沿海风电场雷电危害特点和防护对策

林彬 余文馨 陈铭 王志良

摘要 一般在沿海的滩涂或者在海面上建设沿海风电场的风电机组，一些风电机组的高度达到150 m，是雷击的主要目标，而风电机组中的叶片、机械结构以及轴承则是主要的雷击对象。雷电一般通过机械效应及热效应直接的方式损害风电机组，同时还会以电涌过电压效应及电磁感应效应间接的方式损害风电机组。因此，在制定沿海风电场雷电防护对策时，必须明确其危害的特点，还要评估雷电危害的风险，从而作为风电场雷电危害防护对策的依据，确保防护对策的切实可行。

关键词 沿海风电场；雷电危害；特点

中图分类号：S761.5 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）12–0-04

Characteristics and Protection Measures of Lightning Hazards in Coastal Wind Farms

Lin Bin et al（Pingtan Comprehensive Experimental Region Meteorological Bureau， Pingtan， Fujian 350400）

Abstract The wind turbines of coastal wind farms were generally built on the coastal mudflat or on the sea. Some wind turbines were 150m high， which was the main target of lightning strikes， while the blades， mechanical structures and bearings of wind turbines were the main targets of lightning strikes. Lightning generally damages wind turbines through direct mechanical and thermal effects， as well as indirect methods such as surge overvoltage effects and electromagnetic induction effects. Therefore， before formulating lightning protection measures for coastal wind farms， it was necessary to clarify the characteristics of their hazards and evaluate the risks of lightning hazards， in order to serve as the basis for lightning protection measures for wind farms and ensure their practicality and feasibility.

Key words Coastal wind farms; Lightning hazards; Characteristics

风力发电是当前发展规模最大、最为成熟的一种可再生能源发电技术，当前已经建设在海上或沿海区域，但一般距离海岸线均在20 km以内。沿海风电场通常均会选择潮间带，主要是因其施工成本相对较低，并且与变电站中心距离较近，向陆地输送电能的成本较低。由于风电机组较高，并且有很多金属部件，尤其是近年来在建设风电机组时，为了获取更多的风能，机组的叶轮直径持续增大和轮毂高度持续上升，进一步提高了风电机组遭受雷击的概率。若发生雷击事故，则会导致严重的伤亡事故和经济损失发生[1]。当前，沿海风电机组虽然具备防雷优势，海水电阻率比土壤电阻率更低，具备良好的接地散流条件，且对海底线路没有影响，但沿海风电机组的防雷劣势比较明显，机组高度达到150 m以上、沿海预计雷击次数可能更多、机组处于雷击概率高的场地。因此，在建设沿海风电场时必须明确雷电危害及其特点，并对沿海风电场建设项目的雷电危害进行风险评估，在此基础上制定相应的防护对策，从而提升沿海风电场运行的安全性，实现沿海风电场的经济效益。

1 沿海风电场雷电危害的特点

1.1 雷电危害的频次高

雷电危害的频次高主要是由2个方面决定的。一方面，沿海地区多会出现强对流天气，在空气湿度充足的情况下，阳光将空气加热，从而形成饱和水蒸气，形成积雨云造成我国沿海地区多雷电的主要原因。同时，积雨云还会转化成带电雷雨云，主要是因为空气上下存在较大的强对流，加上沿海地区的风力较大，造成积雨云之间形成激烈运动，并在运动中产生摩擦，在雷电高发的条件下，沿海地区的风电机组受雷电危害的频次较高。另一方面，沿海风电场雷电危害主要分为直接危害和间接危害，直接危害主要由机械效应和热效应所致，间接危害则是由雷电的电磁感应和静电感应所致的。可见，雷电危害的成因较多，每增加一种成因，雷电危害的发生概率就会增加，从而导致雷电危害的频次较高。

