风电机组叶片、电子器件及人员防雷研究*

文 | Bruce Glushakow

叶片是用于捕风的部件。叶片越长，捕风能力越大，从而能将更多的风能转化为电力，这很好地解释了风电机组叶片更大和更长的发展趋势。随着叶片的加长，塔筒也需要更高。文献证明，塔筒越高，发生雷击的概率会随之增高。IEC 61400-24最早提出保护风电机组免受雷击损害的标准化措施，在2002年国际电工委员会所作的一篇技术报告中被提出，2010年获批成为国际标准。风电行业对于这类标准的需求是明确的。一篇1996年的研究显示，仅德国在1992年到1995年间平均每年发生135起雷击事件。2006年的IEEE风能特刊报道称，每年有10%～14%的风电机组受到雷击损坏，其中1/3是直击雷造成的，且遭直击雷损坏叶片的维修费用最高。

今天，损坏比例比标准颁布之前更高。据为可再生能源项目提供保险的Gcube保险公司（一家国际著名的保险公司）介绍：在2012年美国全年的风电机组保险索赔中，41.4%是雷击损坏叶片，每笔平均赔偿额为24万美元。Gcube 保险公司在2017年的另一篇题为《冒险商业：评估陆上风力开发》的报告中说：全球范围内，风电行业每年有近4000起叶片损坏事故，每起的损失近100万美元，而雷击是这些损坏最主要的原因。

最近发布在《可再生与可持续能源评论》上关于风电机组损坏最全面的研究显示：尽管少于雷击损坏的1/3（其他由电网感应或雷击附近地面造成），直击雷损坏叶片造成的损失是最大的，且对轴承、发电机、变桨控制以及叶片本身都有非常大的损害。

国际协会的Certified Home Inspector证实：与雷击关联最密切的风电机组组件遭受损坏的频率最高；尤其是控制和电子系统，还有就是昂贵的叶片和转子。

受雷击损害严重的日本风电行业，已经注意到了IEC 61400-24的不足[8]。欧洲和美国的研究者对其差异化做了详细的报告（比如风电场经历雷击事件比标准预测的高6倍之多，其中98%是从叶尖引发的上行雷击）。

表1 对每台风电机组损坏事故的保守估计［6］，其他报告所显示的损坏频率更高

他们已经对IEC防雷保护标准中采纳的雷击电流分布情况提出了问题。

毫无疑问，当一家大型可再生能源保险公司的总裁观察到“整个行业在减少雷击风险方面几乎无能为力”时，这种持续损害已经造成了巨大的恐慌。本文要说的是：有很多事情可以做，首先应该从审视旨在消除雷击损害的标准开始。

加强IEC 61400-24标准

根据《韦伯斯特》字典的定义，标准是适合于某一特殊目的之适当的水平或质量程度。如果IEC 61400-24的目的是保护风电机组免受雷击损坏，则前面的数据表明：IEC 61400-24执行的步骤和策略有缺陷[12]，所有利益攸关方都有义务帮助改进这一标准。以下是改进这一标准的若干建议。

一、透明是必需的

因为制造商倾向于掩盖事实，要搜集风电机组损坏的重要数据是非常困难的。IEC 61400-24第一版收录了整整8页致力于找出风电机组雷击损坏的数据。它按国家、风电机组的尺寸、季节和地形类型对损失进行了分类，并且按部件和损坏的成本分别给出故障的数量和频率；详细列出这些事故对能源生产的影响并描述老化风电机组的损坏率。得出的结论为，2002年以前“7%到10%的雷击事故涉及叶片损害……43%到51%的雷击事故涉及控制系统损坏……相比于一般故障，雷击故障造成了40%或更多的能源损失以及20%及以上的停机时间”[13]。但在IEC 61400-24的改写/修订版中，所有此类信息都被删除了。2013年，一份由英国卫生和安全执行（HSE）与美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）联合发起的研究发现行业内没有全面、公开可利用的包含实际风电机组事故的数据，这是因为制造商的商业关切使得制造商、经营者、研究组织和贸易协会汇编的许多数据成为专有或机密的。报告总结道：“制造商不愿意公布事故数据”，当前没有风电机组事故的基础数据可供风电机组可靠性判断以及风险评估。这种情况在2018年依然如故。这样的保密工作在其他任何能源行业都是没有的。

