雷电防护：原理与方法

风力机在自然环境下工作，不可避免要受到自然灾害的影响，雷击是其中一个重要影响因素。雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组的叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等，造成巨大的经济损失。雷暴天气在我国发生的频率很高，对风电场的破坏也比较频繁。因此，进行雷击防护是垂直轴风力机及风场设计中的重要环节。

7.2.1.1　雷电的产生及危害

雷电是在积雨云强烈发展阶段，当云层之间、云地之间、云与空气之间的电位差达到一定程度时产生放电现象，风力机遭受雷击的过程实际上就是带电雷云与风力机间的放电。雷电具有100MV的高电压和（2～3）×104℃的高温，破坏力极大，经常造成大面积的停电或使广播、电视、通信中断以及居民房屋、家用电器等财产损失。雷电灾害还表现在通过各种途径侵害地面物，除了直接雷击外，还有雷电的静电感应作用、电磁感应作用，放电时产生的强烈电磁脉冲、地电位反击，以及雷电侵入波，可能沿着各种架空电力线、信号传输线、天线、电缆和金属管线等进入设备。

7.2.1.2　雷电防护的原理及方法

雷击防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。风力机遭受雷击损坏的机理以及相应的防护原理与这些参数密切相关。雷电防护方法大致分为以下四类。

1.外部防雷

外部防雷的作用是将绝大部分雷电流直接引入地下泄散。外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是使建筑物或设施（含室外独立电子设备）免遭直击雷危害，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体等。

2.内部防雷

内部防雷的作用是快速泄放沿着电源和信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压这两道防线。内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的电子设备（或室外独立电子设备）加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，防雷保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。内部防雷又可分为电源线路防雷和信号线路防雷。

3.电源线路防雷

电源线路防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对计算机及相关设备造成危害。为避免高电压经过避雷器对地泄放后的残压过大或因更大的雷电流在击毁避雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，应采取分级保护、逐级泄流的原则。一是在电源的总进线处安装放电电流较大的首级电源避雷器；二是在重要设备电源的进线处加装次级或末级电源避雷器。

4.信号线路防雷

由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求信号设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分信号设备由于电子元器件的高度集成化而致耐过压、耐过流水平下降，信号设备在雷电波冲击下遭受过电压而损坏的现象越来越多。

7.2.1.3　机械部件防雷

垂直轴风力机启动性能差，在风速较大的时候才能启动运行，故需要将其安装在高度相对较高的位置，例如高耸建筑的房顶或塔架上。因此，垂直轴风力机组遭受雷击的概率较大。绝大多数垂直轴风力机并不适合通过风力机顶部加装避雷针达到避雷目的，图7-10和图7-11是H型和Φ型垂直轴风力机的避雷针结构图，根据滚球法，阴影区域是不保护区域，白色区域是保护区域，从图中可以看出风力机绝大多数部位不在避雷针保护范围内。(www.xing528.com)

图7-10　H型避雷针结构图

图7-11　Φ型避雷针结构图

风力机的叶片位置较高且暴露，易直接成为直击雷的落雷点。目前，许多垂直轴风力机叶片并没有设置内部导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增强塑料（GRP）结构或GRP—木结构。运行经验表明，这种类型的叶片经常遭受雷击。应在叶片上多设置接闪器，并优先布设在预计落雷点位置，布置引下线，连接各接闪器与接地装置。此外，还应确保叶片、叶片连接件、水平支撑杆、轴、发电机外壳、塔架导通性良好，轴和发电机外壳应采用集电环连接。

7.2.1.4　电气部件防雷

1.暂态过电压及线路保护

对风力机控制系统造成破坏的暂态过电压，通常是由直击雷或非直击雷引起的。发生在信号线、通信线和电力线附近的雷击过程，将在这些线路上产生暂态过电压，其幅值可能达到几十千伏。通信线在进入机组处应设置气体放电管加以保护，并通过一低阻抗接地线接地。沿电力线注入的暂态过电压会对线路造成破坏，因此需要使用电涌保护器加以保护。

2.雷电流的直接注入及其保护

雷电击中电气元件即雷电流直接注入线路的情况是一种非常严重的雷击现象，将会产生相当大的破坏作用。因此要避免雷电直接击中系统中的传感器件和接线。合适的布线方式以及避雷针等均可起到一定的保护作用。

3.电气设备的防雷保护

一般情况下，实现远端输入、输出功能的器件都需要进行过电压保护，且防护等级与装置的位置有关。连接到控制室和配电室的电缆中可能产生感应过电压，需要对这一区域的电气设备装设电涌保护器件。对于风力发电机组控制器中各电压等级的电源变压器、通信线路，通常可采用金属氧化物压敏电阻以防止过电压。

7.2.1.5　风力机接地

良好的接地是保证雷击过程中风力机安全的必备条件。风力机接地装置一般采用一个或多个环形接地体、水平接地体、基础接地体等方式组成的接地。接地网的设计方法包括增大接地网面积、人工改善电阻率、利用自然接地体、深埋接地体等几种方式，在实际接地时可根据综合情况选择经济、实用的最佳接地方案。