1.2 雷电灾害造成的损失严重

当沿海风电机组受到雷击后，雷电流会先落到塔顶，然后向塔底传递，这一方向的通路路径较多，如塔筒、塔筒内部电缆屏蔽层、防雷引下线等。受雷击过程中暂态电位的抬高效应，会使塔顶控制盒、电机外壳附带高电位，从而损坏控制盒电子电路以及电机绕组[2]。

同时暂态电位抬高将会与附近金属体产生电位差，若该电位差达到一定程度时，会击穿两者间的空气间隙，导致金属体附带高电位，对机组中配置的电子设备以及电气设备产生较大的破坏。此外，雷电流通过接地体形成暂态高电位，并且会沿着电缆屏蔽层向没有受到雷击的机组传递，从而导致这些机组的電子设备和电气设备同样受到损坏。在上述过程中受到损坏的电子设备、电气设备以及其他装置的造价昂贵，因此，雷电灾害造成的经济损失较大。

雷电流不仅会对风电机组的电子设备和电气设备产生损坏，还可对风电场范围内的人员产生伤害，当人处于受雷击的风电机组周边一定范围内，其两脚之间便会产生一定电位差，即跨步电压，其会通过两脚对人体产生作用，从而对人身安全造成影响。

1.3 规避难度大

沿海风电场若要避免雷电对机组设备设施以及人员安全造成的威胁，必须联合当地的气象部门做好天气监测，并且需要开展实时监测，主要是因为沿海地区的气候环境比较复杂，天气变化多端，需要通过实时监测掌握天气情况，为雷电防护工作提供支持。目前，针对沿海风电场水文气象监测系统已经开始研发，但并未得到全面推广与应用，导致气象检部门与风电相关企业联系不紧密，或是无法为其提供实时监测。造成沿海风电场规避雷电的难度较大。同时在开展沿海风电场雷电风险防护的过程中，还要重视雷电风险评估，结合所在区域雷电活动规律，计算雷击风电机组及其附近的年预计次数、雷击机组线路及其附近的年预计次数、机组雷击风险等，计算项目较多，风险评估的难度也较大，从而导致雷电风险未能得到有效评估，难以及时有效规避雷电。

2 沿海风电场雷电危害的风险评估

目前，沿海风电场雷电危害风险评估主要是根据IEC 61400-24：2019《Wind energy generation systems - Part 24：Lightning protection》，通过对雷电危害风险进行评估可为沿海风电场风电机组的防护提供支持。具体评估方法主要是通过对雷击风电机组及其附近的年预计次数、雷击机组线路及其附近的年预计次数、机组雷击风险等参数进行计算所得。

2.1 雷击风电机组及其附近的年预计次数

2.1.1雷击风电机组年预计次数 雷击风电机组年预计次数的计算公式如下：

ND=NSG×AD×CD×10-6（1）

式（1）中，ND代表雷击风电机组年预计次数；NSG代表每平方公里雷击点密度，通常为NG，若多个接地点均会受到雷电影响的情况下，则NSG=2NG；AD代表雷電风电机组有效截收面积；CD代表风电机组位置因子，主要由冬季频繁出现闪电、地形复杂性以及海拔组成。其中，如果冬季未出现闪电，则冬季频繁出现闪电这一项取值为0，其他2项正常计算，若存在冬季闪电活动，则可分为低活动、中活动和高活动，取值分别为2、4、6。地形复杂性方面，近似平原地形的复杂性<0.3时，取值为1，丘陵地形复杂性介于0.3～0.4之间时，取值为3，山地地形复杂性>0.4时，取值为4。海拔在800 m以下时，取值为0；海拔为800～1 000 m时取值为1；海拔在1 000 m以上取值为2。根据上述标准，沿海风电机组位置因子为1。