为了准确地评估IEC 61400-24的有效性，风电行业需要提供这些可用数据。据为世界上最大的风电机组制造商之一工作的两名电气工程师介绍，在他们熟悉的2.5万台风电机组中，平均每年每台风电机组会出现两次故障，也就是说一年会发生5000次。虽然瞬态电涌（包括雷击造成的电涌）被认为是造成这种损坏的头号原因，但这些信息并没有制成可供使用的表格，也没有广为人知。

由于目前雷击是风电机组最大的损坏来源，因此，IEC 61400-24应该要求建立风电机组事故和损坏事件的数据库。数据应标准化，以便进行同类的比较，并使数据收集对风电机组业主/运营商来说变得更加容易。同时在没有任何掩盖的前提下，适当考虑制造商和经营者对知识产权的关切。由于公众对风电机组事故的安全关切，以及已经投入大量公共资金用于风电机组的研究和开发，构建这一数据库是非常必要的。在几乎每一个国家，公共资金继续以减税和能源价格补贴的形式用于风能。建立数据平台费用可由制造商承担，作为满足IEC 61400-24要求的条件，他们的事故和损坏事件应该予以充分披露。换句话说，那些不参与或不提供必要数据的厂家将被视为违反标准。

二、应考虑删除雷电保护等级（LPL）和雷击风险评估

IEC 61400-24的出台使风电行业时刻在忙于做评估、选择防雷等级和确定防雷区域等工作。将于2019年生效的IEC 61400-24 第2版第6.2条包含一个系统，这个系统要客户根据预算在4个防雷等级中做选择。该标准建议，如果使用LPL 1（一级防雷保护）的参数，可以实现99%保护；LPL 2（二级）则相应减少，只有75%的时间能满足防雷条件；LPL3和LPL 4只能保证50%。主流风电机组制造商都使用LPL 1作为基准，但如上所示，即使使用LPL 一级保护的参数，风电机组仍在遭受持续严重的损害。

要确定雷电保护等级，首先需要根据IEC 61400-24 第2版中第7节内容评估风电机组的风险。基本方程是：

式中，Rx是机组的风险值， Nx是年雷击次数，Px是造成结构损坏的概率，Lx是每个事件导致的损失（金额）。

雷击次数会影响单台机组乃至风电场。 第7.2.1条将这些分为以下类别，每个类别分别考虑和计算：ND[year-1]代表每年雷电发生在风电机组上的数量，NM[year-1]代表每年雷电发生在机组350m内的数量，NL[year-1] 代表每年雷电发生在机组服务线路上的数量，NI[year-1]代表每年雷电发生在与机组相连的附近服务线路上的数量，ND,b[year-1]为雷电发生在与原风电机组相连的其他机组或结构上的数量（可能风电机组位于与100个或更多其他机组连接的风电场中）。

这些分类即使是使用最模糊的精准度，也很难实际地测量和计算。在雷电计数中并未包含因为机组本身的高度而引发的高强度雷电的数量，而这对雷电数量预测来说是十分重要的。也就是说，雷电会击中那些远离雷电区域的机组。这些分类也缺少随着机组高度变化雷电数量随之不同的数据。机组设置得越高，雷电越多，强度越大。而叶片本身的旋转会显著增加雷击的概率也已经得到证实。实际上，我们会发现机组所受的雷击数量要比根据标准预测的多600%。

IEC61400-24标准的编写者自己也意识到了这一点。 7.1条明了“错误的输入必然导致错误的输出”的道理，并提醒读者不要对风险评估程序的准确性有过高的期望。第7.2.2条告诫：“对于复杂的环境条件，可能会出现很高的预测误差。”（复杂的环境条件描述的正是大多数风电场的现场条件。）第7.1条建议仅使用LPL 1作为默认值，以寻找避免完全使用风险评估程序的方法。这有点道理，然而即使是LPL 1也没有实现有效的防雷保护。

