雷电是自然界中一种常见的放电现象。关于雷电的产生有多种解释理论，通常认为由于大气中热空气上升，与高空冷空气产生摩擦，从而形成了带有正负电荷的小水滴。当正负电荷累积达到一定的电荷值时，会在带有不同极性的云团之间以及云团对地之间形成强大的电场，从而产生云团对云团和云团对地的放电过程，这就是通常所说的闪电和响雷。
自然界每年都有几百万次闪电。雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。据不完全统计，我国每年因雷击以及雷击负效应造成的人员伤亡达3000～4000人，财产损失在50亿～100亿元人民币。
1.雷击造成的危害
（1）直击雷。带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。它的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泻放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁、甚至危及人畜的生命安全。
（2）雷电波侵入。雷电不直接放电在建筑和设备本身，而是对布放在建筑物外部的线缆放电。
线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散，侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。因此，往往在听到雷声之前，被侵入的电子设备、控制系统等可能已经损坏。
（3）感应过电压。雷击在设备设施或线路的附近发生，或闪电不直接对地放电，只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷，并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。
雷击放电于具有避雷设施的建筑物时，雷电波沿着建筑物顶部接闪器（避雷带、避雷线、避雷网或避雷针）、引下线泄放到大地的过程中，会在引下线周围形成强大的瞬变磁场，轻则造成电子设备受到干扰，数据丢失，产生误动作或暂时瘫痪；严重时可引起元器件击穿及电路板烧毁，使整个系统陷于瘫痪。
（4）系统内部操作过电压。因断路器的操作、电力重负荷以及感性负荷的投入和切除、系统短路故障等系统内部状态的变化而使系统参数发生改变，引起的电力系统内部电磁能量转化，从而产生内部过电压，即操作过电压。操作过电压的幅值虽小，但发生的概率却远远大于雷电感应过电压。实验证明，无论是感应过电压还是内部操作过电压，均为暂态过电压（或称瞬时过电压），最终以电气浪涌的方式危及电子设备，包括破坏印刷电路印制线、元件和绝缘过早老化、寿命缩短、破坏数据库或使软件误操作，使一些控制元件失控。
（5）地电位反击。如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分，流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。
2.防雷保护的原理及方法
（1）传统的防雷方法。传统的防雷方法主要就是直击雷的防护，参见GB 50057—94《建筑物防雷设计规范》，其技术措施可分接闪器、引下线、接地体和法拉第笼等。
其中接闪器包括避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器。根据建筑物的地理位置、现有结构、重要程度等，决定是否采用避雷针、避雷带、避雷网或其联合接闪方式。
（2）现代防雷保护的原理及方法。德国防雷专家希曼斯基在《过电压保护理论与实践》一书中，给出了现代计算机网络的防雷框图，如图6-51所示。
图6-51 计算机网络防雷框图
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，一般是防止建筑物或设施（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——快速泄放沿着电源或信号线路侵入的雷电波或各种危险过电压，这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。
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。
风力发电机组都是安装在野外广阔的平原地区或半山地丘陵地带或沿海地区。风力发电设备高达几十米甚至上百米，导致其极易被雷击并直接成为雷电的接闪物。由于风机内部结构非常紧凑，无论叶片、机舱还是塔架受到雷击，机舱内的电控系统等设备都有可能受到机舱的高电位反击。在电源和控制回路沿塔架引下的途径中，也可能受到高电位反击。实际上，对于处于旷野之中高耸物体，无论怎么样防护，都不可能完全避免雷击。因此，对于风力发电机组的防雷来说，应该把重点放在遭受雷击时如何迅速将雷电流引入大地，尽可能地减少由雷电导入设备的电流，最大限度地保障设备和人员的安全，使损失降低到最小的程度。
