關于風電機組不落雷的直擊雷防護技術研究與實踐

國家電投集團江蘇新能源有限公司 蘇 俊 周慶根 張 磊 張樹臣 朱興龍

國家電投集團江蘇新能源有限公司位于江蘇省鹽城市，公司風電場之一徐州賈汪風電場位于于徐州市賈汪區，場址內海拔高度在30～150米之間，南北長約13.8公里，東西寬約12.3公里，總面積約38平方公里，為江蘇境內第一家山地風電項目。賈汪風電總裝機容量為74MW，于2014年9月開工建設，2015年6月全容量并網。賈汪風電屬于三類山地風場，全年平均風速5m/s左右，可利用小時數為2009小時，大風期主要集中在春冬兩季。

1 防雷狀況及其分析

風電機組雷擊事故情況。賈汪風電場37臺風機均建在多石地質結構的山頂上，海拔80～200米，該地區夏季雷暴頻繁，平均雷暴天數為29天，36#風電機組多次遭受雷擊故障。由于賈汪風電場土壤電阻率較高，對37臺風機全部做了接地降租處理，36#風機遭雷擊問題基本排除接地電阻的因素。36#風機位置處于賈汪風電場最高點，經實地考察，36#、37#風機安裝位置為平原與山地陡坡交界面，屬于易于形成雷電的典型地貌。

風電機組直擊雷防護設計。本文重點討論風機葉片的直擊雷防護問題，賈汪風電機組葉片的直擊雷防護設計采用引雷入地技術，包括接閃器、引下線、接地三部分。風機葉片接閃器安裝在葉片頂部，引下線包括葉片引下線、主軸承+防雷電刷、風機塔筒等部分。賈汪風電為雙饋型機組，主軸承設計有防雷電刷。風機葉片接閃后，雷電流經葉片引下線、防雷電刷、主軸承、塔筒匯入大地。在風機塔筒塔基處設計接地點，雷電流主要部分經接地點流入大地。

雷電流路徑。其中經防雷電刷分流部分有限，雷電流主要經主軸承流入大地。防雷電刷和主軸承均為動態部件，運行過程中存在震動、磨損、灰塵等因素增加接觸電阻。根據我國大部分地區多年實測得到的1205個數據統計，雷電流幅值≥40kA的雷電流占45%，≥80kA的雷電流占17%，≥108kA的雷電流占10%；我國實測最大雷電流330kA只占0.1%，其余27.9%雷電流幅值＜40kA。以概率較大的40kA雷電流為例，防雷電刷和主軸承因磨損等因素每增加0.1Ω接觸電阻、葉片的雷電電壓抬升4kV。

雷電流對葉片及軸承的損壞機制。當雷電擊中葉片后，雷電熱效應使葉片內部中的水蒸汽和空氣迅速膨脹，瞬間產生巨大壓力的沖擊會使整個葉片爆裂，嚴重時壓力還會通過輪轂傳導至沒有遭雷擊的葉片上而引起連鎖的損壞。葉片的雷電電壓越高、熱效應越強烈，對葉片的損壞成度越大。在風機中常有主風輪軸承、偏航軸承、變槳軸承，軸承在工作時運動且接觸面是變化的，當流過軸承接觸面的電流密度超過一定值時會產生電弧，尤其是當雷擊中風機葉片時所產生的巨大電流流經軸承時會在接觸面上留下燒蝕斑點，造成軸承的振動和機械磨損增大。雷電流對軸承的損壞是逐步遞進的，是一個惡性循環的過程，此過程中同時增加了葉片遭雷擊損壞的風險。

雷擊原因分析。風電機組防雷設計采用富蘭克林引雷入地技術，關鍵點為接地電阻。接地電阻符合設計規范時能及時泄放雷電流進入大地，達到保護風電機組設備的目的。由于風電機組功能結構特點，無法避免在雷電流路徑上存在軸承、防雷電刷等環節，在運行過程中這些環節接觸電阻的變化會增大葉片的對地電阻，是風電機組葉片遭受雷擊損壞的主要原因，在引雷入地防雷技術體系內是無法解決的問題，只能尋找其他直擊雷防護方案。

