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摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，风力发电厂建设也越来越多。为提高风力发电系统的防雷水平，本文基于当前国内风力发电系统防雷技术现状，分析了风电机组防雷设计的几种主要设计方法，以及存在的主要问题，提出了一些改进策略，并结合自身工作经验总结了一些风电厂防雷的新思路，以期有助于提高风力发电系统的防雷水平，更好地保障风力发电系统的安全连续可靠运行。
关键词：风力发电；叶片；接闪；雷电；防雷设计
引言
风能清洁的可再生能源，如何开发与利用好风能资源是能源可持续发展的重中之重。有助于降低全球二氧化碳等温室气体的排放，改善我们赖以生存的自然环境。
1雷击危害
（1）直击雷对风电机组的危害。若物体直接遭受到雷击，会在一瞬间接收到十分强大的电流，在雷击点某个范围内，电流产生的热效应导致温度骤然上升，其热量足以融化金属。风力发电机组遭受雷击时，会将雷电流引入大地，由于雷电流具有高幅值的特性，雷击点的温度在短时间内大幅度上升，且无法做到迅速冷却，极有可能融化损毁风力发电机的装置，此时机舱内产生大量水汽并迅速膨胀，严重时可能导致发电机爆炸，给发电厂造成巨大的损失。（2）间接雷击的危害。静电感应对风电机组的危害。雷云聚集时，风力发电机的外壳会附着许多感应电荷，产生雷暴现象的过程中，先导通道中的电荷与地表电性相反的电荷发生碰撞，从而中和了风力发电机的电性，感应电荷没有了约束，变成能自由移动的电荷。自由电荷处于游离状态，没有固定的移动方向，不能在短时间内离开发电机，会在局部产生较大的电位差。自由电荷经过风塔被引入大地的过程中，由于高电压的产生，在某些接触不良的金属部件之间会引起电火花，导致设备发生故障，并且存在火灾隐患。（3）电磁感应对风电机组的危害。雷击灾害发生时，风塔将雷电流引入大地，风塔内部会形成一个强大的暂态脉冲磁场。由电磁感应定律可知，周围的设备受脉冲磁场的影响，会出现过电压和过电流，导致风塔内的电子设备出现故障，无法进行操作。（4）雷电反击对风电机组的危害。发电机组与附近设备共用一套接地体，雷电击中风电机组时，接地体中有强大的雷电流通过，电位也随之升高。雷电反击现象会导致多个金属体之间出现连锁反应，对设备甚至人身安全造成严重威胁。暂态电位升高使接地体周围土壤的电压下降，地面的不同两点之间出现电位差，电位差增大到一定程度时，若有人员经过时可能发生跨步电压和接触电压触电，存在巨大的安全隐患
2风电机组防雷技术新思路
2.1风电场进行整体防雷
对于风电场总体防雷而言，通常借助雷击电气几何参数与电场强度特点，可以将风电场作为一个整体，充分考虑工况环境诸如地形、地势以及相应的气象条件等，同时需要充分考虑经济性。对于容易被雷击的位置，可以设置多个独立的接闪针塔。假如雷电接近风电场时，这时塔顶设置的独立接闪针，可以使雷电发生在接闪针塔上，因此可以有效地使电气系统免遭破坏。
2.2风力发电机组的接地措施
接地系统是做为快速分散消溃雷电流和防止风电机组因雷击而损坏的有效措施，亦可用来保护地面及维护人员免受雷击。雷电流通过风机本身的防雷引下装置进入接地装置，散流于大地，较好的接地系统是能够保证雷击过程中风电机组安全的必备措施。较为常规的为水平与垂直接地导体，水平接地体多采用-60×6热镀锌扁钢（不同风场应结合地勘报告实际考虑），若考虑沿集电线路路径方向，逐台风机接地系统和风场整个接地系统连为一体，形成整个风场综合接地网。整个风电场的接地电阻将大大降低，减少了风电场中分散各处构筑物间的电位差。但此方法直接导致工程造价偏高，且受施工场地影响较大。
2.3主动避让雷电
可以通过天气预报加强雷电预警，假如有风雨进入风电场时，可以让风机及时地停止工作，与此同时使风机浆叶处于不容易接闪的位置，由此可以极大地避免浆叶被雷击。假如风机处于高速运转状态，比如处于暴风雨的环境中，由于其浆叶位置不确定，容易被雷击，与此同时，当叶片与机舱处于运转状态下往往不利于导流。此外，由于运动的风机，其浆叶具有加大的转速，因此转动惯量相对较大，当其遇到雷电流时，不仅会出现巨大的机械振动，而且产生大量的热，从而损坏风叶。当风叶处于静止状态时，实现接闪，那么受损率非常低，并且比较容易修复。与此同时，可以及时将电气设备断电，从而可以防止雷电流向其他风机组传递，进而最大限度地避免设备的损坏。
2.4对雷电感应的防护措施
（1）过电压保护。雷电击中发电机时，会在极短的时间内产生较强的电压电流，过电压保护是在一定区域范围内，确保导电部件之间的电位处于相同水平，以电源传输线作为通道，将雷电流迅速引入大地。在风机和箱变的电源传输线、信号传输线的关键部位，以及敏感设备的接口处，都要求配置电涌保护器，采用层层防护，抑制过电压的形成，使雷电流在瞬间快速通过，保护设备不受损坏。（2）等电位联结。等电位联结具有均压屏蔽的功能，其原理是建立金属的法拉第笼，保护风力发电机组内部的设备，雷击现象会使设备之间产生电位差，等电位联结能够使电位恢复平衡并削弱机组内部的磁场强度。发电机内部的重要组件之间应建立等电位联结，例如主轴承、齿轮箱以及发电机等。（3）设置合理的警示标识。风力发电机组大多远离市区，处于无人出没的野外山区，风塔、升压站接闪杆等位置容易产生接触电压和跨步电压，有必要在附近设立警示牌，提醒经过的人员保持安全距离，避免发生触电事故。野外作业时必须明确天气信息，做好防护措施，禁止在雷电环境中操作。
2.5其他辅助设备
风电机组的机舱和其他设备（如轮毂、塔架），设计时应充分考虑雷击接闪能力，接闪器的选择上，应选择导电性较好、表面积较大的的金属构件。再将金属构件相互连接达到等电位，满足能将雷电流快速分散并传导到接地系统的目的。机舱外部安装的气象及侧风等仪表、航空障碍照明指示灯等外部设备，避雷针、引下线以及搭接线的安装尺寸要满足IEC62305-3的要求。
结语
综上所述，风电场作为一个整体，在进行设计的过程中必须做好各个环节的避雷措施，比如浆叶、机舱以及相应的电子系统。在进行设计时，不仅需要从整体上进行设计，而且必须充分考虑经济效益以及防雷效果等。现在，随着我国科技的不断进步，在设计防雷系统时，只有不断引入新的科技成果，才可以发挥更好的防雷效果，从而避免出现不必要的经济损失以及危害，为我国提供更多的新能源，实现经济的可持续发展。
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