紀(jì)一鳴，吳奎猛，殷樂，王建，周偉

（1.中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司吉林分公司，吉林長(zhǎng)春130000；2.中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司山東分公司，山東濰坊261000；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力公司長(zhǎng)春供電公司，吉林長(zhǎng)春130000；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250002；5.國(guó)網(wǎng)吉林省電力公司，吉林長(zhǎng)春130000）

風(fēng)電機(jī)組雷擊損傷分析與防護(hù)

紀(jì)一鳴1，吳奎猛2，殷樂3，王建4，周偉5

（1.中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司吉林分公司，吉林長(zhǎng)春130000；2.中廣核風(fēng)力發(fā)電有限公司山東分公司，山東濰坊261000；3.國(guó)網(wǎng)吉林省電力公司長(zhǎng)春供電公司，吉林長(zhǎng)春130000；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250002；5.國(guó)網(wǎng)吉林省電力公司，吉林長(zhǎng)春130000）

隨著風(fēng)電建設(shè)的迅猛發(fā)展，單臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)備更加大型化，雷擊對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益影響也日益突出。實(shí)地調(diào)研分析國(guó)內(nèi)某運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)各個(gè)部件和系統(tǒng)遭雷擊損害情況歷史數(shù)據(jù)，研究分析風(fēng)電機(jī)組雷擊損害機(jī)理，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行提出防雷的有效應(yīng)對(duì)措施，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的生產(chǎn)運(yùn)行及風(fēng)機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)有一定的借鑒意義。

風(fēng)電機(jī)組；雷擊分析；雷電防護(hù)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日漸成熟，風(fēng)力發(fā)電已成為重要的清潔能源之一。至2012年底，我國(guó)已成為全球風(fēng)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家，風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到7 532.4萬kW。

為了充分利用風(fēng)能，輪轂高度和葉輪直徑隨之增高，而風(fēng)機(jī)一般建立在空曠和較高位置，雷擊風(fēng)險(xiǎn)更加突出，成為影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的最大自然災(zāi)害之一，可能會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。除此之外，國(guó)內(nèi)風(fēng)資源豐富的地區(qū)地理環(huán)境多樣，雷暴發(fā)生幾率相對(duì)較高［1］。例如，我國(guó)的紅海灣風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)并網(wǎng)至2008年底多次發(fā)生雷擊，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，風(fēng)機(jī)葉片雷擊故障率達(dá)4%，其他通信電子元件雷擊故障率達(dá)20%。

德國(guó)對(duì)風(fēng)機(jī)雷擊事故的多年研究顯示［2］，每年德國(guó)風(fēng)電場(chǎng)每百臺(tái)風(fēng)機(jī)雷擊事故率高達(dá)8%左右，遇雷擊而易損壞的部件系統(tǒng)主要是電氣通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、葉片和發(fā)電機(jī)。其中控制系統(tǒng)幾率最大，約為40%～50%，葉片及電氣通信系統(tǒng)次之，約為15%～20%，發(fā)電機(jī)受雷擊幾率最低，約為5%。雷擊故障損失發(fā)電量和修復(fù)費(fèi)用多少依次為：葉片（最多）、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、電氣通信系統(tǒng)。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行做好風(fēng)電場(chǎng)的防雷措施，有利于提高風(fēng)電場(chǎng)的有效利用小時(shí)數(shù)、減少運(yùn)行成本和增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行可靠性，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行管理及風(fēng)機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

1 雷擊形式

雷電浪涌。雷電浪涌是雷擊時(shí)在輸電和通信線路中電磁感應(yīng)產(chǎn)生的電流波動(dòng)，它對(duì)電子設(shè)備危害最大。

直接雷擊。直接雷擊就是正負(fù)極雷云之間或帶電雷云對(duì)地面部分（樹木、建筑物、動(dòng)物等）的快速猛烈放電現(xiàn)象，其產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電效應(yīng)等會(huì)造成人員傷亡和設(shè)備損壞［3］。

感應(yīng)雷擊［4］。雷電產(chǎn)生時(shí)，在其周圍導(dǎo)體上（輸電線路、鋼鐵構(gòu)件、通信線路等）產(chǎn)生的電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)現(xiàn)象稱為感應(yīng)雷擊，它會(huì)在微電子設(shè)備產(chǎn)生過電壓和過電流，使得信號(hào)或數(shù)據(jù)干擾丟失，人員受到安全威脅。