美国宇航局（NASA）在几十年前已经找出对风电机组雷电风险评估最有用且可论证的因素，即大风区域通常伴随高频率的闪电。NASA编制的地图显示，在大多数风密度高的地区，每年有30天以上的雷电天数[18]。假如已将风电场建设在风密度相对较高的地区，那么雷击已然成为一个显而易见的威胁。而每年每公里有25或50次雷击对雷电保护策略或成本并没有差别，所以，没有必要通过复杂化的过程制定标准，像雷电保护评级（LPLs） 这种流程对风电机组没有实际意义。

风电机组设计人员没必要忙于遵循不可行的策略。应从标准中删除LPL和风险评估，或者根据本节前面提到的因素和参考条件创建新的雷电预测工具，或者以早期NASA制定的标准为参考，将所有的风电机组都归类为最高风险类别。

三、人员保护：滚球法和防雷区（LPZ）

（一）滚球法

防雷等级对风电机组防雷具有另一个重要影响。 每个LPL的最小雷电流值用于推导滚动球半径，而滚动球半径又用于定义防雷区——理论上能和不能直接被雷击的区域。在这种情况下，根据当前不完善的雷电保护等级估计一个假设的雷电流概率成为确定滚球半径的依据。在本文的调研过程中，没有发现在风电机组应用滚球系统时关于其准确性和有效性的文章。

在风电机组防雷保护中，使用滚球法甚至比LPL保护更成问题。众所周知，95%的雷击都发生在机组的叶片上，而IEC 61400-24第2版，条款8.2.4.1认为滚球法“不适用于叶片”。那么，滚球法对于机组的雷电保护又有什么意义？

图1展示了IEC 61400标准中滚动球的变化过程，图2展示了世界上某一著名的风电机组制造商对滚球法的应用。

（二）LPZ（避雷区）

IEC 61400-24雷电保护区概念完全是从IEC 62305系列中引入的。提出LPZ概念的初衷是把一个建筑物分为一系列相互嵌套的风险区域，每个区域都有一个连续的危险较小的电磁环境。IEC 62305-1中首次出现滚球法时，建筑物高度定义在20～60m。而现代风电机组设置的高度是那些建筑的3～4倍，远远超出了当初额定的高度范围。

LPZ概念近30年来已经被广泛应用于传统建筑物。Rakov和乌曼在编写其百科全书《闪电物理学和效应》时，曾寻找统计数据以确认滚球法的有效性，然而他们没能找到任何证据。在2017年和2018年的进一步寻找中，依然没有结果。很明显，没有研究能够证明IEC 62305 的LPZ系统应用于哪怕是简单结构中的可用性。

就风电机组而言，有些距离敏感电子设备不到一米，由于频繁的直击雷电，避雷区的概念几乎没有任何意义。正如在下一节中会看到的，它还会置人于死地。

图1 IEC 61400-24中滚球法的演变和避雷区（LPZs）

图2 应用到维斯塔斯风电系统的滚球

图3 IEC 61400-24关于人员安全的危险提议

（三）保护在风电机组上的人员

雷电危险对于所有在风电机组上的人而言都是致命的，在雷电发生时，行动指南必须是明确而具体的，不能存在任何误解或歧解。

IEC 61400-24标准从未包含类似的说明。

通过审视演变过程能看到把标准中的滚球法和LPZ系统应用于风电机组的困难。2002年的版本里有一则“在雷暴天气下不得施工”的提醒，尽管在图1-A中做了些调整，并告之图中灰色区域的任何地方在闪电风暴发生时对人员来说都是安全的，包括在机舱下面的任何地方或机舱顶部的风速计区域。