2 新型直擊雷防護裝置

為了解決賈汪風電場直擊雷雷電防護問題，引進新型直擊雷防護技術，基本要求是避免風電機組接閃，消除雷電流對風電機組的損壞。

2.1 雷電過程簡介

雷云對大地放電通常分為先導放電、主放電和輝光放電三個階段：先導放電。開始時往往從雷云邊緣向地面發展，以逐級推進方式向下發展，這種放電稱為先導放電（下行先導）。當先導接近地面時，地面上一些高聳的物體會發出向上的迎面先導（上行先導），地面的風電機組安裝在較高位置，在風電場環境中是主要的上行先導發生點；主放電。當上行先導與下行先導相遇時，便形成了放電通道，納秒級時間后沿著雷電通道就發生了強烈的電荷中和過程，出現極大的電流（數十到數百千安），伴隨著雷鳴和閃光，這就是雷電的主放電階段；輝光放電。主放電完成后，云中剩余的電荷沿著原來的主放電通道繼續流入大地，看到的是一片模糊的發光，這就是輝光放電。

2.2 新型直擊雷防護裝置介紹

新型直擊雷防護設備設計原理。雷電對地面物體的損壞主要是在主放電階段發生的，新型直擊雷防護設備是根據雷電形成過程設計的，避免在被保護的設備上發生雷電主放電。主放電是在先導放電之后形成放電通道時瞬間發生的，風電機組作為地面位置較高的導電體，其電場感應物理現象無法避免，尤其是風電機組葉片頂部的尖端放電現象是引雷接閃的易發點，是傳統引雷入地防雷技術的接閃點，即：風電機組參與雷電過程的先導放電無法避免。先導放電過程通過接地點提供感應能量，此過程的電流很小對接地電阻要求不高，為了阻止雷電落下來，在先導放電發生后納秒級時間內發生先導放電的點必須與大地呈現高阻抗隔離，使其無法發生主放電過程。

依此設計了新型直擊雷防護設備的關鍵部件：變租抑制器。變租抑制器在感應電極下方，在晴朗天氣時呈高阻狀態，當有雷云經過時，感應電極感應異性電荷，當感應電荷產生的電場強度達到設計值時，變阻抑制器納秒級導通使感應極與大地連通，大地迅速提供大量感應電荷，使感應極發生先導放電，先導放電后感應極失壓，此時變阻抑制器納秒級呈高阻狀態使感應極與大地高阻隔離，破壞了雷電通道形成條件，即：在先導放電后無法發生主放電，達到阻止落雷的目的。

新型直擊雷防護裝置與引雷入地技術不同，是通過阻斷雷電通道的技術讓雷不落在防護區域，安裝在葉片上避免風電機組接閃，該裝置為無源設備，通過十幾年應用設備可靠、技術成熟。從雷電過程可知，當上行先導與下行先導相遇時打通放電通道是形成雷電主放電的關鍵點，該裝置是在此關鍵點以納秒級速度斷開接地，阻斷了主放電的過程（圖1）。工作過程如下。

圖1 新型直擊雷防護裝置

狀態1：感應場強達到閾值前，開關為斷開狀態；狀態2：感應場強達到閾值后，開關導通，迅速從地面裝載或釋放大量電子，提供感應能量；狀態3：感應場強達到擊穿空氣條件后，激發先導放電，感應場強跌落到閾值以下，開關迅速斷開，回到狀態1。狀態3時感應電極發出上行先導，具備了“與下行先導相遇”條件，即形成放電通道的條件，但此時變阻抑制器總是呈高阻狀態，達到了阻斷雷電通道目的。在狀態2時，變阻抑制器導通，目的是為了從大地補充感應電極的能量、形成狀態3，此過程接地電流很小，對軸承、防雷電刷的接觸電阻要求不高，避免了因雷電流對軸承等部件的損壞。狀態1、2不具備雷電形成條件，狀態3阻斷雷電通道。

新型直擊雷防護設備優勢。新型直擊雷防護設備有兩個技術特點，阻止了雷電主放電過程和降低了對接地電阻要求。阻止雷電主放電過程可使風電機組避免了直擊雷損傷，從根本上解決了風機葉片被雷電損壞的問題，降低對接地電阻的要求，解決了風電機組建設在山地多石地貌和土壤電阻率高環境下的接地維護問題。采用引雷入地技術接地電阻是防雷的關鍵，接地電阻不滿足要求時由于雷電能量不能及時泄放入大地，造成葉片損傷概率激增，為了降低接地電阻采用增大接地面積、使用降阻劑等不僅多占用征地，還會造成土地污染且增加維護成本，因此采用新型直擊雷防護技術不僅解決了直擊雷防護問題，還減少了土地占用、避免了土地污染、降低了運維成本。

