风力发电区域雷电防护专用设备

一、研究背景

风力发电是清洁的可再生能源，我国风力发电近年来呈高速发展状态。由于对风力资源的要求，风力发电场会选择常年平均风速不小于5m/s 的地区。因此最适合建设风电场多选在海拔比较高高原、丘陵、陆水相接地带和近海海面。由于陆上风力发电机通常建在疾风区的山脊上，其高度远高于周围，因此遭到雷击的概率更大。在国际标准IEC 62305 中指出位于小山顶或山丘上孤立的建构筑物雷击位置因子为2。我国国家标准《建筑物防雷设计规范》中也规定位于山顶的建构筑物雷击校正系数为2，位于河、湖（海）边的建构筑物雷击校正系数为 1.7 也就是说在雷暴活动天数相同、建构筑物高度相同的条件下，风力发电机遭到雷击的概率会大 1.7～2 倍。目前风力发电机单机的容量越来越大，轮毂和叶片高度随之增高，更增大了雷击风险。雷击发生后，风力发电机的叶片常被击断，甚至燃烧毁坏，同时会造成控制系统失灵、发电机停运、线路跳闸以及人员伤亡等。风机叶片被击毁后维修更换费用很高，特别是海上风电场的维修费用更加昂贵据统计叶片被雷击中概率高达 4% ，应是风力发电机防雷的重中之重。

因此，研究风机防雷技术具有重要的现实意义。

二、历史雷击损坏与损失情况案例

广东 风电场位于丘陵地带，地势较高，山顶平均海拔约400m。场内装机容量49.5MW，装有 33 台1500kW 风力发电机组，3 台风机被雷击导致故障停机。风机停机1 天，按照标杆风机故障负荷弃风率计算，即损失的发电量约36MWh，直接造成2.196 万元经济损失，按3 台风机受到雷击故障停机计算，直接造成6.588 万元经济损失。因雷击导致的风机元器件损坏，如风速和风向仪，MPC 模块；由于风机及箱变遭受雷击，导致风机及箱变的通讯光纤损坏，因此对全场风机及箱变光纤进行改造；风机叶片遭受雷击导致开裂。不管哪一项遭雷击损坏，改造下来，都花费巨大。

因此，现在的风机防雷技术有待改进，研发新的风机防雷技术，刻不容缓。

三、研究现状与问题

根据目前风机防雷主流设计，风力发电机组雷电接闪器系统位于风机叶片的表面区域，叶片引雷线粘合在叶腔内部。在叶片受雷击后，接闪器、引雷线可能会局部发热引发叶片燃烧或者损坏。在IEC 62305-3 中介绍的接闪器系统定位工具（滚球法、保护角法等）不适用于风机叶片防雷。根据雷电特点，雷电的频率很高，所以对风力发电机组柜内装有的单脉冲SPD 浪涌保护器要求没法承受多次雷击，常常受雷击而损坏。

德国1991—1998 年统计数据显示，其国内风电场的雷击损坏率大约为10 次/（ 百台·年），主要是叶片被损坏。在我国雷击损害较为严重的海南东方风电场，近年来仅风机叶片的雷击损坏率就达5.56 片/（ 百片·年）。美国则针对其三个州的风电场总共五百余台风机进行了五年的雷击事故统计，结果表明每年每百台风机叶片平均雷击损坏率为 12% 左右，雷击叶片损坏次数随风机运行时间的延长而增大。

据相关统计结果显示，目前我国风力发电机组的雷击事故损坏率远高于欧洲国家统计平均值。显然，传统防雷理论和方法并不能有效的对风力发电机组进行全面保护。

区域防雷技术使用的雷电拦接（截）器及多脉冲电涌保护器恰好能解决风机防雷存在的问题。

四、研究目标与内容

本文旨在探讨新风机防雷技术- 雷电拦接（截）器以及多脉冲电涌保护器，以期为风机防雷技术的发展提供新的支持。首先，分析防雷技术的理论基础，其次，说明雷电拦接（截）器的工作原理以及多脉冲电涌保护器的特点，最后，评价雷电拦接（截）器的效果，通过实际案例，实际应用来评估拦截器在风机防雷上的表现。

