風(fēng)電機(jī)組葉片、電子器件及人員防雷研究*

文 | Bruce Glushakow

葉片是用于捕風(fēng)的部件。葉片越長，捕風(fēng)能力越大，從而能將更多的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電力，這很好地解釋了風(fēng)電機(jī)組葉片更大和更長的發(fā)展趨勢。隨著葉片的加長，塔筒也需要更高。文獻(xiàn)證明，塔筒越高，發(fā)生雷擊的概率會隨之增高。IEC 61400-24最早提出保護(hù)風(fēng)電機(jī)組免受雷擊損害的標(biāo)準(zhǔn)化措施，在2002年國際電工委員會所作的一篇技術(shù)報(bào)告中被提出，2010年獲批成為國際標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)電行業(yè)對于這類標(biāo)準(zhǔn)的需求是明確的。一篇1996年的研究顯示，僅德國在1992年到1995年間平均每年發(fā)生135起雷擊事件。2006年的IEEE風(fēng)能特刊報(bào)道稱，每年有10%～14%的風(fēng)電機(jī)組受到雷擊損壞，其中1/3是直擊雷造成的，且遭直擊雷損壞葉片的維修費(fèi)用最高。

今天，損壞比例比標(biāo)準(zhǔn)頒布之前更高。據(jù)為可再生能源項(xiàng)目提供保險(xiǎn)的Gcube保險(xiǎn)公司（一家國際著名的保險(xiǎn)公司）介紹：在2012年美國全年的風(fēng)電機(jī)組保險(xiǎn)索賠中，41.4%是雷擊損壞葉片，每筆平均賠償額為24萬美元。Gcube 保險(xiǎn)公司在2017年的另一篇題為《冒險(xiǎn)商業(yè)：評估陸上風(fēng)力開發(fā)》的報(bào)告中說：全球范圍內(nèi)，風(fēng)電行業(yè)每年有近4000起葉片損壞事故，每起的損失近100萬美元，而雷擊是這些損壞最主要的原因。

最近發(fā)布在《可再生與可持續(xù)能源評論》上關(guān)于風(fēng)電機(jī)組損壞最全面的研究顯示：盡管少于雷擊損壞的1/3（其他由電網(wǎng)感應(yīng)或雷擊附近地面造成），直擊雷損壞葉片造成的損失是最大的，且對軸承、發(fā)電機(jī)、變槳控制以及葉片本身都有非常大的損害。

國際協(xié)會的Certified Home Inspector證實(shí)：與雷擊關(guān)聯(lián)最密切的風(fēng)電機(jī)組組件遭受損壞的頻率最高；尤其是控制和電子系統(tǒng)，還有就是昂貴的葉片和轉(zhuǎn)子。

受雷擊損害嚴(yán)重的日本風(fēng)電行業(yè)，已經(jīng)注意到了IEC 61400-24的不足[8]。歐洲和美國的研究者對其差異化做了詳細(xì)的報(bào)告（比如風(fēng)電場經(jīng)歷雷擊事件比標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測的高6倍之多，其中98%是從葉尖引發(fā)的上行雷擊）。

表1 對每臺風(fēng)電機(jī)組損壞事故的保守估計(jì)［6］，其他報(bào)告所顯示的損壞頻率更高

他們已經(jīng)對IEC防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中采納的雷擊電流分布情況提出了問題。

毫無疑問，當(dāng)一家大型可再生能源保險(xiǎn)公司的總裁觀察到“整個(gè)行業(yè)在減少雷擊風(fēng)險(xiǎn)方面幾乎無能為力”時(shí)，這種持續(xù)損害已經(jīng)造成了巨大的恐慌。本文要說的是：有很多事情可以做，首先應(yīng)該從審視旨在消除雷擊損害的標(biāo)準(zhǔn)開始。