2.1.2 雷击风电机组附近年预计次数

雷击风电机组附近年预计次数的计算公式如下：

NM=0.5×NSG×AM×10-6（2）

式（2）中，AM代表雷击风电机组附件有效截收面积，由于当前沿海风电机组的高度一般均超过了100 m，因此该值可忽略不计。

2.2 雷击机组线路及其附近的年预计次数雷击机组线路年预计次数的计算公式如下：

NL=NSG×AL×CI×CE×CT×10-6（3）

式（3）中，AL代表雷击风电机组线路有效截收面积；CI代表风电机组线路设施因子，若属于架空线路则取值为1，若属于埋地线路则取值为0.3；CE代表线路环境因子；CT代表线路类型。由于沿海风电场风电机组线路均为海底线路，则雷击机组线路年预计次数为0，但实际上仍需考虑不在海底范围的线路受雷击风险。例如，沿岸到陆地变电所之间的线路便需要考虑雷击风险，而雷击机组线路附近的年预计次数也与之相同。

2.3 机组雷击风险评估

风电机组的雷击风险可以按照如下方程式评估：

RX=NX×PX×LX（4）

式（4）中，NX代表一年之内出现的危险事件数量，即上述各年预计次数之和；PX代表损坏率；LX代表损失率。而风险R则属于各风险分量构成的总和。各风险分量包括的具体内容可归结如下。

2.3.1 人身伤害风险 人身伤害风险主要包括雷击风电机组所致或雷击风电机组线路所致。前者主要依据雷击风电机组产生的接触和跨步电压对人身造成的伤害概率及损失率、人员处于危险位置概率、暴露人员受直接雷击伤害的概率进行评估。其中，在对雷击风电机组产生的接触和跨步电压对人身造成的伤害概率进行计算时，需要明确相应的概率值，当无任何防护措施时，概率值为1，在设置警示牌的情况下，概率值为10-1，若外露部分进行电气绝缘处理时，概率值为10-2。同时还要确定土壤或地面类型的缩减因子，具体如表1所示[3]。

若沿海风电机组采用雷电防护系统，则雷击风电机组产生的接触和跨步电压对人身造成的伤害概率为0。而对于损失率而言，则包括接触和跨步电压所致损失（LT）、直接雷击所致损失（LD）、火灾所致人身损失（LF1）、火灾所致社会损失（LF2）、内部系统故障所致损失（LO），各类损失的平均值如表2所示[4]。对于暴露人员受直接雷击伤害的概率分为靠近暴露边界区域和远离暴露边界区域，前者的位置因子为0.9，后者为0.1，暴露边界区域即距离暴露边界3 m之内。

而对于雷击风电机组线路所致人身伤害风险则需要等电位连接必须考虑雷电防护水平，还要考虑设备耐冲击电压。

2.3.2 结构组件物理损坏风险 此类风险的成因也是由雷击风电机组或雷击风电机组线路所致。当雷击风电机组的型式为复合材料时，产生危险火花的概率为1，而钢混结构或者是互联金属制品则为0.5。而雷击风电机组线路造成结构组件物理损坏风险则需要考虑结构组件物理损坏概率、人员处于危险位置概率等指标。

2.3.3 内部组件系统故障风险 内部组件系统故障风险受雷击风电机组所致时，需要确定雷电防护水平，从而确定相应的函数概率，具体如表3所示[5]。需要注意的是，只有当防雷措施对风机轮毂、机舱和塔架进行保护时，或者当具有连续金属框架或钢混框架作自然保护措施且满足相关等电位连接以及接地要求的情况时，安装协调配合匹配的防雷系统才能有效降低系统故障概率。

2.3.4 案例分析 （1）工程概况 中广核新能源平潭海上风电场，实际用海面积0.471 km2，水深 为6～30 m，装机容量240 MW，单机容量4 MW，风机高度加上风叶的153 m，Td=53 d，风机线路有穿钢管屏蔽，配电箱有安装浪涌保护器。

