風電防雷分析
風能是可再生潔凈能源，利用風力發電是當前技術最成熟、最具備規模開發條件的電力資源。隨著風力發電機組的單機容量越來越大，為了吸收更多風能，風機的高度隨著輪轂高度和葉輪直徑增高不斷升高，雷擊的風險不斷增加，可以說雷擊已成為自然界中對風力發電機組安全運行危害最大的自然災害。
風力發電機為什么要做雷電防護？
發生雷擊時，閃電電流通過所有風力發電機組件傳導至地面，由于風力發電機位于疾風區，通常選址在丘陵或山脊上，其高度遠高于周圍的地形地物，再加上風力發電機安裝地點土壤電阻率通常較高，對雷電流的傳導性能相對較差，特別容易受到直擊雷、側擊雷和感應雷的襲擊，因此，對風力發電機組件采取防雷措施是非常必要的。
風力發電機哪些部位要做雷電防護？
IEC TR 61400-24《風力渦輪發電機系統–雷電防護》指出：現代風力發電機的防雷通常不同于普通建筑物的防雷，它需要重點解決葉片和輪轂、齒輪箱、軸承、傳動裝置、發電機、電氣部分、控制系統等雷電防護問題。IEC TR 61400-24給出了德國易遭受雷擊的風機主要部件的統計。
風力發電機雷電防護內容
目前國際上還沒有專門針對風力發電的雷電防護標準，只能參照IEC 61024-1、IEC 6
風機因雷擊損壞的成本
來自德國的統計數據表明，風機遭雷擊的部件的維修費用（包括人工費、部件費和吊裝費等）很高，其中葉片損壞的維修費用最昂貴。風力發電機遭雷擊損壞后，由于故障損害的分析和后續的維修，加上訂貨期和運輸期，會造成一段時間的停工期。由這個停工期不僅使發電量損失，而且減少了風場所有者經濟上的收入。據國外的統計，雷擊故障比平均其它故障造成的停機影響都大。
風電機組防雷問題
在運行中的風力發電機組將會遭受雷擊的事卻是屢見不鮮，損壞設備，造成巨大損失，甚至危及人身安全。為此，根據國外部分防雷研究成果及雷害統計資料數據，說明雷電危害風力發電機組的嚴峻性。列舉了國際著名風力發電機組廠家的防雷設計標準要求，從中看出當前防雷設計的差異。指出要改善風力發電機防雷性能狀況，必須從設計標準、制造規范、建設質量等根本環節著手，并應盡快建立我國風電行業(包括風機防雷)技術規范。
1 風機的防雷特點
電閃雷鳴釋放的巨大能量，會造成風機葉片爆裂、電氣絕緣擊穿、自動化控制和通信元件燒毀……
1.1 一般雷擊率
在年均10雷電日地區，建筑物高度h與一般雷擊率n的關系見。 1.2 環境
風力發電特點是：風機分散安置在曠野，大型風機葉片高點（輪轂高度加風輪半徑）達60～
1.3 嚴重性
風力發電機組是風電場的貴重設備，價格占風電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發電機貴重部件遭受雷擊），除了損失修復期間應該發電所得之外，還要負擔受損部件的拆裝和更新的巨大費用。丹麥LM公司資料介紹：1994年，害損壞超過6%，修理費用估計至少1 500萬克朗(當年丹麥裝機540 MW，平均2.8萬克朗/MW) 。按LM公司估計，世界每年有1%～2%的轉輪葉片受到雷電襲擊。葉片受雷擊的損壞中，多數在葉尖是容易被修補的，但少數情況則要更換整個葉片。雷擊風機常常引起機電系統的過電壓，造成風機自動化控制和通信元件的燒毀、發電機擊穿、電氣設備損壞等事故。所以，雷害是威脅風機安全經濟運行的嚴重問題。
2 葉片防雷研究
雷擊造成葉片損壞的機理是：雷電釋放巨大能量，使葉片結構溫度急劇升高，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。
美國瞬變特性研究院用人工電暈發生器，在全復合材料的葉片做雷擊試驗，高電壓、長電弧沖擊（3．5 MV，20 kA）加在無防雷設置的葉片上，結論是葉片必須加裝防雷裝置。
玻璃鋼防雷葉片頂端鉚裝一個不銹鋼葉尖，用銅絲網貼在葉片兩面，將葉尖與葉根連為一導電體。銅絲網一方面可將葉尖的雷電引導至大地，也防止雷擊葉片主體。
丹麥LM公司于1994年獲得葉片防雷的科研項目，由丹麥能源部資助，包括丹麥研究院雷電專家、風機生產廠、工業保險業、風電場和商業組織在內，目的在于調查研究雷電導致葉片損害，開發安全耐用的防雷葉片。研究人員在實驗室進行一系列的仿真測試，電壓達1．6 MV，電流到200 kA，進行雷電沖擊，驗證葉片結構能力和雷電安全性。研究表明：不管葉片是用木頭或玻璃纖維制成，或是葉片包導電體，雷電導致損害的范圍取決于葉片的形式。葉片全絕緣并不減少被雷擊的危險，而且會增加損害的次數。研究還表明：多數情況下被雷擊的區域在葉尖背面（或稱吸力面）。在研究的基礎上，LM葉片防雷性能得到了發展，在葉尖裝有接閃器捕捉雷電，再通過葉片內腔導引線使雷電導入大地，約束雷電，保護葉片，設計簡單和耐用。如果接閃器或傳導系統附件需要更換，只是機械性的改換。
