近年来，因全世界范围内对可再生资源的高度关注，使得人们开始重视起风能的利用，随之而来的则是风力发电技术取得了长足进步。风力发电技术是当前最为成熟的新能源技术之一，由于风机大都在自然旷野中暴露，处于高雷击环境内，极易遭受雷击，再加上发电机组中包含很多电子元件，雷电灾害对其的危害较大。风力发电技术的快速发展，使得风力发电机组容量不断加大，为了对风力资源进行有效利用，叶轮直径和风塔高度随之加大，遭受雷击的概率提升，雷击对风力发电机运行安全影响较大。因此，应保证风机内部电子、电气设备防雷保护装置的有效性和科学性水平，以减少设备故障率和维修费用。为了避免风力发电机遭受雷击，应在设计初期将对应的防雷技术工作做好，提前进行防御，以将日后投入到维护费用的成本降到最低。
1、风力发电机组防雷特点
1.1环境
由于风机在旷野上分散布设，大型风机叶片位置较高，也就是轮毂高度与风轮半径之和在60~70m之间，遭受雷击概率较大，再加上风力发电机组的电气绝缘低，从防雷角度看，所处环境要比常规发电组的环境恶劣。
1.2严重性
作为风电场的重要设备，风力发电机组的价格将近超过了风电工程投资的60%。一旦贵重部件，如叶片和发电机遭受雷击，除了损失掉修复期间的发电外，还要承担受损部件拆装和更新中的高额费用。在全世界范围内，每年有1%~2%的转轮叶片遭受雷击受损。在叶片受雷击损坏中，叶尖修补较为容易，只有少部分情况下需对整个叶片进行更换。若是风机遭受雷击，经常会造成机电系统过电压，使得风机自动化控制和通信元件烧毁、发电机被击穿、电气设备受损等安全事故。因此，雷电灾害对风机安全运行的危害较大。
2、雷电对风力发电机组的危害
由于风机大都在旷野中布设，且高度较高，随着高度的增加遭受直击雷概率随之加大，因此风机处于容易被雷电击中的高危险环境中。当前，国内风机的最大容量在5MW，风叶高度更是超过了150m，被雷击概率也会增加。由于风机内的空间有限，其中包含有电子、电气设备，雷电中产生的强大电涌，对风电机组的破坏几乎是致命的。通过分析国内外因雷击受损的风机数据，不难看出控制系统部件遭受雷击受损的概率在40%~50%左右。自防雷装置广泛应用到风机中以来，风力发电机组遭受雷击的现象有所改变。旧的风力发电机组受损部件主要集中在控制系统，而新的风力发电机组中广泛引入防雷技术以来，遭受雷击受损的部件则转为风叶。由此不难看出，自风力发电机组安装防雷保护装置后，控制系统受损概率下降明显，说明风力发电机组的防雷保护效果较好。另外，由于风力发电机组遭受雷击受损后将不能正常运行，后续维修也需要经过一段时间。这段时间内的风机将很难正常运行，将会造成投资者经济受损。结合国内外风电雷击事件事故，雷击在产生机械性损坏的同时，还会破坏风机电子控制部分。因此，雷电对风机的影响主要表现在损坏电子、电气设备上。选择科学完善的防雷措施对风力发电机组进行保护显得极其重要。
3、风力发电机组防雷技术
3.1直击雷防护
①桨叶。将雷电流从桨叶雷击点安全传导到接地轮毂上，防止叶片内部形成雷电电弧，这是桨叶防雷的主要目的。可采取以下几种方法：a：将金属导体安装在叶片表面或内部，使雷电流借助于雷击点向叶片根部进行传输。这种防雷装置较为简单，实现也极为方便，只能用于长度在20m以内的桨叶。b:若是桨叶长度在20m以上，可将一条金属网带镶嵌在桨叶表面或者是设置多个接闪器。相较于整个桨叶面积，接闪器面积占据的比例相对较小，很难确保接闪器是桨叶上唯一雷击点。c:根据叶片表面改选导电材料，使叶片本身的雷电流传输到根部。这种防雷装置在航空工业中应用频率较高，将导电材料应用到机翼外表，可将雷电对机翼的损坏程度降到最低。
