风电场雷击事故原因分析与改进建议

◎陈珊珊

（作者单位：国华能源投资有限公司）

随着风电机组容量的增加，风机叶轮直径和轮毂高度不断加长，雷电释放的巨大能量将会烧毁风机控制元器件、击穿发电机绝缘和损坏叶片，雷击成为危害风电机组安全运行的最严重自然灾害。本文通过详述雷击对风机损害类型及成因，结合调研现有风电场雷击事故，提出对应的改进措施。

一、雷击对风机影响概述

从世界范围来看，各国风力发电系统都存在一定的雷灾问题。随着风电单机容量和风电场建设规模的的逐年增加，风机的安全稳定性问题尤为突出，影响风机安全稳定运行的原因众多，其中雷电是风机最为重要的影响因素之一。一方面，风电场所处的自然环境通常比较空旷也极其恶劣，比如风能资源充足的山区，近海和戈壁，这种自然环境可能存在高温、高盐雾程度、高湿度等问题。与此同时该种环境中风机的接地条件很复杂，风电场场址的土壤电阻率普遍很高，通过一般的接地设计很难将风机的接地电阻控制在安全标准范围内。其次，风机自身结构高大，现今世界范围内新装设的风机，主用机型的容量通常在2.0-5.0MW之间，大部分新装风机高度已达100～160m，加之风电机组在运行时桨叶的旋转作用，使得风机易被雷击。再次，风机叶片、发电机、电控系统等各部分构造复杂，元器件灵敏度高，易受感应过电压的危害，由于内部空间有限，与建筑物防雷类别，设备的安装难以达到建筑物中所规定的最低的雷电安全距离，这对风机内部电子设备的防雷提出了更高的要求。关于雷击导致的风电机组损坏问题，不同的机构发布的数据略有差异，但是都表明雷电是导致风电机组损坏的主要原因之一，统计数据表明雷击事故占风电场自然事故中的3/5以上，严重威胁风电场的安全稳定运行。

1995年，国际电工委员会就制定了IEC-61662标准。2006年，国际电工委员会重新修订颁布雷电灾害风险评估标准，更名为IEC-62305。其主要内容包括建筑物与服务设施的分类、雷电灾害与雷电损失、雷灾风险、防护措施的选择以及建筑物与服务设施防护的基本标准等。同时IEC/TR-61400-24中也给出了防雷需要考虑的因素，主要内容包括风力发电系统的雷击灾害资料统计、雷击灾害风险评估、风电设施和人员安全的雷电防护、风机接地系统等内容。

二、直击雷对的风机结构的危害

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过程。雷电直接击中风电机组时，雷电流会在泄流通道产生热效应和机械效应，对风电设施的叶片、齿轮、轴承和传动部件造成直接的损坏，引起叶片断裂、着火，损坏齿轮轴承的表面加速其磨损。有的直击雷直接击中风电机舱造成火灾，机组停运甚至烧毁电机严重危害风电系统的安全。雷电流参数中峰值电流、转移电荷和电流陡度等都与风电机组遭受雷击损坏有密切相关。在雷电流陡度相同的情况下峰值电流越高，在雷击瞬间转移的电荷越多，所携带的能量越大；雷电流陡度越大，泄放能量的时间越短，对与被击中物体的损害越大。随着风电设施制造技术的不断发展，风电机的体积和高度不断增加，风电设施遭受雷击的几率也随之加大。

1.直击雷对风机叶片造成损坏。

风机叶片材料选择由过去的木质、钢材、铝材等，改进成现在的复合材料。在结构上分为根部、外壳和龙骨个部分，根部由于对结构强度要求较大，一般材料为金属结构外壳部分，因为要求重量轻一般为玻璃钢或合成材料；而龙骨材料一般为又轻又结实的玻璃纤维增强复合材料或碳纤维增强复合材料。这些设计虽然使得叶片更轻便结实，是对雷电流的泄放却很不利，不同材料之间的接合处，电场的畸变程度加剧，容易造成雷击；另一方面容易导致叶片表面吸附大气中的灰尘水分，进一步加重沿面闪络电压的影响。雷击发生时在这些地方就会造成极大的损坏。不同地区由于雷电产生机理不同，其雷击特点也存在差异，如日本沿海风电场冬季上行雷击问题尤为突出，且多为正极性雷击。

风机叶片表面状况对于雷击损坏程度有明显影响。表面光滑的叶片在遭受雷击时，不容易产生较大的电场畸变，不容易引发沿面放电闪络。闪络会从表面突入到叶片内部，再从内部穿回表面继续发展，对于风机叶片损坏程度尤为严重。另外风机叶片遭受雷击的概率与叶片的长度和机舱的对地高度也有很大关系，击中风电机组的临界雷电流值也有很大变化，成正比例增长。

