山区风电机组雷电防护技术发展综述

陶家元TAO Jia-yuan；郑雪娜ZHENG Xue-na；曹强CAO Qiang；顾小慧GU Xiao-hui；吴胜磊WU Sheng-lei；何慧君HE Hui-jun

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

0 引言

在“十四五”规划和“碳达峰、碳中和”的战略背景下，加快清洁能源快速发展以及推动能源行业绿色转型刻不容缓。其中，构建以新能源为主体的新型电力系统是我国电力系统转型升级的重要方向以及实现双碳目标的关键途径[1]，由此关于风电机组相关问题的研究受到相关领域专家学者的广泛关注。

根据全球风能理事会（GWEC）发布的统计结果显示，截至2021 年底，全球累计风电装机容量达837.0 GW，中国累计风电装机容量为328.5 GW，占比39.2%居世界首位[2]，如图1 所示。

图1 全球及中国累计风电装机容量

为了更好发挥风电场的发电作用，山区、平原以及沿海等空旷的地区成了风电场建立的首选，而这些地理位置里高耸的风电机组也刚好成为雷电选择攻击的主要目标，其安全稳定运行难以保障。山区风电机组有如下特点[3]：

①山区通常海拔较高，雷暴日亦较高。对于山区的风电机组而言，大多在多雷区和强雷区，风机距离地面最大高度超过百米，风电机组引雷效应比较明显。

②土壤电阻率较高，土壤电阻率不均匀。山区风电机组所处的地形和地质结构差异多样化，土壤电阻率在不同方向测量值差异大。

③山区风力发电机组深受接地网实施面积的影响，吊装平台面积极为有限。

④山路崎岖，交通不便。山区风电场道路较为弯曲，所需的施工材料运输不便，且运输距离较远。

以上四点为山区风电机组较为特殊的地方，其中高雷暴是较为突出的核心。基于以上情况，因此对山区风电机组的雷电防护提出了比平原风电场更高的要求。

1 风电机组雷击损坏情况

如今的风电机组尺寸大且电子器件密集，对全面的防雷保护能力提出了更高的要求。在国外，经过多年以来的实际运行统计得到风电机组雷击损坏率如表1 所示[4，5]。

表1 国外风电机组雷击损坏率

在国内，风电场处于更为复杂的地理位置和气候环境，风电机组因受雷击损坏的问题越发尖锐和突出。华能南澳风电场2001-2010 年期间风电机组雷击损坏率为9次/（百台·年）[6]。东北某大型风电场雷击损坏的数据统计显示，2008-2011 年期间风电机组雷击损坏率高达37.5次/（百台·年）[7]。

雷电的危害主要有两部分：一为直击雷危害；二为感应雷危害[8]。直击雷的损害主要是通过雷电直接放电产生的巨大电磁能量对所击中的风机叶片或者机舱等部件产生的损害。对于感应雷而言，雷电击中风机后，雷电流在经叶片、机舱、塔筒和接地系统到大地的这一暂态过程中，雷电流因其快速变化而会感应出磁场，磁场又会引发很高的感应过电压，从而对风机控制系统带来极大的威胁。

2 风电机组雷电防护技术研究现状

2.1 雷电先导发展机理

为了更好研究雷电防护，首先应针对雷电先导的起始和发展进行深入的研究。当下行的雷电和地面起始的上行先导发生连接时，物体被雷击的过程则发生了[9]。瑞典学者Becerra[10]提出当带负电荷的雷云形成时，靠近地面的电场从约100V/m 缓慢增加至几十kV/m。根据电场的增加，建立了雷电先导发展模型。山东大学的王国政[11]将电气几何方法与雷电先导发展的物理过程相结合，提出了针对风机叶片的电气几何分析模型。

由于风电机组自身的特殊性，其上行先导起始的研究和输电线路的研究差异很大。以叶片的旋转和空间电场分布的相关性的研究而言，Montanya[12]通过三维雷电映像阵列和高速摄影仪对某风电场的雷击观测发现：低海拔风机接闪放电呈现周期性规律，与风机旋转周期高度吻合，进而推断风机叶片的旋转会促进雷电触发。武汉大学的文习山[13]对典型2MW 风机的1:30 缩比模型进行了叶片静止和旋转等不同状态下的接闪放电比对试验，分析认为叶片的旋转改变了叶尖区域的电荷分布，使叶尖上行先导发展不充分，从而影响了放电发展过程。华北电力大学的郭子炘[14]设计1:30 缩比可旋转3MW 风机模型，开展旋转状态下风机叶片防雷装置接闪特性研究。实验表明旋转会对接闪过程中叶片接闪点分布与接闪后放电通道产生影响，放电具有明显的极性效应，旋转使得正极性放电下叶片接闪器拦截效率下降，对负极性影响较小。

但目前研究对旋转影响风机接闪放电过程机理的阐释仍未完善，并且现有研究对象多为单体风机，从风电场整体角度开展的研究较少，风机之间的相互屏蔽性能成为防雷设计的考虑因素之一。

