾球法

防雷等級對風電機組防雷具有另一個重要影響。 每個LPL的最小雷電流值用于推導滾動球半徑，而滾動球半徑又用于定義防雷區——理論上能和不能直接被雷擊的區域。在這種情況下，根據當前不完善的雷電保護等級估計一個假設的雷電流概率成為確定滾球半徑的依據。在本文的調研過程中，沒有發現在風電機組應用滾球系統時關于其準確性和有效性的文章。

在風電機組防雷保護中，使用滾球法甚至比LPL保護更成問題。眾所周知，95%的雷擊都發生在機組的葉片上，而IEC 61400-24第2版，條款8.2.4.1認為滾球法“不適用于葉片”。那么，滾球法對于機組的雷電保護又有什么意義？

圖1展示了IEC 61400標準中滾動球的變化過程，圖2展示了世界上某一著名的風電機組制造商對滾球法的應用。

（二）LPZ（避雷區）

IEC 61400-24雷電保護區概念完全是從IEC 62305系列中引入的。提出LPZ概念的初衷是把一個建筑物分為一系列相互嵌套的風險區域，每個區域都有一個連續的危險較小的電磁環境。IEC 62305-1中首次出現滾球法時，建筑物高度定義在20～60m。而現代風電機組設置的高度是那些建筑的3～4倍，遠遠超出了當初額定的高度范圍。

LPZ概念近30年來已經被廣泛應用于傳統建筑物。Rakov和烏曼在編寫其百科全書《閃電物理學和效應》時，曾尋找統計數據以確認滾球法的有效性，然而他們沒能找到任何證據。在2017年和2018年的進一步尋找中，依然沒有結果。很明顯，沒有研究能夠證明IEC 62305 的LPZ系統應用于哪怕是簡單結構中的可用性。

就風電機組而言，有些距離敏感電子設備不到一米，由于頻繁的直擊雷電，避雷區的概念幾乎沒有任何意義。正如在下一節中會看到的，它還會置人于死地。

圖1 IEC 61400-24中滾球法的演變和避雷區（LPZs）

圖2 應用到維斯塔斯風電系統的滾球

圖3 IEC 61400-24關于人員安全的危險提議

（三）保護在風電機組上的人員

雷電危險對于所有在風電機組上的人而言都是致命的，在雷電發生時，行動指南必須是明確而具體的，不能存在任何誤解或歧解。

IEC 61400-24標準從未包含類似的說明。

通過審視演變過程能看到把標準中的滾球法和LPZ系統應用于風電機組的困難。2002年的版本里有一則“在雷暴天氣下不得施工”的提醒，盡管在圖1-A中做了些調整，并告之圖中灰色區域的任何地方在閃電風暴發生時對人員來說都是安全的，包括在機艙下面的任何地方或機艙頂部的風速計區域。

現行標準也包含不實的保證，如圖3所示，即“在雷暴期間，塔內的任何平臺都是安全避難所；因為這座塔是一個近乎完美的法拉第籠子，筒狀塔內的平臺也一般被視為安全地點”。這兩種說法都是謊言，應當刪除。人們無法想象標準的編寫者在雷暴中于那些鋼鐵平臺上有過真正的體驗。

2018版的標準可能會更加危險，因為在風電機組中哪些區域對人是安全的、哪些區域不安全完全決定于制造商。

IEC 61400-24標準的一個合理功能應該是，為人員在風電機組內的安全區域建立具體的導則。在美國，當報道雷電距離風電場大約40公里時，人員立即從風電機組撤離直到雷暴結束。在標準可以確定風電機組內人員實際安全的區域并加以驗證之前，一個更負責的指南應如英國風能協會的健康與安全指南：“如果風電場預報有雷暴或者雷暴天氣趨勢，所有的操作人員應該迅速撤離” ，或者像NASA：“風電機組周圍的人員在雷暴發生時將會非常危險，最安全的做法是撤離現場”那樣規定。

電涌保護

一、瞬態電涌：雷電或其他

除了直擊雷損壞葉片外，附近雷擊和其他電磁脈沖感應的電流和電壓也足以損壞脆弱的電子元件。沿風電機組結構，這種感應電涌可能產生超過100000伏特/米的電場，而只需高于正常工作電壓幾伏特就能破壞很多電子元件[24]。內部產生的瞬態電涌是風電場中最常見的電能質量干擾[28]。這種瞬態電涌發生在風電機組啟動和關閉、電容器組切換以及其他故障狀況期間，對于敏感設備具有破壞性的影響[29][30]。破壞性瞬態電涌也可能源于變槳控制系統、變壓器和斷路器的操作以及附近雷擊通過接地系統的感應。由于此類瞬態電涌導致的破壞事件數量是其他原因的兩倍，因此對風電機組進行防雷保護，需要考慮所有瞬態電涌的來源。風電機組中各種瞬態現象的典型頻率范圍可以在相關參考文獻中看到。

