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风电机组的雷击机理与防雷技术

1引言

随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，以及风电机组

制造、控制和其它相关技术的不断进步，风力发电在近十几年来

的发展非常迅速，到2001年底全世界的风电总装机容量已超过

24GW[1]。与此同时，风电机组的单机容量和风电场的总装机容

量也不断增长，因此风电场的安全运行问题也越来越受到人们的

关注。影响风电场安全运行的因素很多，其中遭受雷击是一个非

常重要的方面。随着单机容量的增大，风电机组的塔筒越来越高，

再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或山地，因此风电机组

遭受雷击的概率也较大。

以德国风电场遭受雷击的情况为例。德国风电部门对近年来

该国风电机组的故障情况进行了统计，其中1992~1999年间风电

机组雷击事故情况如表1所示[2]。由表可见，多年以来德国风

电场每100风机年的雷击数基本维持在10%左右。另外，调查

结果还表明，在所有引发风电机组故障的因素中，外部因素（如

风暴、结冰、雷击以及电网故障等）占16%以上，其中雷击事

故约占4%。

由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可能完全避免风电机

组遭受雷击，只能在风电机组的设计、制造和安装过程中，采取

防雷措施，使雷击造成的损失减到最小。本文从雷电发生的机理

和雷击过程入手，对风电机组的防雷技术进行了阐述分析。

2雷击损坏机理

雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的

放电现象。风电机组遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风电

机组间的放电。在所有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放

电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量

[3,4]。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电

参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等。风电机

组遭受雷击损坏的机理与这些参数密切相关。

（1）峰值电流

当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，风电机

组叶片的损坏在很多情况下与此热效应有关。热效应从根本上来

说与雷击放电所包含的能量有关，其中峰值电流起到很大的作

用。当雷电流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很大

的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至断裂。另外，雷

电流通道中可能出现电弧。电弧产生的膨胀过压与雷电流波形的

积分有关，其燃弧过程中的强烈高温将对被击物产生极大的破

坏。这也是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。

（2）转移电荷

物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长

而幅值相对较低的雷电流过程中。这些持续时间较长的电流将在

被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦

形成电弧就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流足够

大还可能导致金属熔化[5]。这是威胁风电机组轴承安全的一个

潜在因素，因为在轴承的接触面上非常容易产生电弧，它就有可

能将轴承熔焊在一起。即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀

斑点也会加速其磨损，降低其使用寿命。

（3）电流陡度

风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系统或电子器件的

损坏，其主要原因是感应过电压的存在。感应过电压与雷电流的

陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

3风电机组雷击频率和雷击位臵

为了实施有效的雷击保护，需要事先对雷击频率和雷击位臵

进行预测，从而使雷击保护更有针对性。通常用雷击高层建筑的

频度估算方法来估计雷击风电机组的频度[3]。对于高度低于60

m的建筑物，其雷击频度为

式中Ng为年平均落雷密度，表示在所考虑的建筑物所在区域内

每年每平方公里的雷击次数；Ae为建筑物的等效面积，m2。

某建筑物的等效面积是指与该建筑物遭受直击雷的频率相同

的地表面积，其等值半径为建筑物高度的3倍。以一个50m高的

建筑物为例，假定该建筑物位于一相对平整的地面上且远离其它

建筑物，则其等效面积为

对于叶尖带防雷保护的风电机组，在计算Ae时其高度应为最大

叶尖位臵与地面之间的距离。对于叶尖没有保护的情况，其有效

高度介于该值与机舱到地面距离之间的值。以上计算方法仅限于

低于60m的风电机组。对于高于60m的风电机组，按式(2)计算

得到的结果则偏低。

估计雷云对大地放电的可能雷击点的位臵，可以应用“滚球

法”的简化方法。尽管雷击放电具有很大的分散性，“滚球法”

得到的结果可能与实际情况存在一定的误差[6]，但该方法还是

普遍应用于接地建筑物的防雷设计。IEC标准给出了对应于特定