风电机组雷击损伤分析与防护

纪一鸣，吴奎猛，殷乐，王建，周伟

（1.中广核风力发电有限公司吉林分公司，吉林长春130000；2.中广核风力发电有限公司山东分公司，山东潍坊261000；3.国网吉林省电力公司长春供电公司，吉林长春130000；4.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002；5.国网吉林省电力公司，吉林长春130000）

风电机组雷击损伤分析与防护

纪一鸣1，吴奎猛2，殷乐3，王建4，周伟5

（1.中广核风力发电有限公司吉林分公司，吉林长春130000；2.中广核风力发电有限公司山东分公司，山东潍坊261000；3.国网吉林省电力公司长春供电公司，吉林长春130000；4.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002；5.国网吉林省电力公司，吉林长春130000）

随着风电建设的迅猛发展，单台风机设备更加大型化，雷击对风电机组的安全运行和经济效益影响也日益突出。实地调研分析国内某运行风场风机各个部件和系统遭雷击损害情况历史数据，研究分析风电机组雷击损害机理，结合实际生产运行提出防雷的有效应对措施，对风电场的生产运行及风机设备的生产有一定的借鉴意义。

风电机组；雷击分析；雷电防护

0 引言

随着社会经济的发展及风力发电技术日渐成熟，风力发电已成为重要的清洁能源之一。至2012年底，我国已成为全球风电装机容量最大的国家，风电累计装机容量达到7 532.4万kW。

为了充分利用风能，轮毂高度和叶轮直径随之增高，而风机一般建立在空旷和较高位置，雷击风险更加突出，成为影响风电机组安全运行的最大自然灾害之一，可能会造成风电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等。除此之外，国内风资源丰富的地区地理环境多样，雷暴发生几率相对较高［1］。例如，我国的红海湾风电场投产并网至2008年底多次发生雷击，据统计分析，风机叶片雷击故障率达4%，其他通信电子元件雷击故障率达20%。

德国对风机雷击事故的多年研究显示［2］，每年德国风电场每百台风机雷击事故率高达8%左右，遇雷击而易损坏的部件系统主要是电气通信系统、控制系统、叶片和发电机。其中控制系统几率最大，约为40%～50%，叶片及电气通信系统次之，约为15%～20%，发电机受雷击几率最低，约为5%。雷击故障损失发电量和修复费用多少依次为：叶片（最多）、发电机、控制系统、电气通信系统。

结合实际生产运行做好风电场的防雷措施，有利于提高风电场的有效利用小时数、减少运行成本和增强风电机组的运行可靠性，对风电场的运行管理及风机设备的生产有显著的经济效益。

1 雷击形式

雷电浪涌。雷电浪涌是雷击时在输电和通信线路中电磁感应产生的电流波动，它对电子设备危害最大。

直接雷击。直接雷击就是正负极雷云之间或带电雷云对地面部分（树木、建筑物、动物等）的快速猛烈放电现象，其产生的热效应和电效应等会造成人员伤亡和设备损坏［3］。

感应雷击［4］。雷电产生时，在其周围导体上（输电线路、钢铁构件、通信线路等）产生的电磁感应与静电感应现象称为感应雷击，它会在微电子设备产生过电压和过电流，使得信号或数据干扰丢失，人员受到安全威胁。

2 风电机组各部分的雷击情况分析

鉴于不同地区的雷暴日数和雷电流幅值概率等参数及特性均不相同，实地调研国内某运行风场风机各个部件和系统遭雷击损害情况，统计分析该风电场连续4年的风机所受雷击历史数据。

2.1 风机叶片雷击情况统计分析

叶片是风机捕捉风能的不可缺少的部件，作为风机的最大、最长的旋转部件，叶片比其他系统和结构更易遭受雷击，而且为了满足叶片的性能，叶片不能够安装沉重的避雷设备。对表1数据分析可知，风机叶片雷击损坏主要集中于叶片尖部，受损程度主要集中于小面积的轻微受损，约占叶片受雷击损害总数量的80%，主要包含裂纹、灼伤、开皮等。叶片严重损坏或全部损坏约占20%左右。一般情况下，专业叶片维修队伍可在1天内修复好轻微受损，经济效益影响较小。

表1 风电场风机叶片受雷击事故损害数量统计

2.2 风机发电机雷击情况统计分析

发电机是风电机组的重要部件之一，成本高，安装和检修技术要求高，发电机运行好坏直接影响风电机组的可利用率。

由表2中数据分析可知，风机发电机雷击损坏主要发生在转子，该风电场4年中发生过一次转子雷击损坏事故，发电机其他结构未发生雷击损坏事故。转子损坏导致发电机无法工作，故障需要专业的大修队伍进行处理，耗费时间和费用相对较高。

2.3 风机控制系统雷击情况统计分析

无论是顶部控制柜的控制系统还是测风塔控制系统，一旦发生故障都会导致风机停机或不安全运行。该类控制模块故障处理一般需要更换新模块，部分模块可能是国外产品，备品备件成本较高。

