風電機組的防雷防護技術及應用

　　根據雷電機理，雷云在風場上空時，風力機容易形成上行雷，與上行雷相關的起始連續電流轉移的電荷量可以高達3000，風力機高度增加上行雷造成的風力機雷害也增加，當風塔高度超過loom時上行雷擊的概率大大升高。據統計，高度超過60m的建筑物往往會發生側擊，即有一部分雷電擊中建筑物側面而不是建筑物頂部。風力機是高于60m的構筑物，所以側擊概率比建筑物大很多，并造成嚴重損害。還有，風電機組都設置在風力強大的地區，例如海岸、丘陵、山脊等荒郊野地，而這些地區正是雷電多發區，風電機組設置在高于周圍地區的制高點，并且遠離其它高大物體，因此它更加能吸引雷電。
　　葉片雷擊損毀嚴重的一個主要原因是現代大型風力機的葉片用不能傳導雷電流的復合材料制成，例如玻璃纖維增強塑料或木材層壓板，我國現在開始用得竹纖維層壓板。在葉片未加防護時，一旦被雷電擊中就會造成損壞。因此，必須對這類葉片采取防雷措施。
　　風電機組還是不斷旋轉運動的機械，于是又出現了一個特殊問題----雷擊的風險出現在旋轉葉片上多處，并且不止一個葉片遭到雷擊。我們知道雷擊的連續性，即一次閃電包含有幾個不連續的雷擊，一次閃電的持續時間達到1s。這一時間足以使多個葉片暴露在雷擊中（例如一個3葉片的風力機以20rpm的速度旋轉，那么每葉片的運動速度就為1200 /s)。雷電流通過整個風力機構筑物入地，包括槳距軸承、輪毅和主軸軸承、齒輪、發動機軸承、底座、偏航軸承和塔架。雷電流流經齒輪和軸承可使其損壞，特別是在滾輪和滾道之間以及齒輪與輪齒間有潤滑層時。
　　機艙外殼都是用玻璃纖維增強塑料或碳纖維合成材料做成，也有遭到雷擊的可能，它們也應當采取防直接雷擊措施。風力機在設計時一定要考慮葉片、機艙的直擊雷防護和發電機、變壓器、變頻器等電氣設備和控制、通信、SCADA等等敏感電子設備的雷害電磁脈沖防護。
　　葉片的防雷
　　風機的葉片幾何結構復雜，雷電來時，葉片完全暴露在直擊雷下，它的防雷比其它構筑物復雜。
　　沿著同一電離路徑的整個放電過程稱為閃電，其持續時間可以達到IS以上。云中先導與風機迎面先導匯合形成完整的雷擊。風場葉片上發生的上行雷為多，其原因就是地面突出物有先導向上發展，成為雷閃的主流。圖1說明風機葉片產生向上先導與云中先導匯合形成對風機葉片雷擊的示例。雷擊葉片后，雷電流將從雷擊點通過葉片一輪毅一機艙一風塔一塔基一接地系統入地。雷電流流經葉片，可以產生熱效應和機械效應，流經機艙和風塔時，強大的雷電流誘發的雷電電磁脈沖可以對電氣系統和電子設備造成危害。
　　雷電擊中風電機組的入侵點稱為雷擊點，一般，雷閃打在葉片的接閃器(receptor）處，圖2是雷擊葉片的照片，雷電流由雷擊點流入風電機組，這時，造成的典型損壞是：
　　1)葉片表面復合材料開裂和灰化，以及雷擊點的金屬部件燒毀或熔化（開裂是機械損壞、灰化則是熱效應的結果）。
　　2）雷電在葉片內部形成電?。ㄟ@時，風力機葉片的損壞最為嚴重，空氣中的電弧會存在于葉片內的空洞和葉片表面，這種屬于電氣損壞）。
　　3）另一種損壞是雷電流傳到復合材料層之間時，因為層間有些潮氣，內部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊使葉片爆裂或使葉片表面沿著前后緣和葉片承載梁處撕裂損壞（小至葉片表面發生裂紋，大到葉片完全碎裂）。有時，壓力波會通過輪毅從受雷擊的葉片傳到其它的葉片上而引起損壞，（熱效應和機械損壞）
　　4）在葉尖雷擊點和導體部件之間常會形成內部電弧。
　　有葉尖剎車的葉片的損壞常局限在葉尖部分，而葉片主體保持完好。當葉片主體內部形成電弧時，?？煽匆娪腥~尖剎車的葉片主體的損壞。在控制葉尖剎車的鋼絲沒有足夠的截面積將雷電流從軸尖傳遞到輪毅時，經常會發生葉片主體損壞的情況。對于有副翼的葉片來說，葉片就會完全毀壞。
　　因此，導致風力機葉片嚴重損壞的原因是葉片內部的雷電弧周圍形成了壓力沖擊波。當雷電弧在葉片外表面形成或當傳遞雷電流的金屬部件的截面積足夠大時，風力機葉片的損壞會比較小。
　　下面有兩個例子，一個是美國Texas南風場雷害，一個是日本北海道某風場冬雷雷害。
　　美國Texas南風場內風力機輸出功率1.5MW，發電機葉片由玻璃纖維增強復合材料構成。葉片內部采用硬質聚氨醋泡沫塑料包裹在玻璃纖維上形成加強橫梁，并采用多層有絕對強度的聚氨醋／玻璃纖維作為內部層，一耐應力的效果相當好。該地雷閃密度為每年每平方公里5至6個，2006到2008年3年中，該場5％的風力機葉片被雷擊損壞，2008年4月6日雷電將155號機的4608號葉片完全擊壞（葉片解體，導流線截斷），美國國家雷電監測網報道雷擊時刻（08: 36' 38"）記錄的該地雷電電流為10kA。比較起來，這次雷擊雷電流不算大，但葉片的損壞相對卻十分嚴重。美國國家雷電研究所（National Lightning SafetyInstitute-NLS1)，2008年6月對該例的研究認為，導雷線未達到設計水平，葉片內部的空氣和水氣在大雷電流流過時氣化和膨脹產生機械力，是這次葉片損毀的主要原因。在研究中發現，該廠葉片葉尖有一個“接閃器”。雷擊接閃器后，大電流進入葉片，由于瞬時雷電流達到10kA，雷電流從接閃器進入后沿“導雷線”入地網，瞬時電流產生了25000℃以上的高溫，使得“導雷線”熔斷，同時將葉片內殘存的水汽加熱，水汽急劇膨脹使葉片爆裂。
　　日本北海道某風場在2006年12月6日一次冬雷時，一臺1000kW風機測得的雷電電荷為739C，但風機未被擊壞。這臺風機在葉片上部裝有碟形接閃器，導流線可以傳導上百千安的電流而無機械損壞。松下公司在2006年做了葉片大電流室內試驗。將模擬雷電流加到長度為29,5m，葉片上部裝有幾個碟形接閃器和棒型接閃器。試驗中發現,  施加正沖擊電壓時，接閃器的接閃率為100%，施加負沖擊電壓時，接閃器的接閃率也有70%，其余的電流直接流向引下線。松下也做過有接閃器和無接閃器的對比試驗，葉片無接閃器時，施加負沖擊電壓，葉片截雷58%，機艙截雷42%。