風電機組的結構中葉片轉動機構，其軸承是防雷引下線不可跨越的途徑，采用引雷入地防雷技術存在風電機組結構性風險，另一方面風電場選址在山地多石等土壤電阻率高的環境是優先選擇，因此風電機組防雷問題是急需解決的普遍性問題，采用新型直擊雷防護技術，經過實踐驗證是可靠的優選方案。新型直擊雷防護設備結構設計考慮了工程實施簡單，無源免維護等特點，在安裝改造過程中充分考慮了原有防雷系統的再利用問題，即：原有防雷系統設備設施除截斷葉片防雷引下線、串接新型直擊雷防護設備之外無需改動，此設計使的防雷改造工作成本低、效率高、安裝簡單、對風電機組結構無影響，具備大規模應用特點。

3 工程設計與安裝

安裝位置。風電機組新型直擊雷防護裝置，每個葉片安裝一個，串接在葉片安裝法蘭葉片側的引下線中（圖2）。安裝新型直擊雷防護設備后，原有防雷設施繼續在新的防雷系統中使用，原有風機葉片接閃點與新型直擊雷防護設備的感應電極連接，成為感應電極的一部分，是風電機組葉片上發生先導放電的點，由于變阻抑制器的作用，接閃點不再接閃變為回閃點。原有接地引下線部分在葉片根部串接新型直擊雷防護設備，其余部分作用不變，安裝了新型直擊雷防護設備后，接地引下線部分的作用不再承受雷電主放電，僅用于為提供新型直擊雷防護設備的感應電極提供電場感應能量，電流很小不會對轉動軸承造成威脅，轉動軸承工作過程中造成的電阻不穩定性也不會影響風電機組的防雷性能。

圖2 安裝位置

每臺風電機組安裝三臺新型直擊雷防護裝置，安裝后葉片不接閃，對軸承、防雷電刷機構接觸電阻沒有要求。在風電機組葉片免受雷擊損壞外，還減輕了軸承雷擊造成的潛在威脅。由于安裝了新型直擊雷防護設備后不再發生雷電主放電，風電機組控制系統感應雷危險也降到最低。不但解決了直擊雷防護問題，還優化了感應雷防護，總體提高了風電機組的雷電防護水平。工程實施時安裝在葉片根部隔板上，為了確保機艙直擊雷防護，在機艙頂部的氣象架上安裝了側擊雷防護裝置，側擊雷防護裝置原理與直擊雷防護裝置相同，通過法蘭與支撐連接，支撐桿固定在機艙頂部的氣象加上，不影響氣象架原有設備的工作。

工程設計。依據為賈汪風電場雷擊事件資料和現場考察分析，賈汪風電場共37臺風機，根據《賈汪風場葉片檢測報告》（36#風機、7#風機）均由雷擊記錄，其中36#風機安裝在賈汪風電場的最高點，37#風機臨近36#風機，所以本次設計在7#、36#、37#風機上安裝了新型直擊雷防護裝置。

工程安裝。每臺風電機組安裝三臺新型直擊雷防護裝置，安裝后葉片不接閃，對軸承、防雷電刷等機構接觸電阻沒有要求。在風電機組葉片免受雷擊損壞外，還減輕了軸承雷擊造成的潛在威脅，風電機組控制系統感應雷危險也降到最低。工程實施時將新型直擊雷防護設備用螺栓固定在葉片根部隔板上，隔板兩側分別設計了加強整體墊片，將原有的葉片防雷引下線截斷，接閃點端連接新型直擊雷防護設備的感應電極測，接地方向端與新型直擊雷防護設備的接地端連接。為了確保機艙直擊雷防護，在機艙頂部的氣象架上安裝了側擊雷防護裝置，保護當風機葉片旋轉到“Y”字形位置時，或復雜氣象環境時從側面過來先導放電情況下，風機機艙的雷擊風險。防護原理相同。新型直擊雷防護設備安裝后，從3月到11月經過一個雷雨季節的運行，36#、37#、7#三臺風機經檢測沒有遭受雷擊的痕跡，風電機組雷電監測裝置沒有記錄到雷電流數據，解決了賈汪風電機組直擊雷防護問題。