表2 风电场风电机组的发电机雷击事故次数统计

由表3中数据分析可以看出，风机控制系统雷击损坏主要集中于顶部的PLC控制模块和底部控制柜模块，分别占控制系统总故障率的65%和22%，此类模块主要控制风机的偏航、液压、变桨及系统通信，对单台风机的安全运行有重要作用。

2.4 风电场线路雷击情况统计分析

风电场线路主要包含集电线路（10 kV、35 kV）及并网线路（110 kV、220 kV），主要起汇集电能和输送电能作用。线路一旦遭受雷击将造成线路绝缘损坏和设备跳闸，影响风机的发电和运行，修复时间较长，甚至导致全场风机停运。

表4 风电场风电机组的电场线路雷击损坏次数统计

从表4分析可以看出，35 kV系统是风电场集电线路，线路较多，遭受雷击次数最多，跳闸次数最多，遭受雷击后跳闸概率约为2%；10 kV系统线路较少，遭受雷击次数最少，遭受雷击后跳闸概率约为6%；110／220 kV系统线路是风场联系电网的大动脉，遭受雷击次数较多，遭受雷击后跳闸概率约为1%。

3 风电机组遭受雷击故障原因分析和防雷措施

3.1 风电机组遭受雷击故障原因分析

风电机组叶片、控制柜的控制系统、测风塔控制系统、风场中控通信远动、输电线路、电子设备易因雷击发生故障，主要是因为恶劣环境的侵蚀导致风电机组和输电杆塔接地网接地电阻变高，当遭受雷击时，地电位抬高形成反击过电压，从而造成风机设备损坏。接地电阻越高，形成的反击电压则越高，造成设备损坏的概率就越大。同时风机厂家一般只注重叶片、机舱等单个部件的防雷实验，很少对整机进行防雷测试和检验；另外，在生产运行中，感应雷击产生的过电压还会沿线路（包括输电线路、通信线路等）波及到弱电系统，使弱电系统的通信和控制模块信号丢失或受干扰，造成设备故障。

3.2 风电机组防雷措施

目前国内风电机组采用的防雷模式主要为图1所示。

图1 风机雷电流路径和相关设备

当闪电击中风机时，从上到下依次通过叶片接闪器、变桨轴承、主轴、机舱地板、偏航轴承、塔筒、大地。所以为保护控制柜内的设备，建议在机舱、发电机、控制柜等采用等电位和屏蔽处理［5］，在塔筒和基础布置了接地环和接地网。为了降低雷击风电机组的次数，建议在强雷暴区的风电场采用综合的防雷保护措施：通过降低风电机组和测风塔的接地网接地电阻来降低接地网的反击过电压；在架空输电线路上有选择的安装质量合格的线路型氧化锌避雷器或者尽量采用地埋电缆来降低线路的雷击事故；中控和风机控制柜内采用浪涌吸收器（SPD）和电源隔离的措施；定期测量设备接地电阻，处理不符合规定的防雷接地和定期更换清扫防雷碳刷。

采用叶片尖部加装接闪器，内部覆盖接闪带，可以有效减少雷击的闪络和叶片损坏。同时在叶片保护涂层加入10%或30%的锑合金对加强叶片的防雷击损坏有较好效果。

为减少线路的雷击故障，可以相应提高35 kV线路避雷线的高度，增加绝缘子片数，降低杆塔接地电阻，而在高土壤电阻率地区填埋降低电阻率的试剂。定期对线路和变电站避雷器及绝缘子做电气预防性实验，及时更换不合格的设备。适度增加场内避雷针数量，对通信线路采用带屏蔽层的线缆或光缆穿钢管埋地敷设，以减少电磁干扰和电磁感应。

针对雷击损坏高故障率的控制系统，为防止沿通信线或者低压电源线路侵入的雷电浪涌损坏用电设备，供电回路建议采用TN-S供电方式；在控制系统安装三级浪涌保护器。例如机舱顶部控制柜和塔筒底部控制柜安装通过二级分类试验（交流避雷器，Imax为60 kA；24 V直流电源避雷器In为20 kA）的防雷模块和避雷器，在柜内的主要弱电模块电源处增设三级分类试验（交流避雷器，Imax为30 kA；24 V直流电源避雷器In为2 kA）的防雷模块和避雷器，各类参数必须符合规范要求的最小值，同时在场站的通信线路和计算机保护装置均增设24 V直流防雷模块，可有效提高防雷能力。

4 结语

为有效提高风电场的可靠运行水平，增强风电场的防雷能力，实地调研分析国内某运行风电场风机各个部件和系统遭雷击损害情况历史数据，研究分析风电机组雷击损害机理，结合实际生产运行提出有针对性的防雷应对措施，为风机制造厂家、施工设计单位、风电场运维单位提供技术参考。

［1］DL／T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.

［2］赵海翔，王晓蓉.风电机组的雷击机理与防雷技术［J］.电网技术，2003，27（7）：12-15.

［3］DL／T 621—1997交流电气设备的接地［S］.

［4］中国建筑标准设计研究院.建筑物防雷设施安装图集［M］.北京：中国计划出版社，2007.

［5］林志远，黄聪.风力发电机组的防雷问题［J］.广东电力，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

纪一鸣（1971—），男，工程师，主要从事风电企业管理、风机检修管理工作。