现行标准也包含不实的保证，如图3所示，即“在雷暴期间，塔内的任何平台都是安全避难所；因为这座塔是一个近乎完美的法拉第笼子，筒状塔内的平台也一般被视为安全地点”。这两种说法都是谎言，应当删除。人们无法想象标准的编写者在雷暴中于那些钢铁平台上有过真正的体验。

2018版的标准可能会更加危险，因为在风电机组中哪些区域对人是安全的、哪些区域不安全完全决定于制造商。

IEC 61400-24标准的一个合理功能应该是，为人员在风电机组内的安全区域建立具体的导则。在美国，当报道雷电距离风电场大约40公里时，人员立即从风电机组撤离直到雷暴结束。在标准可以确定风电机组内人员实际安全的区域并加以验证之前，一个更负责的指南应如英国风能协会的健康与安全指南：“如果风电场预报有雷暴或者雷暴天气趋势，所有的操作人员应该迅速撤离” ，或者像NASA：“风电机组周围的人员在雷暴发生时将会非常危险，最安全的做法是撤离现场”那样规定。

电涌保护

一、瞬态电涌：雷电或其他

除了直击雷损坏叶片外，附近雷击和其他电磁脉冲感应的电流和电压也足以损坏脆弱的电子元件。沿风电机组结构，这种感应电涌可能产生超过100000伏特/米的电场，而只需高于正常工作电压几伏特就能破坏很多电子元件[24]。内部产生的瞬态电涌是风电场中最常见的电能质量干扰[28]。这种瞬态电涌发生在风电机组启动和关闭、电容器组切换以及其他故障状况期间，对于敏感设备具有破坏性的影响[29][30]。破坏性瞬态电涌也可能源于变桨控制系统、变压器和断路器的操作以及附近雷击通过接地系统的感应。由于此类瞬态电涌导致的破坏事件数量是其他原因的两倍，因此对风电机组进行防雷保护，需要考虑所有瞬态电涌的来源。风电机组中各种瞬态现象的典型频率范围可以在相关参考文献中看到。

二、风电机组电涌保护故障

所有的电涌保护策略都是基于一个原则，即过电压必须通过旁路于电子设备的低阻抗路径泄放入地。风电机组电涌保护故障主要有以下三个来源：

（1）对雷电威胁的严重程度估计不足。例如：在风电机组处出现200kA的雷击电流而安装的却是40kA的SPDs；

（2）忽略了关键的保护模式。风电机组通常不采用直接的相对地保护措施，忽略这种保护措施则使关键的控制部件受到多种来源的威胁。风电机组外的大地通过10kA的雷击电流，测量到了6kV的过电压——远远超过了设备的耐受量。风电机组的发电机、变桨控制装置和断路器可以而且确实向风电机组的接地系统注入了瞬态电涌，但由于没有专门的相对地保护，风电机组的电子设备要承受很大压力；

（3）雷击的多脉冲特性被忽视。80%以上的雷电是由2～10个脉冲组成的。采用的电涌保护器做不到在几微秒内对多个脉冲做出反应，这将置风电机组的电子设备于危险之中，这其中包括采用空气或气体介质的火花间隙电涌保护器。

风电机组的避雷系统为何不能保护叶片

在本文撰写的时候，世界最高的在役风电机组是246.5米（从地表到叶尖）。一台200米高的风电机组的叶片相对于地面可以承受1亿伏的电压，而雷击所携带的峰值电流（200kA以上）是其重要的能量来源。如果一个防雷系统不能通过低阻抗路径将这种能量安全地分流入地，就会造成很大的破坏。对LPS的挑战是，当任何一个电涌遇到传导路径中断时，都会立即出现大于预期的电压和电流。这种阻抗是叶片炸裂、闪络以及发电机和轴承毁坏的背后机制。

今天防雷系统仍沿用本杰明·富兰克林200年前提出的三个功能：截获、向下传导及导入大地。这需要一个由三部分组成的结构：接闪点、引下线、接地系统。有关风电机组接地系统、接闪点和嵌入叶片内的导体的文献充满了相关信息和实用指南，被忽略的是在这两者之间的连接。作为一个避雷系统，接闪点和接地之间必须有良好的电气连接，但是，在风电机组中情况并非如此。