五、雷电拦接（截）器的理论基础

雷电放电是自然界电磁波运动的一种特定形式。美国电磁脉冲袭击对美威胁评估委员会把高空核爆、雷电放电、地磁暴等纳入电磁脉冲的范畴。雷电电磁脉冲英文缩写为LEMP，其运动规律受麦克斯韦方程组约束：当电磁脉冲作用于物理媒介，可用传输线和波导理论进行分析和计算，研究其传输过程的阻抗、反射、驻波比等。从光学角度看，雷电放电为可见一闪而过的白光，其受色散理论的约束；从电磁脉冲的角度看，脉冲由许多不同幅值的频率组成，可用傅里叶级数和变换求得其频率成分和频幅特性；从能量角度看，可用巴塞瓦尔能量等式求出其频率能量分布。

根据雷电流的双指数波特点，利用傅里叶变换和巴塞瓦等式，可得到雷电波的振幅频谱和能量频谱。按照雷电波的振幅和能量频谱分布规律，采用了电荷极性变换技术、波阻抗电压倍增技术、分布参数控制技术，使得拦截器具有良好的频谱选择和波阻抗自适应能力。波导腔体把通带f0 以外频谱分量（包括CC 电流/ 脉动直流分量）的雷电流按波动方程反射回输入端，并把能量转化为热能，从而使雷电拦接（截）器输出的雷电流频谱限定在通带f0 以内，输出电流仅为输入的 60% 左右，具有显著减小雷击电流的作用。

这些理论和方法是研究全方位多脉冲雷电拦接（截）器的理论基础。

六、雷电拦接（截）器的原理以及多脉冲电涌保护器的特点

风力发电机的叶片防雷，在现行国家和国际标准，如 GB/T33629-2017/IEC61400-24：2010《风力发电机组雷电防护》中有一种方法，即将非金属（导体）叶片改为金属叶片或者在使用玻璃纤维增强复合材料（GRP）或碳纤维增强塑料材料（CRP）制成的叶片表面嵌入金属网或者金属体作为接闪器。同时将这些接闪器与轮毂，塔筒或钢筋混凝土塔筒内的垂直钢筋（作为自然引下线）连接。这样，位置最高的叶片上接闪器拦截到雷电后，可以泄入塔筒的基础接地及人工架设的地网。现在机舱防雷用的是一种短的接闪器，安装在机舱盖上，只起到保护非金属机舱盖内的设备的作用。因此，对非导体叶片的直击雷防护，目前尚无行之有效的措施。过去风力发电机叶片最大高度在60m 以下时，尚可在其附近架设独立接闪杆（塔）得到保护，如今整体高度达200-300m 时，这一措施很难施行。有鉴于此，我公司在施行近30 年的法国国家标准NFC17-102：2011 的启发下，研究了雷电拦接（截）器，情况如下：

1. 雷电拦接（截）器的原理

雷电拦接（截）器采用波导谐振腔体设计。当雷云临近、大气电场强度骤增时，在大地感应出与雷云底部电荷极性相反的电荷，波导谐振腔的极性变换器把这些电荷极性变换后送到腔体振幅频谱选择/ 阻抗变换器。腔体谐振把电荷送到腔体端部，使得腔体端部聚集能量达数倍与雷云底部电荷极性相反的异性电荷，当达到空气击穿值时，便开始电晕并产生向上先导。与传统的富兰克林避雷针（常规接闪杆）相比，可以增加60 ～200 m 的截雷高度。

由于上下先导对接形成雷击通道，上行先导增高了，就增加了保护高度和范围，就是说它能保护比雷电拦接（截）器放电尖端高200 m 的物体。在风机叶片长不超过170 m 时，就能把全部叶片及整个风机纳到其保护范围内。如图一所示

图一

与传统避雷针相比：

提前放电时间为 200μs ，相当于比避雷针产生的上行先导长 200m ；

直击雷接闪能力比对试验结果为 100% ；侧击雷接闪能力试验结果为 100% ：其中水平针接闪率 90% ，垂直针接闪率 10% ；

衰减雷击点电流可达 40% 以上，衰减雷电电磁脉冲。

2. 多脉冲电涌保护器的特点

雷电多脉冲的显著物理特征有三个：一是脉冲的个数多，其波形的包络线呈驼峰形；二是其脉冲之间的时间间隔规律有两个值（50ms、400ms）; 三是冲击时间可长达 1s 显然，单脉冲SPD 在冲击脉冲规律、时间长度、脉冲陡度、电流热效应等不符合自然闪电的物理特征。因此，应采用多脉冲电涌保护器才能更有效防护自然界的雷击。