2.2 风电机组直击雷防护方法

雷电击中风机叶片后通过电弧热效应和机械应力作用产生破坏[15]。当风机叶片遭受雷击后，叶片壳体表面因遭受雷电流的影响而形成高温电弧，弧道附近的叶片材料被大幅灼伤，此外，剧升的高温也会使得叶片内部的温度飙升，内部气体因受热膨胀，导致叶片内部形成冲击波，进而导致叶片壳体的机械损伤。

风电机组直击雷防护方法主要包含接闪、引下、等电位连接和接地[16]。风机叶片容易遭受雷击，通常用一定数量的金属接闪器来规避该雷击风险，通过金属导体连接接闪器和叶片根部的金属结构。如图2 展示了IEC/TR 61400-24 提及的四种叶片典型雷电防护系统[5]。当接闪器遭受雷击时，与金属导体相连的风机金属结构可以经接地装置将电流引向大地[17]，从而使得风机叶片免受雷击的影响。

图2 叶片典型雷电防护系统

为充分发挥风电场的作用，通常将其建立在风能丰富的山区，而山区因其特殊的地形地貌易遭受雷击，此外，山区土壤的电阻率较高，这使得风机遭受雷击的概率更高，主要是因为风机的接地电阻和国标要求相差甚远，风机遭受雷击时，其电流不易及时疏散，从而造成反击过电压，对风电机组的正常运行产生极大的伤害和影响，所以构建有效的防雷接地系统对风电机组的正常运行意义重大。现行大多采用的改善方法是：连接风电场内所有的机组接地网，形成一个大的网状接地结构，进而实现整个风电场的接地电阻降低的目的。此外，还可通过敷设金属导体进而降低机组接地网间接地电阻的目的[18，19]。

然而山区土壤情况较为复杂，故风电机组的接地系统与接地电阻不同于其他地区，应进一步完善相关理论。

2.3 风电机组雷击电磁暂态过程

雷击电磁暂态过程的产生机制是：当风电机组遭受雷击后，其叶片、机舱、塔筒和接地系统会将巨大的雷电流引入大地，但在该暂态过程中，雷电流因此快速变化的特性而感应出快速变化的电磁场，而此巨大的磁场又会以感应的形式作用于风电机组控制系统的正常运作，对风电机组中的电子设备产生威胁。

针对风电机组的雷击机制，专家学者们进行了一系列的探索。Ametani A[20]的研究以风电机组雷击后机舱内的电磁场数值为载体，进而得出机舱前部的磁场较大的结论，那么该部位在防雷措施规划时应给予重点的保护措施。中国电力科学研究院的赵海翔[21]和台湾学者Jheng-Lun Jiang[22]构建了风电机组雷击下的“塔筒—传输线”模型，针对塔筒、电缆芯线以及信号电缆屏蔽层间的电容耦合进行了充分的考量，进而找出过电压在各组建上的分布，从而可针对降低过电压给出建设性的意见。北京交通大学的王晓辉[23]提出了π 型等值电网络这一模型，并充分将土壤的电离作用考虑在内，分析了电缆和塔筒上的过电压。中国气象科学研究院的李丹[24]利用闪电先导二维随机模式模拟分析了风力发电机遭受雷击的特点，并建立三维自持发展模式，对风电机组在雷击后的过程以及特点进行研究。针对风电机组遭受雷击后的过电压问题，学者们提出了一些过电压抑制措施，如安装浪涌保护器（SPD）[25]，其工作原理类似于避雷器。

风电机组雷击后塔筒内电磁场的分布以及过电压保护措施缺乏系统研究，相关问题需要进行更深层次的探讨。

3 风电机组雷电防护技术研究方向

基于现有关于风电机组防雷的研究成果，结合山区风电机组运行特点、地理环境、存在的问题，提出研究方向如下：

①山区风电机组雷电先导物理机制与影响因素的研究。考虑风电机组之间的互相屏蔽及旋转因素对风电机组接闪放电过程的影响，为改善山区风电机组的引雷能力提供理论支撑。

②山区风电机组雷击叶片损坏机理的分析。建立雷击过程中叶片内部电弧热效应、电磁效应模型，探究风机叶片损坏机理，为优化设计叶片结构，降低叶片雷击损坏概率提供理论支撑。

③山区风电机组雷击电磁暂态模型与过电压防护。建立适用于山区的雷击风电机组整机电磁暂态模型，计算暂态过程中的物理场，提出抑制措施，从而抑制过电压对风电机组的危害。

4 结论

①山区风电场情况不同于平原地区，山区雷击危害更加严重，遭受雷击风险更大，机组安装维护成本更高、难度更大，因此对山区风电机组的雷电防护提出了比平原风电场更高的要求。

②目前山区风电机组雷电防护的研究工作主要从雷电先导发展机理、风电机组直击雷防护方法和风电机组雷击电磁暂态过程三个方面展开，研究成果为山区风电机组雷电防护提供了重要的理论支持。但现有理论模型和实验方法，未充分考虑山区风电机组实际运行情况以及环境因素，应完善相关理论模型与实验平台，以满足实际需求。

③基于现有关于风电机组防雷的研究成果，考虑山区风电机组运行特点、地理环境、以及雷电情况，本文针对性地提出了研究方向，相关方向具有良好的参考价值及研究前景。