2 風(fēng)電機(jī)組各部分的雷擊情況分析

鑒于不同地區(qū)的雷暴日數(shù)和雷電流幅值概率等參數(shù)及特性均不相同，實(shí)地調(diào)研國(guó)內(nèi)某運(yùn)行風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)各個(gè)部件和系統(tǒng)遭雷擊損害情況，統(tǒng)計(jì)分析該風(fēng)電場(chǎng)連續(xù)4年的風(fēng)機(jī)所受雷擊歷史數(shù)據(jù)。

2.1 風(fēng)機(jī)葉片雷擊情況統(tǒng)計(jì)分析

葉片是風(fēng)機(jī)捕捉風(fēng)能的不可缺少的部件，作為風(fēng)機(jī)的最大、最長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)部件，葉片比其他系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)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(shè)備。對(duì)表1數(shù)據(jù)分析可知，風(fēng)機(jī)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(shù)量的80%，主要包含裂紋、灼傷、開皮等。葉片嚴(yán)重?fù)p壞或全部損壞約占20%左右。一般情況下，專業(yè)葉片維修隊(duì)伍可在1天內(nèi)修復(fù)好輕微受損，經(jīng)濟(jì)效益影響較小。

表1 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)葉片受雷擊事故損害數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2.2 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)雷擊情況統(tǒng)計(jì)分析

發(fā)電機(jī)是風(fēng)電機(jī)組的重要部件之一，成本高，安裝和檢修技術(shù)要求高，發(fā)電機(jī)運(yùn)行好壞直接影響風(fēng)電機(jī)組的可利用率。

由表2中數(shù)據(jù)分析可知，風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)雷擊損壞主要發(fā)生在轉(zhuǎn)子，該風(fēng)電場(chǎng)4年中發(fā)生過一次轉(zhuǎn)子雷擊損壞事故，發(fā)電機(jī)其他結(jié)構(gòu)未發(fā)生雷擊損壞事故。轉(zhuǎn)子損壞導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法工作，故障需要專業(yè)的大修隊(duì)伍進(jìn)行處理，耗費(fèi)時(shí)間和費(fèi)用相對(duì)較高。

2.3 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)雷擊情況統(tǒng)計(jì)分析

無論是頂部控制柜的控制系統(tǒng)還是測(cè)風(fēng)塔控制系統(tǒng)，一旦發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停機(jī)或不安全運(yùn)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(guó)外產(chǎn)品，備品備件成本較高。

表2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)雷擊事故次數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表3中數(shù)據(jù)分析可以看出，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)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(tǒng)總故障率的65%和22%，此類模塊主要控制風(fēng)機(jī)的偏航、液壓、變槳及系統(tǒng)通信，對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行有重要作用。

2.4 風(fēng)電場(chǎng)線路雷擊情況統(tǒng)計(jì)分析

風(fēng)電場(chǎng)線路主要包含集電線路（10 kV、35 kV）及并網(wǎng)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(shè)備跳閘，影響風(fēng)機(jī)的發(fā)電和運(yùn)行，修復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致全場(chǎng)風(fēng)機(jī)停運(yùn)。

表4 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的電場(chǎng)線路雷擊損壞次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從表4分析可以看出，35 kV系統(tǒng)是風(fēng)電場(chǎng)集電線路，線路較多，遭受雷擊次數(shù)最多，跳閘次數(shù)最多，遭受雷擊后跳閘概率約為2%；10 kV系統(tǒng)線路較少，遭受雷擊次數(shù)最少，遭受雷擊后跳閘概率約為6%；110／220 kV系統(tǒng)線路是風(fēng)場(chǎng)聯(lián)系電網(wǎng)的大動(dòng)脈，遭受雷擊次數(shù)較多，遭受雷擊后跳閘概率約為1%。

3 風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊故障原因分析和防雷措施

3.1 風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊故障原因分析

風(fēng)電機(jī)組葉片、控制柜的控制系統(tǒng)、測(cè)風(fēng)塔控制系統(tǒng)、風(fēng)場(chǎng)中控通信遠(yuǎn)動(dòng)、輸電線路、電子設(shè)備易因雷擊發(fā)生故障，主要是因?yàn)閻毫迎h(huán)境的侵蝕導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組和輸電桿塔接地網(wǎng)接地電阻變高，當(dāng)遭受雷擊時(shí)，地電位抬高形成反擊過電壓，從而造成風(fēng)機(jī)設(shè)備損壞。接地電阻越高，形成的反擊電壓則越高，造成設(shè)備損壞的概率就越大。同時(shí)風(fēng)機(jī)廠家一般只注重葉片、機(jī)艙等單個(gè)部件的防雷實(shí)驗(yàn)，很少對(duì)整機(jī)進(jìn)行防雷測(cè)試和檢驗(yàn)；另外，在生產(chǎn)運(yùn)行中，感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的過電壓還會(huì)沿線路（包括輸電線路、通信線路等）波及到弱電系統(tǒng)，使弱電系統(tǒng)的通信和控制模塊信號(hào)丟失或受干擾，造成設(shè)備故障。