一、风电机组高阻抗的雷电防护系统

当雷电击中风电机组叶片时，它只有一个去处：进入大地。在风电机组的LPS中，阻抗（z）是雷电电流在其从接闪点到大地路径上所遇到的全部阻力。LPS的目的是为雷电能量提供一条低阻抗路径，以防止累积高电压和过高的热量。在排除其他类型结构中的阻抗问题时，防雷专家通常会关注高阻值的接地线、与接地系统的连接处被腐蚀或连接不好。然而由于风电机组的情况特殊，需要开阔思路。风电机组要考虑欧姆定律的一种特殊形式：

构成风电机组阻抗的两个因素是电阻（R）和电感（L），电阻与引下线导体的材料有关。例如，铜被认为是比钢更好的导体，因为它的电阻是钢的1/10。在给定的引下线中，电阻也会随接地钢带或电缆的截面积和长度而变化。根据欧姆定律，当电阻趋向于零时，通过导体流向大地的雷电流趋向于无穷大，这是LPS的期望状态。

除电阻外，影响风电机组阻抗最大的因素是电感。电感是当雷电流通过风电机组的雷电防护系统而被中断或遇到某些其他干扰时发生的。随着电流沿结构下行（速度接近每秒3亿米），风电机组内部和周围的磁通量会发生变化。变化的磁场在结构周围建立了干扰，对抗雷电流流向大地。在风电机组上可以有很多地方产生电感，但这里只讨论两个：筒状塔身钢构件之间的连接和主轴轴承（连接轮毂和机舱）。

图4 雷电电流连续泄放入地但受到干扰

图5 A－从机舱看到的风电机组主轴承B－典型风电机组轴承类型

二、钢塔部分

支撑高层风电机组的塔通常由长20～30m的圆锥形钢件构成。一座塔可能有多达5个这样的部分，用螺栓固定在一起。

IEC 62305-3给出了有关引下线的合理建议，包括用尽可能多（绝不能少于2条）的平行引下线保护塔筒。根据定义，每个导体都应该是“电连续的”。IEC 61400-24忽视了该建议，允许使用钢塔筒本身作为风电机组的主要保护引下线（第2版，9.3.2条）。从结构上讲，这些巨大的钢筒一个落在另一个上面，除了几个M-30螺栓，并没有其他的结构将它们固定连接在一起，这就有可能是一个高阻抗的连接。图4-C中看到3个这样的连接。IEC 61400-24毫无根据地假设，风电机组塔身或多或少地提供了一条通往大地的电连续路径。制造商知道这不是事实，并试图通过在钢筒构件之间安装导电夹或编带以消除闪络。目前还不清楚这种电气连接到底有多好，但很清楚的是，这些塔段之间的高阻抗连接的影响在标准中没有被考虑。

三、转子和轴承

风电机组转子与机舱的连接机构是其主轴轴承（有时由滑环或电刷辅助）。图5A是一张主轴轴承的照片（从机舱看向轮毂），指示了作为固定部件的机舱（外圈螺栓环绕）和旋转部件的轮毂。该轴承不但必须支撑轮毂和叶片的巨大负荷，而且要使它们在连接到固定机舱时能够旋转。根据风电机组的型号和尺寸，轴承可能是如图5-B所示的类型之一。它们都不能提供很好的电气连接，这就是问题所在。

风电机组的叶片是雷击最多的地方，雷击发生时，整个风电机组结构就变成了雷电流泄放路径的一部分。主轴轴承正好位于该路径的中心，成为一个非常高的阻抗结。叶片采用的泄放雷电流的装置与50年前的装置没有不同：要么通过轴承传导全部电流，要么尝试通过分流导线或滑环来转移部分电流，而两者都不能提供低阻抗连接。