二、風電機組電涌保護故障

所有的電涌保護策略都是基于一個原則，即過電壓必須通過旁路于電子設備的低阻抗路徑泄放入地。風電機組電涌保護故障主要有以下三個來源：

（1）對雷電威脅的嚴重程度估計不足。例如：在風電機組處出現200kA的雷擊電流而安裝的卻是40kA的SPDs；

（2）忽略了關鍵的保護模式。風電機組通常不采用直接的相對地保護措施，忽略這種保護措施則使關鍵的控制部件受到多種來源的威脅。風電機組外的大地通過10kA的雷擊電流，測量到了6kV的過電壓——遠遠超過了設備的耐受量。風電機組的發電機、變槳控制裝置和斷路器可以而且確實向風電機組的接地系統注入了瞬態電涌，但由于沒有專門的相對地保護，風電機組的電子設備要承受很大壓力；

（3）雷擊的多脈沖特性被忽視。80%以上的雷電是由2～10個脈沖組成的。采用的電涌保護器做不到在幾微秒內對多個脈沖做出反應，這將置風電機組的電子設備于危險之中，這其中包括采用空氣或氣體介質的火花間隙電涌保護器。

風電機組的避雷系統為何不能保護葉片

在本文撰寫的時候，世界最高的在役風電機組是246.5米（從地表到葉尖）。一臺200米高的風電機組的葉片相對于地面可以承受1億伏的電壓，而雷擊所攜帶的峰值電流（200kA以上）是其重要的能量來源。如果一個防雷系統不能通過低阻抗路徑將這種能量安全地分流入地，就會造成很大的破壞。對LPS的挑戰是，當任何一個電涌遇到傳導路徑中斷時，都會立即出現大于預期的電壓和電流。這種阻抗是葉片炸裂、閃絡以及發電機和軸承毀壞的背后機制。

今天防雷系統仍沿用本杰明·富蘭克林200年前提出的三個功能：截獲、向下傳導及導入大地。這需要一個由三部分組成的結構：接閃點、引下線、接地系統。有關風電機組接地系統、接閃點和嵌入葉片內的導體的文獻充滿了相關信息和實用指南，被忽略的是在這兩者之間的連接。作為一個避雷系統，接閃點和接地之間必須有良好的電氣連接，但是，在風電機組中情況并非如此。

一、風電機組高阻抗的雷電防護系統

當雷電擊中風電機組葉片時，它只有一個去處：進入大地。在風電機組的LPS中，阻抗（z）是雷電電流在其從接閃點到大地路徑上所遇到的全部阻力。LPS的目的是為雷電能量提供一條低阻抗路徑，以防止累積高電壓和過高的熱量。在排除其他類型結構中的阻抗問題時，防雷專家通常會關注高阻值的接地線、與接地系統的連接處被腐蝕或連接不好。然而由于風電機組的情況特殊，需要開闊思路。風電機組要考慮歐姆定律的一種特殊形式：

構成風電機組阻抗的兩個因素是電阻（R）和電感（L），電阻與引下線導體的材料有關。例如，銅被認為是比鋼更好的導體，因為它的電阻是鋼的1/10。在給定的引下線中，電阻也會隨接地鋼帶或電纜的截面積和長度而變化。根據歐姆定律，當電阻趨向于零時，通過導體流向大地的雷電流趨向于無窮大，這是LPS的期望狀態。

除電阻外，影響風電機組阻抗最大的因素是電感。電感是當雷電流通過風電機組的雷電防護系統而被中斷或遇到某些其他干擾時發生的。隨著電流沿結構下行（速度接近每秒3億米），風電機組內部和周圍的磁通量會發生變化。變化的磁場在結構周圍建立了干擾，對抗雷電流流向大地。在風電機組上可以有很多地方產生電感，但這里只討論兩個：筒狀塔身鋼構件之間的連接和主軸軸承（連接輪轂和機艙）。

圖4 雷電電流連續泄放入地但受到干擾

圖5 A－從機艙看到的風電機組主軸承B－典型風電機組軸承類型

二、鋼塔部分

支撐高層風電機組的塔通常由長20～30m的圓錐形鋼件構成。一座塔可能有多達5個這樣的部分，用螺栓固定在一起。

IEC 62305-3給出了有關引下線的合理建議，包括用盡可能多（絕不能少于2條）的平行引下線保護塔筒。根據定義，每個導體都應該是“電連續的”。IEC 61400-24忽視了該建議，允許使用鋼塔筒本身作為風電機組的主要保護引下線（第2版，9.3.2條）。從結構上講，這些巨大的鋼筒一個落在另一個上面，除了幾個M-30螺栓，并沒有其他的結構將它們固定連接在一起，這就有可能是一個高阻抗的連接。圖4-C中看到3個這樣的連接。IEC 61400-24毫無根據地假設，風電機組塔身或多或少地提供了一條通往大地的電連續路徑。制造商知道這不是事實，并試圖通過在鋼筒構件之間安裝導電夾或編帶以消除閃絡。目前還不清楚這種電氣連接到底有多好，但很清楚的是，這些塔段之間的高阻抗連接的影響在標準中沒有被考慮。