当雷电击中电网中的设备后，大电流将经接地点泄入地网，使接地点电位大大升高，若控制设备接地点靠近雷击大电流的入地点，则电位将随之升高，会在回路中形成共模干扰，引起过电压，严重时会造成相关设备绝缘击穿。
根据国外风场的统计数据表明，风电场因雷击而损坏的主要风电机部件是控制系统和通讯系统。雷击事故中的40%～50%涉及风电机控制系统的损坏，15%～25%涉及通信系统，15%～20%涉及风机叶片，5%涉及发电机。我国一些风场统计雷击损坏的部件主要也是控制系统和监控系统的通信部件。这说明以电缆传输的4～20mA电流环通信方式和RS485串行通信方式由于通讯线长，分布广，部件多，最易受到雷击，而控制部件大部分是弱电器件，耐过压能力低，易造成部件损坏。防雷是一个系统工程，不能仅仅从控制系统来考虑，需要在风电场整体设计上考虑，采取多层防护措施。风力机组雷电安全保护系统如图6-52所示。
图6-52 风力机组雷电安全保护系统图
3.雷电保护区域的划分(www.xing528.com)
（1）雷电保护区LPZOA（直击雷非防护区）。该区内的各物体都可能遭受直接雷击，同时在该区内雷电产生的电磁场能自由传播，没有衰减。
（2）雷电保护区LPZOB（直击雷防护区）。该区内的各种物体在接闪器保护范围内，不会遭受直接雷击，但该区内的雷电电磁场因没有屏蔽装置，雷电产生的电磁场也能自由传播，没有衰减。
（3）雷电保护区LPZi（第i防护区）（i=1，2，…）。当需要进一步减少雷电流和电磁场时，应引入后续防雷区，并按照需要保护的系统所需求的环境选择后续防雷区的要求条件。
1.5 MW风力发电机组从叶尖到机组基础，各部分均采用了严密的防雷击保护措施，如图6-53所示，防雷按照《建筑物防雷标准》（IEC 61024）所规定的I级保护等级要求，参照执行《风力涡轮发电机系统-雷电保护》（IEC 61400—24）、《风力发电机组防火标准》（DIN VDE 0127）、《建筑物防雷设计标准》（GB 50057—1994）等标准。1.5 MW风力发电机组的防雷系统，根据相应的防雷标准，将风力发电系统的内外部分分了多个电磁兼容性防雷保护区。图6-53中，在机舱、塔身和主控室内外可以分为LPZ0、LPZ1和LPZ2三个区。针对不同防雷区域采取有效的防护手段，主要包括雷电接受和传导系统、过电压保护和等电位连接等措施，这些都是充分考虑了雷电的特点而设计的。
图6-53 风电机组防雷保护区示意图
作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。研究结果表明叶片的完全绝缘不能降低被雷击的风险而只能增加受损伤的程度，还有在很多情况下雷击的位置在叶尖的背面。根据IEC 61400—24《风力发电机组防雷击保护》标准的要求，对叶片进行防雷击设计。在叶片叶尖部位安装一个金属接闪器，用铜质电缆导线把叶尖接闪器和轮毂部位的防雷引下线可靠地连接，叶片防雷结构图如图6-54所示。
图6-54 叶片防雷结构图
雷电从接闪器通过导引线导入叶片根部的金属法兰，通过轮毂、主轴传至机舱，再通过偏航轴承和塔架最终导入接地网。
机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间除本身螺栓连接之外还增加了导体（导体为辫子）连接，如图6-55所示。机舱底座为球墨铸铁件，机舱内的零部件都通过接地线与之相连，接地线尽可能地短直。雷电流通过塔架和铜缆经基础接地传到大地中。
在机舱的后部还有一个避雷针（风向标支架），机舱顶部防雷装置图如图6-56所示。避雷针用作保护风速计和风标免受雷击，在遭受雷击的情况下将雷电流通过接地电缆传到机舱底座，避免雷电流沿信号及传动系统的传导。
图6-55 机舱底板与上段塔架之间、塔架各段之间的防雷装置图
图6-56 机舱顶部防雷装置图
在风向标风速仪信号输出端加装信号防雷模块防护，残余浪涌电流为20kA（8/20μs），响应时间小于等于500ns，如图6-57所示。
图6-57 风向标风速仪防雷模块图
图6-58 变压器输出端防雷、电网逆变器防雷模块图
轮毂的防雷：雷电保护装置在变桨装置中的具体位置如图6-59所示，在大齿圈下方偏左一个螺栓孔的位置装第一个保护爪，然后120等分安装另外两个雷电保护爪。
雷电保护爪主要由三部分组成，按照安装顺序从上到下依次是垫片压板、碳纤维刷和集电爪，轮毂防雷示意图如图6-60所示。
4.雷电保护装置的基本维护
（1）检查雷电保护装置的表面清洁。
（2）检查碳刷纤维的是否完好。
（3）检查雷电保护装置螺栓的紧固。
图6-59 轮毂雷电保护装置位置图
图6-60 轮毂防雷示意图
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