加強(qiáng)IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《韋伯斯特》字典的定義，標(biāo)準(zhǔn)是適合于某一特殊目的之適當(dāng)?shù)乃交蛸|(zhì)量程度。如果IEC 61400-24的目的是保護(hù)風(fēng)電機(jī)組免受雷擊損壞，則前面的數(shù)據(jù)表明：IEC 61400-24執(zhí)行的步驟和策略有缺陷[12]，所有利益攸關(guān)方都有義務(wù)幫助改進(jìn)這一標(biāo)準(zhǔn)。以下是改進(jìn)這一標(biāo)準(zhǔn)的若干建議。

一、透明是必需的

因?yàn)橹圃焐虄A向于掩蓋事實(shí)，要搜集風(fēng)電機(jī)組損壞的重要數(shù)據(jù)是非常困難的。IEC 61400-24第一版收錄了整整8頁致力于找出風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞的數(shù)據(jù)。它按國家、風(fēng)電機(jī)組的尺寸、季節(jié)和地形類型對損失進(jìn)行了分類，并且按部件和損壞的成本分別給出故障的數(shù)量和頻率；詳細(xì)列出這些事故對能源生產(chǎn)的影響并描述老化風(fēng)電機(jī)組的損壞率。得出的結(jié)論為，2002年以前“7%到10%的雷擊事故涉及葉片損害……43%到51%的雷擊事故涉及控制系統(tǒng)損壞……相比于一般故障，雷擊故障造成了40%或更多的能源損失以及20%及以上的停機(jī)時(shí)間”[13]。但在IEC 61400-24的改寫/修訂版中，所有此類信息都被刪除了。2013年，一份由英國衛(wèi)生和安全執(zhí)行（HSE）與美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）聯(lián)合發(fā)起的研究發(fā)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)沒有全面、公開可利用的包含實(shí)際風(fēng)電機(jī)組事故的數(shù)據(jù)，這是因?yàn)橹圃焐痰纳虡I(yè)關(guān)切使得制造商、經(jīng)營者、研究組織和貿(mào)易協(xié)會匯編的許多數(shù)據(jù)成為專有或機(jī)密的。報(bào)告總結(jié)道：“制造商不愿意公布事故數(shù)據(jù)”，當(dāng)前沒有風(fēng)電機(jī)組事故的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可供風(fēng)電機(jī)組可靠性判斷以及風(fēng)險(xiǎn)評估。這種情況在2018年依然如故。這樣的保密工作在其他任何能源行業(yè)都是沒有的。

為了準(zhǔn)確地評估IEC 61400-24的有效性，風(fēng)電行業(yè)需要提供這些可用數(shù)據(jù)。據(jù)為世界上最大的風(fēng)電機(jī)組制造商之一工作的兩名電氣工程師介紹，在他們熟悉的2.5萬臺風(fēng)電機(jī)組中，平均每年每臺風(fēng)電機(jī)組會出現(xiàn)兩次故障，也就是說一年會發(fā)生5000次。雖然瞬態(tài)電涌（包括雷擊造成的電涌）被認(rèn)為是造成這種損壞的頭號原因，但這些信息并沒有制成可供使用的表格，也沒有廣為人知。

由于目前雷擊是風(fēng)電機(jī)組最大的損壞來源，因此，IEC 61400-24應(yīng)該要求建立風(fēng)電機(jī)組事故和損壞事件的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化，以便進(jìn)行同類的比較，并使數(shù)據(jù)收集對風(fēng)電機(jī)組業(yè)主/運(yùn)營商來說變得更加容易。同時(shí)在沒有任何掩蓋的前提下，適當(dāng)考慮制造商和經(jīng)營者對知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)切。由于公眾對風(fēng)電機(jī)組事故的安全關(guān)切，以及已經(jīng)投入大量公共資金用于風(fēng)電機(jī)組的研究和開發(fā)，構(gòu)建這一數(shù)據(jù)庫是非常必要的。在幾乎每一個(gè)國家，公共資金繼續(xù)以減稅和能源價(jià)格補(bǔ)貼的形式用于風(fēng)能。建立數(shù)據(jù)平臺費(fèi)用可由制造商承擔(dān)，作為滿足IEC 61400-24要求的條件，他們的事故和損壞事件應(yīng)該予以充分披露。換句話說，那些不參與或不提供必要數(shù)據(jù)的廠家將被視為違反標(biāo)準(zhǔn)。