2.直击雷对风力发电机传动系统造成损坏。

直击雷击中风机叶片后，沿着叶片上接闪器传至风电机的主轴部分。在雷电流泄放过程中，经过轴承时，由于瞬间产生极大热量，会损坏轴承内的滚子和套圈，导致滚子和套圈表面光滑程度大大降低，加速轴承磨损，进一步严重影响轴承运行的流畅性和设备的可靠性。但是由于轴承内滚子和套圈的损害程度不是很大，在雷击后其影响不会立即导致电机运行失效，但是运行的摩擦加大，日积月累对整个轴承内部会造成严重损坏并发生运行失效。不仅如此，在滚子和套圈表面受损坏之后，雷电流在以后相当长的时间内都会泄放流经该处，使得损坏面积不断扩大，造成轴承本身在机械负荷作用下加速磨损，造成更加严重的后果。

雷电流在轴承中的泄放途径主要有两个：（1）轴承内负载区，滚子与套圈相接触的通道；（2）无负载区滚子与套圈之间短气隙击穿后的泄放通道。其中最容易遭受雷击的部分就是负荷区滚子和套圈表面，这是轴承防雷的薄弱点。由于润滑油介入，滚子与套圈之间直接金属接触情况变差，电流传导性也变差，更容易受到雷电流热效应的影响产生损失。随着负荷的加重，滚子和套圈之间的接触面也会增加，对轴承造成损伤的电流和能量也会增加。

三、雷电流对风机电气设备的危害

雷电击于接闪器后，雷电流经引下线、机舱、塔筒以及接地系统泄入大地，但由于雷电流行波幅值较高，电流变化与泄放速度极快，在经过机舱与塔筒时将建立暂态电磁场，此类电磁场通过感应与辐射的方式，影响风机控制系统的正常工作，甚至使控制系统中的电子设备发生严重故障。此外，快速变化的电磁场将在塔筒内通信或电力线路中产生幅值较高的暂态过电压，从而对设备绝缘造成危害。由于这类原因造成风机电气设备损坏的典型事故如下所述。

广西某风电场2013年3月有12台箱变遭受强雷电波入侵，不同程度受损，包括机组箱变低压侧母排烧熔，低压侧熔断器、浪涌保护器（SPD）连接线受损，低压侧断路器电源线相间击穿等，甚至出现了变压器漏油燃烧，箱体内部严重烧损的情况，风电场设备损失较大。2014年5、7月又发生了类似的雷击事故，损坏3台风机箱变。其事故原因在于安装在箱变低压侧的SPD两端承受的电压达到较高的数值，且高山上空气潮湿，可能在SPD等设备表面聚积水气出现凝露，使其外绝缘发生沿面闪络甚至击穿，箱变内相线对地出现放电通道，从而导致相间或相对地（外壳）放电，出现较长时间的工频续流。在工频电弧及工频短路电流的作用下，导致熔断器、二次设备等进一步破坏。

2015年2月，贵州省某风电场所有风机通讯全无，经检查发现3#，18#风机光纤接线盒、塔基柜温控器及塔基指示灯电源线烧毁，其他风机正常运行。事故发生后通过组织雷电灾害专家组调查分析，此次事故是由当晚发生的雷电过程所致。该风电场风力发电机组设备损坏的原因主要是通讯光纤防雷屏蔽线未按要求接地，同时风力发电机地网接地电阻未达到设计值要求。雷击时电流过大导致光纤接线盒起火，通讯中断，同时感应雷电波将塔基柜指示灯电源线烧毁，造成电源短路，风机400V开关跳闸，风力发电机故障停机。

（1）暂态电位抬高对风电设备危害。

风机叶片或机舱被雷电击中后，雷电流沿泄放通道，经风电设备接地体对地放电，在整个通道中会出现暂态高电位分布。风电机组受到雷击时，雷电流从风机叶片到塔底有多条泄放通道，包括塔筒和筒内布置的电缆屏蔽层及专用防雷引下线等。不同的风电机组设计情况不同，制造工艺差距很大，在安装过程中机舱及塔筒内部各个重要部位等电位连接状况不同，在雷击暂态电位抬高效应发生时，从叶片尖端到塔筒底部分布的高电位就会存在很大的差距，当不同部位电位差达到一定数值时，就会击穿风机设备内部零件之间的空气间隙，严重破坏风机内部设备。

（2）雷电流电磁脉冲对风电设备危害。

雷电击中风机会在风机塔筒内产生强电磁脉冲，由于风机控制系统和主电源装置等均安装在塔筒内，而且塔筒内部空间狭小，电磁波会在塔筒内部不断传播反射，会对塔筒内部的设施产生直接辐射危害；电磁脉冲会在塔筒内部各种信号、电源传导线内部产生感应电流，形成过电流和过电压波侵入电子设备，这些过电压损坏会造成风机设备工作失灵或者永久性损坏。所以雷击过程产生的暂态磁场，通过感应和辐射对风机内部电气设施造成的危害，是雷电灾害风险评估的重要内容。