3.2 風(fēng)電機(jī)組防雷措施

目前國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組采用的防雷模式主要為圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)雷電流路徑和相關(guān)設(shè)備

當(dāng)閃電擊中風(fēng)機(jī)時(shí)，從上到下依次通過葉片接閃器、變槳軸承、主軸、機(jī)艙地板、偏航軸承、塔筒、大地。所以為保護(hù)控制柜內(nèi)的設(shè)備，建議在機(jī)艙、發(fā)電機(jī)、控制柜等采用等電位和屏蔽處理［5］，在塔筒和基礎(chǔ)布置了接地環(huán)和接地網(wǎng)。為了降低雷擊風(fēng)電機(jī)組的次數(shù)，建議在強(qiáng)雷暴區(qū)的風(fēng)電場(chǎng)采用綜合的防雷保護(hù)措施：通過降低風(fēng)電機(jī)組和測(cè)風(fēng)塔的接地網(wǎng)接地電阻來降低接地網(wǎng)的反擊過電壓；在架空輸電線路上有選擇的安裝質(zhì)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(fēng)機(jī)控制柜內(nèi)采用浪涌吸收器（SPD）和電源隔離的措施；定期測(cè)量設(shè)備接地電阻，處理不符合規(guī)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(nèi)部覆蓋接閃帶，可以有效減少雷擊的閃絡(luò)和葉片損壞。同時(shí)在葉片保護(hù)涂層加入10%或30%的銻合金對(duì)加強(qiáng)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(yīng)提高35 kV線路避雷線的高度，增加絕緣子片數(shù)，降低桿塔接地電阻，而在高土壤電阻率地區(qū)填埋降低電阻率的試劑。定期對(duì)線路和變電站避雷器及絕緣子做電氣預(yù)防性實(shí)驗(yàn)，及時(shí)更換不合格的設(shè)備。適度增加場(chǎng)內(nèi)避雷針數(shù)量，對(duì)通信線路采用帶屏蔽層的線纜或光纜穿鋼管埋地敷設(shè)，以減少電磁干擾和電磁感應(yīng)。

針對(duì)雷擊損壞高故障率的控制系統(tǒng)，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(shè)備，供電回路建議采用TN-S供電方式；在控制系統(tǒng)安裝三級(jí)浪涌保護(hù)器。例如機(jī)艙頂部控制柜和塔筒底部控制柜安裝通過二級(jí)分類試驗(yàn)（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(nèi)的主要弱電模塊電源處增設(shè)三級(jí)分類試驗(yàn)（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(shù)必須符合規(guī)范要求的最小值，同時(shí)在場(chǎng)站的通信線路和計(jì)算機(jī)保護(hù)裝置均增設(shè)24 V直流防雷模塊，可有效提高防雷能力。

4 結(jié)語

為有效提高風(fēng)電場(chǎng)的可靠運(yùn)行水平，增強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)的防雷能力，實(shí)地調(diào)研分析國(guó)內(nèi)某運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)各個(gè)部件和系統(tǒng)遭雷擊損害情況歷史數(shù)據(jù)，研究分析風(fēng)電機(jī)組雷擊損害機(jī)理，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行提出有針對(duì)性的防雷應(yīng)對(duì)措施，為風(fēng)機(jī)制造廠家、施工設(shè)計(jì)單位、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維單位提供技術(shù)參考。

［1］DL／T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合［S］.

［2］趙海翔，王曉蓉.風(fēng)電機(jī)組的雷擊機(jī)理與防雷技術(shù)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（7）：12-15.

［3］DL／T 621—1997交流電氣設(shè)備的接地［S］.

［4］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.建筑物防雷設(shè)施安裝圖集［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2007.

［5］林志遠(yuǎn)，黃聰.風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)一鳴（1971—），男，工程師，主要從事風(fēng)電企業(yè)管理、風(fēng)機(jī)檢修管理工作。