（2）机组雷击风险评估量算。对NX进行计算主要根据某地区的面积以及该地区出现累计次数，即NX=D/SD。依据目前的技术水平和条件，D和S都可以得到较为精确的数值，因此用D和S去计算得到的NX值，通过查阅相关资料得到NX=5；对于PX需要根据上述人身伤害风险、结构组件物理损坏风险以及内部组件系统故障风险。根据该工程实际情况可以得出，该工程设置了警示牌，且外露部分做电气绝缘处理，因此在人身伤害风险方面的PX值为10-2，而人身伤害造成的损失即直接雷击损失LX值为0.1，该工程的结构组件为钢结构，因此其损坏风险LX值为0.5，对于内部组件系统故障风险方面，该工程的机组组件雷电防护水平为I级，根据表3可取值为0.01。因此，该机组的累计风险评估量算值即RX=5×10-2×0.1×0.5×0.01=0.025‰。说明该机组雷击风险较低。

3 沿海风电场雷电危害防护对策

若要有效降低沿海風电场雷电危害风险，还必须积极采取有效的防护对策，针对沿海风电场机组容易受雷电危害的部件和部位制定相应的防护对策，从而确保机组尽量规避雷电危害风险，确保沿海风电场得以稳定、安全地运行。

3.1 叶片和轴承的雷电防护

沿海风电机组叶片使用的主材为玻璃纤维或是碳纤维的增强材料。如果未将导电体设置其中，或未对叶片表面开展金属化处理，则雷击一旦发生将会带来严重的灾难性后果。因此，需要在机组叶片的物理结构上面实施防雷设计措施，可以在叶尖部位安装接闪器，同时和埋设在叶片中的引下线之间相互连接，然后在轴承位置加设绝缘垫层，从而改善轴承灼蚀情况。根据IEC 61400-24标准给出的叶片雷电保护设计方案（图1a），可以进行如下设计（图1b）。

具体还应该根据叶片的长度合理确定接闪器位置。在叶片长度小于20 m的情况下，可以在叶片尖端设置1个接闪器；当叶片长度介于20～30 m之间时，可分别在叶片尖端、压力边和吸力边各设置1个接闪器，但要确保压力边和吸力边的接闪器与叶片尖端接闪器保持一定距离，一般均匀分布即可；当叶片长度介于30～45 m之间时，可在叶片尖端设置1个接闪器，在压力边和吸力边处分别均匀设置2个接闪器；当叶片长度大于45 m的情况下，叶片尖端处应设置1个接闪器，而压力边和吸力边则需要各设置3个接闪器，且需要确保均匀设置。

3.2 机舱雷电防护

叶片防雷可对机舱起到一定的防雷保护作用，一般情况下，在叶片上设置的接闪器以及引下线可将来自机舱上方以及前方的雷电下行先导，但为了更加有效地规避雷电危害，还应该在机舱的尾部位置设置接闪杆。这一设置不仅能够有效保护舱尾风速风向仪，还能有效保护机舱罩，使其避免直接遭受雷击。若叶片上方并未制定任何防雷措施，则应该在机舱的尾端和前端分别设置接闪杆，在必要的情况下，还需要在舱罩表面位置设置金属网以及金属带，从而增强防雷保护的整体效果。很多机舱罩的制备材料均为金属，这就相当于法拉第罩，可对机舱内部的设备进行有效屏蔽，发挥雷击防护作用，但是机舱尾部必须设置接闪杆，从而有效保护风速风向仪。此外，机舱内部不仅要对设备进行绝缘隔离，还要对全部设备和机舱底板进行电气连接，从而达到等电位效果，目的在于避免各类设备与部件之间受到雷击时形成过大暂态电位差，从而避免受到反击[6]。