（1） 耐受多脉冲冲击

采用多级MOV 微观参数对等并联的分布参数平衡技术，在通过雷电脉冲时，各并联支路的MOV 都能均衡通过雷电脉冲电流，因而具有承受真实雷电多脉冲冲击的能力。

（2） 短路电流专用脱离器

多脉冲电泳保护器采用了内置式具有大的脉冲通流能力且具有小的工频分断能力的短路电流专用脱离器。短路电流额定值100A， 分断时间 ⩽1 .5s， 在实际运行中多脉冲电泳保护器不会出现因短路引起的火灾，大大提高了多脉冲电泳保护器本身的安全性；

（3） 时间与能量配合一致

多脉冲电泳保护器采用具有热能正反馈并按照离散性参数控制技术进行奇偶配对的MOV为核心器件，具有很好的脉冲响应速度和能量配合。

所以说雷电拦接（截）器是风机叶片的保护神，只能用雷电拦接（截）器以及多脉冲电涌保护器才能把风机完全保护住。

七、雷电拦接（截）器的经验总结及推广

采用雷电拦截技术，可实现风电场风机和升压站区域全覆盖，未再发生直接雷击风机造成设备损坏情况，平均保护距离约 1.5km

2. 优化了风电场雷击电磁场环境

雷电拦接（截）器色散波导谐振腔体技术对雷击点电流的反射有吸收作用，有效抑制雷电多脉冲放电的重要分量- 连续电流（约占放电过程总电荷的 40% ），使得风电场雷击电磁脉冲强度大大减小，优化了电磁环境。

3. 高效吸收雷击电磁脉冲能量

研发和应用国际先进的风机专用多脉冲电涌保护器， 有效提高了雷电传导性多脉冲能量的吸收。安装多脉冲电涌保护器后，未再发生雷击电磁脉冲损坏设备的情况。

4. 创新了光纤环网通信系统金属光缆预防雷击电磁脉冲方法

研究开发了金属光缆专用陡度抑制器，有效降低金属光缆铠装金属和碳素加强筋的雷击过电压，未再发生因雷击导致金属构件对光缆芯线的闪络熔断光纤的情况。

5. 创新了箱变雷击电磁脉冲的预防方法

当风机雷击电流传导到箱变时，其过电压值V=IR+Ldi/dt 较高，容易导致 35kV 高压开关跳闸或线路避雷器爆裂。为此研发了能适应箱变密闭空间、具有空气自动冷却系统的箱变专用多脉冲电涌保护器。

6. 验证了风机接地系统电阻值设定的科学性

风机接地系统的接地电阻值按设计要求为4Ω，实际对山区丘陵地带的高土壤电阻率地区很难实现。区域防雷设计中采用了雷电拦接（截）器衰减雷击点电流后（ （⩾40% ），接地电阻可以放宽到 10Ω， 。

八、社会、经济效益与应用前景

1. 社会效益

户外现代化设施不断发展，国内外防雷保护依然采用避雷针和保护角法，雷击事故不断发生，巨大的经济损失严重影响经济社会高质量发展。区域防雷新理论新技术的广泛应用，将大大减少防雷工程建设的资金投入，大大减少雷电灾害事故的发生，为人类新时代经济高质量发展提供技术保障。

2. 经济效益

项目成果可大幅度降低风电场雷击风险，减低运行维护成本，提高电网安全、经济运行的可靠性，推动风电场绿色低碳高质量发展。每年减少雷击损失和节省投资可高达数百亿元。

3. 各专业领域推广应用的前景

海上风电、高压输电/ 高铁接触网、户外化工、高速公路、森林雷击火等领域被称为防雷领域五大国际难题。目前区域防雷技术项目成果已开始推广到海陆风电、国家电网、户外化工、森林雷击火、气象站、古建筑等。

4. 预防人员雷击伤亡推广应用的前景

项目成果还可用于预防雷击人员伤亡事故的发生，我国雷击伤亡人数每年约700-800 人；印度每年死亡过千人，2022 年雷击死亡2800 多人。区域防雷成果的应用，将大大降低雷击伤亡的数量，社会意义重大。

参考文献

[1] 戈尔德《雷电》

[2] 高燚/ 杨少杰《雷电参数的工程应用》

[3] 张义军《雷暴电学》

[4] 郄秀书《雷电物理学》