摘要：隨著風電機組單機容量和風電場規模的增大，風電場的安全運行問題日益受到重視。在影響風電場安全運行的諸多因素中，遭受雷擊是一個重要方面。本文結合風電機組防雷的研究成果，對風電機組的雷擊過程、雷擊損壞機理以及防雷措施進行了較全面的闡述。
關鍵詞：風電機組；雷擊；保護
一、雷電的形成
雷電是一種大氣中放電現象。雷電的形成過程中，空中的塵埃、冰晶等物質在大氣運動中劇烈摩擦生電以及云塊切割磁力線，在云層某些部分積聚起正電荷，另一部分積聚起負電荷，運動過程中當異性帶電中心之間的空氣被其強大的電場擊穿時，就形成放電。這種放電有的是在云層與云層之間進行，有的是在云層與大地之間進行。風電機組遭受雷擊實際上就是帶電雷云與大地之間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負極性放電具有巨大的電流和能量。
二、雷擊損壞機理
雷電現象是帶異性電荷的雷云間或是帶電荷雷云與大地間的放電現象。風電機組遭受雷擊的過程實際上就是帶電雷云與風電機組間的放電。在所有雷擊放電形式中，雷云對大地的正極性放電或大地對雷云的負極性放電具有較大的電流和較高的能量。雷擊保護最關注的是每一次雷擊放電的電流波形和雷電參數。雷電參數包括峰值電流、轉移電荷及電流陡度等。風電機組遭受雷擊損壞的機理與這些參數密切相關。
2.1峰值電流
當雷電流流過被擊物時，會導致被擊物溫度的升高，風電機組葉片的損壞在很多情況下與此熱效應有關。熱效應從根本上來說與雷擊放電所包含的能量有關，其中峰值電流起到很大的作用。當雷電流流過被擊物時（如葉片中的導體）還可能產生很大的電磁力，電磁力的作用也有可能使其彎曲甚至斷裂。另外，雷電流通道中可能出現電弧。電弧產生的膨脹過壓與雷電流波形的積分有關，其燃弧過程中的強烈高溫將對被擊物產生極大的破壞。這也是導致許多風電機葉片損壞的主要原因。
2.2轉移電荷
物體遭受雷擊時，大多數的電荷轉移都發生在持續時間較長而幅值相對較低的雷電流過程中。這些持續時間較長的電流將在被擊物表面產生局部金屬熔化和灼蝕斑點。在雷電流路徑上一旦形成電弧就會在發生電弧的地方出現灼蝕斑點，如果雷電流足夠大還可能導致金屬熔化。這是威脅風電機組軸承安全的一個潛在因素，因為在軸承的接觸面上非常容易產生電弧，它就有可能將軸承熔焊在一起。即使不出現軸承熔焊現象，軸承中的灼蝕斑點也會加速其磨損，降低其使用壽命。
2.3電流陡度
風電機組遭受雷擊的過程中經常發生控制系統或電子器件的損壞，其主要原因是感應過電壓的存在。感應過電壓與雷電流的陡度密切相關，雷電流陡度越大，感應電壓就越高。
三、風電機組的防雷
3.1風電機組機械部件的防雷
（一）葉片防雷
風電機組的葉片中，有的葉片并沒有設置內部導電體或進行表面金屬化處理，僅是純粹的玻璃增強塑料（GRP）結構或GRP–木結構。運行經驗表明，這種類型的葉片經常遭受雷擊，并且通常是災難性的。為此，應在物理結構上采取防雷措施，以減小葉片遭受雷擊時的損傷。
（1）無葉尖阻尼器的葉片防雷結構
對于無葉尖阻尼器的葉片，一般是在葉尖部分的玻璃纖維外表面預置金屬化物作為接閃器，并與埋置于葉片內的銅導體相連（銅導體與葉根處的金屬法蘭連接）。外表面金屬化物可以采用網狀或箔狀結構。雷擊可能會對這樣的表面造成局部熔化或灼蝕損傷，但不會影響葉片的強度或結構。
（2）有葉尖阻尼器的葉片防雷結構