3 雷害資料數據
我國個別案例
1995年8月，浙江蒼南風電場1臺FD16型55 k W風機受雷擊，從葉尖到葉根開裂損壞報廢。
我國各風場的雷害，沒有統計資料。
3.2 丹麥和德國統計的雷擊數據
3.2.1 風機雷擊率
德國雷擊率比丹麥高出1倍。除了地點不同，收集時間短(一般認為需要15 a),或許有德國的風機平均總高度44．3 m比丹麥的35．5 m高等因素。
通過上述統計資料分析，可以認為：
a）德國、丹麥統計數據說明風機遭雷擊概率高，估計我國多雷地區會更嚴重；
b）安裝在高山的風機，比在低地和海邊更容易受雷擊；
c）控制系統損壞率最高，是雷害薄弱環節，電氣系統和發電機損壞概率也不低 ，說明雷電造成的過電壓必須引起重視；
d）葉片損壞造成損失電量最多、修理費用最大；
e）德國記錄雷擊停機后有大約10．5%可再次順利啟動，很值得進一步研究。
4 防雷標準及地電阻要求
現代的雷電保護，可分為外部雷電保護和內部的雷電保護兩部分。按照IEC1024－1標準，以雷電5個重要參數，確定保護水平分I～IV級。
如今，風機葉片（如LM葉片）的防雷，是按照IEC1024－1的Ⅰ級保護水平設計，并通過有關型式試驗，所以，葉片避免直擊雷的破壞大有改善。當外部直擊雷打到葉片，將雷電引導入大地也不難。但是，風力發電機組在離地40～50 m機艙內的設備,和地面控制框設備都與雷電引下系統有某種相連，雷電流引起過電壓，造成這些設備的損壞是面廣而棘手的問題。
雷電流引起過電壓，取決引下系統和接地網。目前，國際風機廠家對地電阻值的要求很不一樣：丹麥(Vestas、Micon)允許較大；美國(Zond)西班牙(Made)次之 ；德國(Nordex、Jacobs)要求地電阻值最小。
我國尚沒有風力發電機組防雷和過電壓保護（包括地電阻值）的行業標準，這是風機國產化和風電場設計急需解決的問題。
5 防雷和過電壓保護設計
5.1 外部直擊雷的保護設計
5.1.1 葉片
如上所述，包含接閃器和敷設在葉片內腔連接到葉片根部的導引線，葉片的鋁質根部連接到輪轂、引至機艙主機架、一直引入大地。葉片防雷系統的主要目標是避免雷電直擊葉片本體，而導致葉片本身發熱膨脹、迸裂損害。
5.1.2 機艙
機艙主機架除了與葉片相連，還連接機艙頂上避雷棒。避雷棒用作保護風速計和風標免受雷擊。主機架再連接到塔架和基礎的接地網。
5.1.3 塔架及引下線
專設的引下線連接機艙和塔架，減輕電壓降，跨越偏航環，機艙和偏航剎車盤通過接地線連接，因此，雷擊時將不受到傷害，通過引下線將雷電順利地引入大地。
5.1.4 接地網
接地網設在混凝土基礎的周圍。接地網包括1個50 mm2銅環導體，置在離基礎1 m地下1 m處；每隔一定距離打入地下鍍銅接地棒，作為銅導電環的補充；銅導電環連接到塔架2個相反位置，地面的控制器連接到連點之一。有的設計在銅環導體與塔基中間加上兩個環導體，使跨步電壓更加改善。如果風機, 放置在高地電阻區域,地網將要延伸保證地電阻達到規范要求。一個有效的接地系統，應保證雷電入地，為人員和動物提供最大限度的安全，以及保護風機部件不受損壞。
5.2 內部防雷（過電壓）保護系統
5.2.1 等電位匯接
風速計和風標與避雷針一起接地等電位；機艙的所有組件如主軸承、發電機、齒輪箱、液壓站等以合適尺寸的接地帶，連接到機艙主框作為等電位；地面開關盤框由一個封閉金屬盒，連接到地等電位。
5.2.2 隔離
在機艙上的處理器和地面控制器通信，采用光纖電纜連接；對處理器和傳感器，分開供電的直流電源。
5.2.3 過電壓保護設備
在發電機、開關盤、控制器模塊電子組件、信號電纜終端等，采用避雷器或壓敏塊電阻的過電壓保護。
6 分析及結論
a) 不論從實際統計或理論分析都表明，雷害是威脅風力發電機組安全生產和風場效益的嚴峻問題。風力發電是新興的行業，至今從防雷研究成果看，風力發電機組的外部直擊雷保護，重點是放在改進葉片的防雷系統上；而內部的防雷——過電壓保護則由風機廠家設計完成。此外,各個國際風機廠家實際設計所依據標準和參數(包括地網電阻)就有很大差別。所以,這樣形成的風機制造不能不在產品上就留下某些薄弱環節。為了改進風機的防雷性能,首先要確定合理統一的防雷設計標準，明確防止外部雷電和內部雷電(過電壓)保護的制造工藝規范，這是提高風力發電機組防雷性能的基礎。在我國要發展風電，就必須盡快建立我國風電行業(包括風機防雷)技術規范
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