（3）二次损坏对风电设备危害。

雷电击中风机时，除了雷电流泄放时的雷电流脉冲和电磁福射影响外，由于冲击电阻的存在还会产生地电位反击的损坏。地电位反击产生分为两种情况：共网反击和异网反击。风电机组设备处于风机塔筒内部，很难做到异网间距的要求，一般都是直接利用风电塔筒接地体，所以风电机组地电位反击都是属于共网反击。

风电机组地电位反击形成过程如下：雷电击中风电设备时，由于接地电阻存在，在雷电流作用下冲击接地电阻迅速增大，随着雷电流冲击地电位不断升高，雷电流脉冲减弱后，地电位达到最大值，此时如果设备接地点与接地体之间的距离较近，等电位连接未达到标准要求时，就会发生放电和闪络等地电位反击现象发生，从而危及到连接在这些接地系统上的设备安全。雷击风机引起地网冲击电位的升高，在引流点的冲击电位可以根据公式来计算。

四、改善雷击对风机危害的建议

综上所述可以看出，雷电对风机的损坏很复杂，与接地网相关的主要原因有两方面：

1.风机接地网接地电阻高，散流能力差，导致雷电流不能得到有效泄放，这会导致风机设备的雷电损伤。这种损伤是由直接雷引起的，直接雷击主要对风机的叶片造成危害，强大的雷电流释放的巨大能量使得风机叶片温度升高后剧烈膨胀，造成叶片破裂。对于这类损伤需要对扇叶进行设计从而改善雷击的危害。对于接地网，需要按照接地网工频接地电阻小于4Ω冲击接地电阻小于10Ω设计，使雷电流得到有效泄放。

2.由于接地网冲击电阻的存在还会产生地电位反击的损坏。雷电感应和雷电波入侵主要对风机控制系统和电子器件产生过电压危害，对风机塔筒内通信、控制设备等线路产生感应过电压。

感应雷的保护主要是对风电机组内易受感应雷击过电压破坏的设备加装过电压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。感应雷击过电压防护主要分为电源防雷和信号防雷。

电源系统避雷过压保护措施采用3级防护，建议安装电涌保护器[4]。在安装电涌保护时，应遵循靠近被保护的设备，接地线就近接地的原则。风电机组电源入口部位应装设第1级电涌保护，将残压控制在＜4kV；在发动机的定子、转子、整流器处安装第2级电涌保护，安装位置在塔架配电柜及机舱内，以进行有效的保护；第3级浪涌保护器在上一级浪涌保护器泄放雷电流后残压的基础上对线缆上的雷电流进一步泄放，实现终端能域避雷和频域避雷的相结合。信号防雷分为防雷粗保护和精细过电压保护两级。为了减少接口、降低损耗，一般在同一避雷器内实现多级保护。精细保护的防雷器残压更低，可有效的保护各设备。控制、传感与通信系统都是工作电压较低的弱电设备，耐过电压能力低，容易被雷电感应，均需安装信号防雷器。在配套升压变高压侧，为了防止雷电侵入波影响，在变压器高压侧安装氧化锌避雷器保护，同时可在低压侧安装第一级电涌保护器以有效地保护风电机组内部设备免受雷电侵入影响。

除了上述直接保护设备外，还需要采取措施降低感应过电压或提高绝缘水平，以前文提到的广西某风电场为例，后续采取了三项措施：

（1）风机引至塔筒底再引至箱变的电缆，应带有屏蔽层或铠装层，且两端应与接地网牢固连接，可有效降低雷击风机时箱变低压侧的相对地电位差，对防雷起重要作用。工程建设中不能因降低工程造价等原因而任意取消这段电缆的屏蔽层或铠装层。

（2）由于风机箱变低压侧所装防雷保护器主要是保护电气一次设备，且所处环境比较恶劣，所以可考虑安装氧化锌避雷器进行保护。

（3）对高原山地潮湿气候箱变，建议进行加强绝缘处理，且绝缘距离要适当加大。

五、总结

雷电对风机的损坏很复杂，本文通过列举雷电对风电机组的危害类型及成因，提出可以采取改善接地网设计、安装浪涌保护器及加强绝缘等措施降低感应过电压或提高绝缘水平。随着国家“十四五”期间风电事业的迅猛发展，在风机防雷设计及改造方面，创新成果及新技术、新工艺将会进一步被挖掘，雷击导致的风电机组损坏问题也必将随之改善。