對于有葉尖阻尼器的葉片，通常是在葉尖部分的玻璃纖維中預置金屬導體作為接閃器，通過由碳纖維材料制成的阻尼器軸與用于啟動葉尖阻尼器的鋼絲（啟動鋼絲與輪轂共地）相連接。這樣的結構通過了200kA的沖擊電流實驗，葉片沒有任何損傷。可以預見，這樣的葉片遭受雷擊的概率要比絕緣材料制成的葉片高，但只要滿足下列條件就不會造成很大損傷：①雷擊點處的電弧灼燒不產生嚴重的破壞；②雷電流可以安全地通過導電構件導入地下。這就要求導電構件需要有足夠的強度和橫截面積。
（二）軸承保護
一般情況下，雷擊葉片時產生的大部分雷電流都將通過低速主軸承導入塔筒。這比雷電流沿著主軸流向風電機組的發電機要好得多。通過軸承傳導的強大雷電流通常會在軸承接觸面上造成灼蝕斑點，但由于軸承的尺寸較大使得雷電流密度較小，所以雷擊損傷還不至于立刻對風電機組運行造成影響，但能夠引起噪聲、振動和增大機械摩擦等，從而導致縮短軸承的使用壽命。有些軸承具有絕緣墊層，雷電流通過滑環導入塔筒。這種措施可降低軸承所受損傷的程度，但要消除軸承的潛在問題還是非常困難的，主要原因是與軸承平行的滑環往往只能承載小部分雷電流，而大部分雷電流的流通還需軸承來完成。對偏航軸承也應有類似措施。一般來說，偏航軸承的周邊為雷電流提供了一個良好的導電通道。如果出于設計的原因偏航軸承不能導電時，則必須為其建立雷電流通路。
（三）機艙防雷
如果葉片采取了防雷保護措施，也就相當于實現了對機艙的直擊雷防護。雖然如此，也需要在機艙尾部設立接閃桿，并與機架緊密連接。如果葉片沒有防雷保護，則應在機艙的首尾端同時裝設接閃桿。對由非導電材料制成的機艙中的控制信號等敏感的線路部分都應有效屏蔽，屏蔽層兩端都應與設備外殼連接，而且還要避免形成環路。另外，在機艙表面應布置金屬帶或金屬網，且與機架相連接，為工作人員提供安全保護和一定程度的電屏蔽。裝設這種帶狀保護和附加防護，以及位于機艙前部的接閃桿等，在絕緣葉片的情況下是非常必要的。如果機艙是金屬制成的，則將機艙與低速軸承和發電機機座相連接，就可以實現很好的安全保護和電屏蔽。提供電氣連接的導體應盡量短。
3.2風電機組電氣部件的防雷
（一）暫態過電壓及線路保護
對風電機組控制系統造成破壞的暫態過電壓，可能是由直擊雷或非直擊雷引起的。發生在信號線、通訊線和電力線附近的雷擊過程，將在這些線路上產生暫態過電壓，其幅值可能達到幾十千伏。如果一臺風電機組遭到雷擊，傳輸到另一臺風電機組的暫態過電壓的大小與該風電機組的接地狀況有關，即使采取了良好的改善措施，其暫態過電壓還有可能達到這一數量級，因此建議布置在塔間的信號線采用光纖并連接到實際的控制中心。通信線在進入建筑物處應設置氣體放電管加以保護，并通過一低阻抗接地線接地。沿電力線注入的暫態過電壓會對線路造成破壞，因此需要使用電涌保護器加以保護。
（二）雷電流的直接注入及其防治
雷電擊中電氣元件即雷電流直接注入線路的情況是一種非常嚴重的雷擊現象，將會產生相當大的破壞作用。因此要避免雷電直接擊中系統中的傳感器件和接線。實現這種保護是比較容易的，用合適的布線方式以及接閃桿等均可起到一定的保護作用，像氣象儀之類的器件應該用接閃桿保護。實際上，風電機組機艙尾部的接閃桿就兼作風速、風向儀的支撐桿，這樣的布置方式對風速、風向儀的保護是比較有效的。這些儀器的信號線路應該沿著金屬構件布置并且加以屏蔽。
結語：
雷擊是影響風電機組乃至整個風電場安全運行的因素之一。進行風電機組防雷技術的研究是風電研究領域中不可或缺的組成部分，它對保證風電場的安全運行具有重要的意義。本文對風電機組的雷擊過程、雷擊損壞機理以及防雷技術進行了較全面的闡述。在風電機組的防雷設計中，應根據不同的雷擊損壞機理，對葉片、機艙、軸承等機械部件以及信號、控制線路等采取不同的防雷措施。
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