这到底有多重要？雷击损坏叶片已经被认为是风电机组最昂贵的损失——可能是报道的两倍。先前引用的HSE/NREL研究诉苦道：“大多数情况下，有关故障的信息不是由业主和运营商提供的。”看似雷击以外的叶片损坏，如设计缺陷、磨损和机械缺陷，也可能归因于雷击。试想：当雷击中风电机组，电压升高到百万伏，温度升高到30000℃时，会发生什么？这些机械和热应力会随着时间的推移而持续，在服役几年之后，当叶片在一个晴朗美丽的夏日发生了事故，即使检查员必须把失误归咎于维修不善，但其实上，雷电才是真正的罪魁祸首。

试验证实，当叶片在雷击下融化或爆裂时，这些损害与峰值电流水平成正比。然而不仅仅是电流强度，电流的持续时间在产生和消散热量中也起着决定性的作用。IEC 62305-1附件D（模拟闪电对LPS元件影响的测试参数）中提到了这一点，但得出的结论是，“在大多数情况下，脉冲电流的持续时间太短以至于加热过程可以被认为是绝热的。”[2]这对于接近无阻抗的固体铜引下线无疑是正确的，但对于上面提到的高阻抗连接或叶片来说则是不正确的，对叶片电流持续时间的忽略是代价高昂的。叶片的热和电压积聚是由阻抗和部件连接界面决定的。如果雷电放电迅速抵达低阻抗引下线并从那里入地，叶片就不太可能被损坏。只有当LPS包括高阻抗部件和连接时，才会得到异常高的电压和温度。

图4显示了雷电击中风电机组叶片（A）。如果安装足够的引下线，电流将会迅速连续平稳地流入大地，在接地系统（D）中消解。在世界范围内，LPS系统已经证明了仅做这项工作就可避免结构的损坏。保险公司对于安装了避雷系统的结构降低保费，是因为这是一个经过验证的防止结构损坏的保护策略。但是由于上述解释过的原因，在实际使用的风电机组中情况并非如此。

寻求减少叶片损坏的研究已经把注意力放在叶片的材料和形状，以及在叶片的哪个位置安装接闪点与每支叶片安装多少个传导器上。而更大的问题（高阻抗的引下线）被普遍忽视了。当前应用的大多数叶片避雷系统如果是通过一个低阻抗的引下线连接入地的话，它们是会发挥作用的。与其他避雷系统不同的是：风电机组避雷系统在接闪点和大地之间没有可靠的电气连接，转子和机舱之间的电连接中断，各塔段之间的连接又使中断更进了一步。

这些连接点承载一定量的电流，同时也产生干扰和中断。这种干扰好像给电荷流动增加了“粘度”（阻力），因而带来两种效果：减缓电流的消失（尽管这种减缓很短暂）；聚集热量、升高电压水平造成闪络放电的发生。这两者都导致叶片损害而使风电机组停止运行，以及高达20多万美元的维修账单。

结论

直接和间接雷击的影响造成至今最具破坏性的事故、最长的停机时间以及最高昂的维修费用。制造商和风电场运营商希望以IEC 61400-24为指导，提高风电机组的安全和效率，但是由于对事故和损坏时间缺乏具有足够透明度的披露，风电机组防雷保护标准难以发挥它应有的作用。需要搭建风电机组损坏和事故数据平台，以确定拟议的IEC 61400-24保护措施的可行性。此外，标准中少数不适用于风电机组的部分应该予以删除。

本文提出了三条改进风电机组电涌保护的建议以及一条关于保护风电机组处人员生命安全的紧急提议。最后，探究了风电机组LPS设计中的最大问题，即转子与大地之间的高阻抗连接。这个问题包括采用电连续的专用引下线、改善塔段之间的高阻抗连接问题，以及解决轮毂与机舱之间的高阻抗连接问题。风电机组LPS系统的研究和设计人员应该把解决旋转轮毂和大地之间真正的低阻抗连接放在他们优先事项清单的首位。

或许遵循本文的电涌保护建议，并且通过在轮毂和大地之间建立一个低阻抗连接，能加强LPS的性能，许多当前困扰风电行业的问题会减少或消失。