②机舱
对机舱尾部风速风向仪进行保护，并确保机舱内部相关设备的电位均衡是开展机舱防雷的主要目的。可将独立接闪杆单独布设在机舱尾部或者将接闪杆安装到风速风向仪上，除了对机舱内的需要绝缘隔离的设备外，其余的则需与机舱底板进行电气连接，以确保等电位相等。
③轴承
轴承防雷的主要目的是将桨叶传导的雷电流经过专设引下线部位，避免雷电流利用轴承滚子与套圈沿着轴心进入到机舱内部危害设备安全。在轴承前端设置一条雷电通道，以对传播过来的雷电流开展旁路分流，确保较少的雷电流经过轴承。可将两组导电碳刷、旁路分流与阻断隔离的方式进行结合。
④塔身
可将塔身作为引下线使用，向塔身底座防雷地网传输来自轴承、机舱传导到塔身的雷电流或直接雷击的雷电流。选择金属塔筒、钢筋混凝土塔筒的钢筋网或金属爬梯上下连接之后作为自然引下线使用，也可以专门设置两根引下线与轴承、机舱进行连接，并将雷电流引入到防雷接地网上。
3.2雷电电磁脉冲防护
根据屏蔽体反射、衰减并引导雷电流产生的电磁脉冲原理，使其不进入风力发电机组内，以保护设备或线路安全。可将金属机舱或机舱外罩、混凝土塔筒或金属塔筒的钢筋组成法拉第笼，确保机舱、塔筒内部形成初级屏蔽；封装机组内连续完整的设备金属外壳，并在进出口处安装到设备信号线和电源线的屏蔽层，应始终确保设备金属外壳电气连接良好，以发挥次级屏蔽作用。对于风力发电机组保护区内的电缆屏蔽层，应在两端及穿过机组防雷界面处进行接地操作；若是存在严重的低频干扰，在引入屏蔽层时可穿金属管或者是选择双层屏蔽电缆，以实现雷电电磁脉冲防护。
3.3电涌保护器防护
一旦雷电击中风力发电机组，雷电流将会以电源路、信号线、网络线为媒介对设备进行损坏，可通过设置电涌保护器的方式对雷电流产生的瞬态过电压及电涌电流进行限制。可将其在防雷区交界处与被保护设备前端进行安装。连接电信与信号网络的电涌保护器，应保证电压水平和通过的电流比被保护电子设备的耐受水平低。
3.4等点位连接防护
对于特定机舱内的各个金属设备，需要将等电位连接工作做好，做好设备金属外壳、舱盖外风向风速仪支持杆、线缆屏蔽层等其他金属构件同机舱金属底板之间的电气连接工作，还要保证底板与塔筒的电气连接良好。
3.5防雷接地
在对风力发电机组进行防雷接地时，应使其具有散流和均压功能，以及时泄放塔身或专设引下线传导的雷电流，避免因地电位抬升和过电压出现接触电压和跨步电压上升。为了对地网是否符合规范要求进行判断，可参考电阻、土壤电阻率、接地网形状。施工中的敷设方式选择一种或多种，将垂直、水平、塔基础接地体形成环形或多环形接地体，除了选择塔基础钢筋作为自然接地体外，还可对人工接地体进行布设。另外，针对接地体材料的选择，除了结合地质情况将地网使用寿命考虑进去外，还要将经济基础考虑进去。
参考文献：
[1]黄金鹏.大功率风力发电机组叶片的雷击分析与防雷系统设计[J].风能,2012,5(22):80-83.
[2]王宝归,曹国荣,唐建平,等.大型风力发电机组的防雷保护[C]//中国农机工业协会风能设备分会2013年度论文集.2013.
[3] 戴启胜,张举良,郭飞.风力发电机组防雷技术研究与应用[J].电气制造,2013,9(12):42-45.
作者简介：吴景坛（1983.02）男，汉族，广东汕尾，本科学历，工程师，从事雷电防护技术研究和雷电安全保障技术服务工作。