三、轉子和軸承

風電機組轉子與機艙的連接機構是其主軸軸承（有時由滑環或電刷輔助）。圖5A是一張主軸軸承的照片（從機艙看向輪轂），指示了作為固定部件的機艙（外圈螺栓環繞）和旋轉部件的輪轂。該軸承不但必須支撐輪轂和葉片的巨大負荷，而且要使它們在連接到固定機艙時能夠旋轉。根據風電機組的型號和尺寸，軸承可能是如圖5-B所示的類型之一。它們都不能提供很好的電氣連接，這就是問題所在。

風電機組的葉片是雷擊最多的地方，雷擊發生時，整個風電機組結構就變成了雷電流泄放路徑的一部分。主軸軸承正好位于該路徑的中心，成為一個非常高的阻抗結。葉片采用的泄放雷電流的裝置與50年前的裝置沒有不同：要么通過軸承傳導全部電流，要么嘗試通過分流導線或滑環來轉移部分電流，而兩者都不能提供低阻抗連接。

這到底有多重要？雷擊損壞葉片已經被認為是風電機組最昂貴的損失——可能是報道的兩倍。先前引用的HSE/NREL研究訴苦道：“大多數情況下，有關故障的信息不是由業主和運營商提供的。”看似雷擊以外的葉片損壞，如設計缺陷、磨損和機械缺陷，也可能歸因于雷擊。試想：當雷擊中風電機組，電壓升高到百萬伏，溫度升高到30000℃時，會發生什么？這些機械和熱應力會隨著時間的推移而持續，在服役幾年之后，當葉片在一個晴朗美麗的夏日發生了事故，即使檢查員必須把失誤歸咎于維修不善，但其實上，雷電才是真正的罪魁禍首。

試驗證實，當葉片在雷擊下融化或爆裂時，這些損害與峰值電流水平成正比。然而不僅僅是電流強度，電流的持續時間在產生和消散熱量中也起著決定性的作用。IEC 62305-1附件D（模擬閃電對LPS元件影響的測試參數）中提到了這一點，但得出的結論是，“在大多數情況下，脈沖電流的持續時間太短以至于加熱過程可以被認為是絕熱的。”[2]這對于接近無阻抗的固體銅引下線無疑是正確的，但對于上面提到的高阻抗連接或葉片來說則是不正確的，對葉片電流持續時間的忽略是代價高昂的。葉片的熱和電壓積聚是由阻抗和部件連接界面決定的。如果雷電放電迅速抵達低阻抗引下線并從那里入地，葉片就不太可能被損壞。只有當LPS包括高阻抗部件和連接時，才會得到異常高的電壓和溫度。

圖4顯示了雷電擊中風電機組葉片（A）。如果安裝足夠的引下線，電流將會迅速連續平穩地流入大地，在接地系統（D）中消解。在世界范圍內，LPS系統已經證明了僅做這項工作就可避免結構的損壞。保險公司對于安裝了避雷系統的結構降低保費，是因為這是一個經過驗證的防止結構損壞的保護策略。但是由于上述解釋過的原因，在實際使用的風電機組中情況并非如此。

尋求減少葉片損壞的研究已經把注意力放在葉片的材料和形狀，以及在葉片的哪個位置安裝接閃點與每支葉片安裝多少個傳導器上。而更大的問題（高阻抗的引下線）被普遍忽視了。當前應用的大多數葉片避雷系統如果是通過一個低阻抗的引下線連接入地的話，它們是會發揮作用的。與其他避雷系統不同的是：風電機組避雷系統在接閃點和大地之間沒有可靠的電氣連接，轉子和機艙之間的電連接中斷，各塔段之間的連接又使中斷更進了一步。

這些連接點承載一定量的電流，同時也產生干擾和中斷。這種干擾好像給電荷流動增加了“粘度”（阻力），因而帶來兩種效果：減緩電流的消失（盡管這種減緩很短暫）；聚集熱量、升高電壓水平造成閃絡放電的發生。這兩者都導致葉片損害而使風電機組停止運行，以及高達20多萬美元的維修賬單。

結論

直接和間接雷擊的影響造成至今最具破壞性的事故、最長的停機時間以及最高昂的維修費用。制造商和風電場運營商希望以IEC 61400-24為指導，提高風電機組的安全和效率，但是由于對事故和損壞時間缺乏具有足夠透明度的披露，風電機組防雷保護標準難以發揮它應有的作用。需要搭建風電機組損壞和事故數據平臺，以確定擬議的IEC 61400-24保護措施的可行性。此外，標準中少數不適用于風電機組的部分應該予以刪除。

本文提出了三條改進風電機組電涌保護的建議以及一條關于保護風電機組處人員生命安全的緊急提議。最后，探究了風電機組LPS設計中的最大問題，即轉子與大地之間的高阻抗連接。這個問題包括采用電連續的專用引下線、改善塔段之間的高阻抗連接問題，以及解決輪轂與機艙之間的高阻抗連接問題。風電機組LPS系統的研究和設計人員應該把解決旋轉輪轂和大地之間真正的低阻抗連接放在他們優先事項清單的首位。

或許遵循本文的電涌保護建議，并且通過在輪轂和大地之間建立一個低阻抗連接，能加強LPS的性能，許多當前困擾風電行業的問題會減少或消失。