二、應(yīng)考慮刪除雷電保護(hù)等級（LPL）和雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估

IEC 61400-24的出臺使風(fēng)電行業(yè)時(shí)刻在忙于做評估、選擇防雷等級和確定防雷區(qū)域等工作。將于2019年生效的IEC 61400-24 第2版第6.2條包含一個(gè)系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)要客戶根據(jù)預(yù)算在4個(gè)防雷等級中做選擇。該標(biāo)準(zhǔn)建議，如果使用LPL 1（一級防雷保護(hù)）的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)99%保護(hù)；LPL 2（二級）則相應(yīng)減少，只有75%的時(shí)間能滿足防雷條件；LPL3和LPL 4只能保證50%。主流風(fēng)電機(jī)組制造商都使用LPL 1作為基準(zhǔn)，但如上所示，即使使用LPL 一級保護(hù)的參數(shù)，風(fēng)電機(jī)組仍在遭受持續(xù)嚴(yán)重的損害。

要確定雷電保護(hù)等級，首先需要根據(jù)IEC 61400-24 第2版中第7節(jié)內(nèi)容評估風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)?；痉匠淌牵?/p>

式中，Rx是機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)值， Nx是年雷擊次數(shù)，Px是造成結(jié)構(gòu)損壞的概率，Lx是每個(gè)事件導(dǎo)致的損失（金額）。

雷擊次數(shù)會影響單臺機(jī)組乃至風(fēng)電場。 第7.2.1條將這些分為以下類別，每個(gè)類別分別考慮和計(jì)算：ND[year-1]代表每年雷電發(fā)生在風(fēng)電機(jī)組上的數(shù)量，NM[year-1]代表每年雷電發(fā)生在機(jī)組350m內(nèi)的數(shù)量，NL[year-1] 代表每年雷電發(fā)生在機(jī)組服務(wù)線路上的數(shù)量，NI[year-1]代表每年雷電發(fā)生在與機(jī)組相連的附近服務(wù)線路上的數(shù)量，ND,b[year-1]為雷電發(fā)生在與原風(fēng)電機(jī)組相連的其他機(jī)組或結(jié)構(gòu)上的數(shù)量（可能風(fēng)電機(jī)組位于與100個(gè)或更多其他機(jī)組連接的風(fēng)電場中）。

這些分類即使是使用最模糊的精準(zhǔn)度，也很難實(shí)際地測量和計(jì)算。在雷電計(jì)數(shù)中并未包含因?yàn)闄C(jī)組本身的高度而引發(fā)的高強(qiáng)度雷電的數(shù)量，而這對雷電數(shù)量預(yù)測來說是十分重要的。也就是說，雷電會擊中那些遠(yuǎn)離雷電區(qū)域的機(jī)組。這些分類也缺少隨著機(jī)組高度變化雷電數(shù)量隨之不同的數(shù)據(jù)。機(jī)組設(shè)置得越高，雷電越多，強(qiáng)度越大。而葉片本身的旋轉(zhuǎn)會顯著增加雷擊的概率也已經(jīng)得到證實(shí)。實(shí)際上，我們會發(fā)現(xiàn)機(jī)組所受的雷擊數(shù)量要比根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測的多600%。