3.3 接地系统的设置

海水电阻率要低于多数土壤电阻率，若离岸基础属于单桩或金属钢混基础，则可以满足接地系统的要求，这种情况下无须采取额外措施。除了将电力收集装置电缆屏蔽与两端本地接地之间连接，一般无须进行海上基础互连。但因腐蚀问题，海上不可使用铜制外部接地系统。而对于在陆地上设置的沿海风电机组则需要设置接地系统（图2），并且防雷接地也是当前各大风电设备厂家提出的防雷参数要求，当前东汽、金风、海装以及华锐等风电设备制造企业提出风力发电机的接地电阻必须介于2～4 Ω之间，而国外的歌美飒和维斯塔斯对接地电阻的要求必须达到2 Ω，对于海上风力发电机而言，其接地电阻应为10 Ω。在实际设置时，还需要设计接地网，所选材料为镀锌扁铁，其最小横截面要求为40.0 mm×4.0 mm。

3.4 等电位连接的设置

为了减少各类金属设备之间存在的电位差，需要对机组外露金属部分在自然连接状态下无法确保电器传导性连续时进行等电位连接。等电位连接的重要部位包括电缆托架、机舱电气设备、各节塔筒法兰连接位置、轮毂内部的电气设备、塔筒底部内的电气设备、变流柜支架、水冷散热器、塔筒外部设备以及爬梯等。

3.5 电涌过电压保护措施

电涌过电压保护是沿海风电机组必要措施之一，需要在风电机组中加设电涌保护器。电涌保护器一般也被称为浪涌保护器，依据其对电子设备和电气设备的保护功能进行划分，可划分为信号电涌保护器和电源电涌保护器，分别设置在通信线路和供电线路上，避免雷电电涌过电压通过风电机组线路对电子设备和电气设备。同时，还需要依据风电机组塔内线路屏蔽情况合理选择方案确定电源的电涌保护器标称放电电流。此外，为使机组变压器高压出线端开展电涌防护，避免电涌过电压通过高压线路侵袭变压器，还需要在高压的出线端加设电涌保护器，即避雷器。无论是何种电涌保护器，从结构来说存在差异的可能性较大，但最少必须含有1个非线性电压限制原件，并且各类电涌保护器的保护机理是相同的，可有效保护电子设备和电气设备。

3.6 安装并使用雷电预警系统

安装海上风电场雷电预警系统可以按照预警信息及时做好防护，从而降低雷电灾害风险，该系统警戒范围应为10～15 km，若风电场在使用多个雷电预警系统的情况下，可以利用系统进行组网，从而扩大雷电预警探测范围。风电场雷电预警系统在警戒范围内监测到电场出现的动态变化且达到预警限值的情况下，便会发出相应等级的预警信息，从而根据预警信息进行防护，确保沿海风电场设施设备以及附近人员的安全。

4 结束语

沿海风电场机组易遭到雷电危害，并且其受到的雷电危害具有频次高、损失重、规避难度大等特点，相关人员必须掌握风电机组雷电危害风险的评估方法，还要采取有效措施有效防护风电机组的整体结构，重点对叶片、轴承、机舱等金属构件进行防护，加强基础设置、等电位连接设置和电涌过电压保护，从而全面保障风电机组运行的安全性，避免对人和周边生物造成伤害。

参考文献

[1] 张黎，张瑶，王国政，等.基于雷电物理学的多风机雷电屏蔽研究及风电场防雷布置[J].中国电机工程学报，2018，38 （18）：5335-5342.

[2] 刘玮.沿海山地风电场集电线路故障分析及治理[J].自动化应用，2021（2）：91-93.

[3] 范昭胜.高山风电场雷击分析与接地整改防护[J].湖南电力，2020，40（4）：63-67.

[4] 罗红梅，向毅，李学敏.湖南省水上交通主要航道气象灾害风险普查技术研究[J].科技创新导报，2018，15（9）：133-136.

[5] 郭娜，林伟，陈红兵，等.气象灾害风险普查工作制度研究[J].农业灾害研究， 2021，11（9）：63-64.

[6] 叶奕宏.气象灾害综合风险普查取得阶段性成果[N].中国气象报，2021-07-30（001）.