IEC61400-24標(biāo)準(zhǔn)的編寫者自己也意識到了這一點(diǎn)。 7.1條明了“錯(cuò)誤的輸入必然導(dǎo)致錯(cuò)誤的輸出”的道理，并提醒讀者不要對風(fēng)險(xiǎn)評估程序的準(zhǔn)確性有過高的期望。第7.2.2條告誡：“對于復(fù)雜的環(huán)境條件，可能會出現(xiàn)很高的預(yù)測誤差。”（復(fù)雜的環(huán)境條件描述的正是大多數(shù)風(fēng)電場的現(xiàn)場條件。）第7.1條建議僅使用LPL 1作為默認(rèn)值，以尋找避免完全使用風(fēng)險(xiǎn)評估程序的方法。這有點(diǎn)道理，然而即使是LPL 1也沒有實(shí)現(xiàn)有效的防雷保護(hù)。

美國宇航局（NASA）在幾十年前已經(jīng)找出對風(fēng)電機(jī)組雷電風(fēng)險(xiǎn)評估最有用且可論證的因素，即大風(fēng)區(qū)域通常伴隨高頻率的閃電。NASA編制的地圖顯示，在大多數(shù)風(fēng)密度高的地區(qū)，每年有30天以上的雷電天數(shù)[18]。假如已將風(fēng)電場建設(shè)在風(fēng)密度相對較高的地區(qū)，那么雷擊已然成為一個(gè)顯而易見的威脅。而每年每公里有25或50次雷擊對雷電保護(hù)策略或成本并沒有差別，所以，沒有必要通過復(fù)雜化的過程制定標(biāo)準(zhǔn)，像雷電保護(hù)評級（LPLs） 這種流程對風(fēng)電機(jī)組沒有實(shí)際意義。

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)人員沒必要忙于遵循不可行的策略。應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)中刪除LPL和風(fēng)險(xiǎn)評估，或者根據(jù)本節(jié)前面提到的因素和參考條件創(chuàng)建新的雷電預(yù)測工具，或者以早期NASA制定的標(biāo)準(zhǔn)為參考，將所有的風(fēng)電機(jī)組都?xì)w類為最高風(fēng)險(xiǎn)類別。

三、人員保護(hù)：滾球法和防雷區(qū)（LPZ）

（一）滾球法

防雷等級對風(fēng)電機(jī)組防雷具有另一個(gè)重要影響。 每個(gè)LPL的最小雷電流值用于推導(dǎo)滾動(dòng)球半徑，而滾動(dòng)球半徑又用于定義防雷區(qū)——理論上能和不能直接被雷擊的區(qū)域。在這種情況下，根據(jù)當(dāng)前不完善的雷電保護(hù)等級估計(jì)一個(gè)假設(shè)的雷電流概率成為確定滾球半徑的依據(jù)。在本文的調(diào)研過程中，沒有發(fā)現(xiàn)在風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用滾球系統(tǒng)時(shí)關(guān)于其準(zhǔn)確性和有效性的文章。

在風(fēng)電機(jī)組防雷保護(hù)中，使用滾球法甚至比LPL保護(hù)更成問題。眾所周知，95%的雷擊都發(fā)生在機(jī)組的葉片上，而IEC 61400-24第2版，條款8.2.4.1認(rèn)為滾球法“不適用于葉片”。那么，滾球法對于機(jī)組的雷電保護(hù)又有什么意義？

圖1展示了IEC 61400標(biāo)準(zhǔn)中滾動(dòng)球的變化過程，圖2展示了世界上某一著名的風(fēng)電機(jī)組制造商對滾球法的應(yīng)用。

（二）LPZ（避雷區(qū)）

IEC 61400-24雷電保護(hù)區(qū)概念完全是從IEC 62305系列中引入的。提出LPZ概念的初衷是把一個(gè)建筑物分為一系列相互嵌套的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)連續(xù)的危險(xiǎn)較小的電磁環(huán)境。IEC 62305-1中首次出現(xiàn)滾球法時(shí)，建筑物高度定義在20～60m。而現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組設(shè)置的高度是那些建筑的3～4倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了當(dāng)初額定的高度范圍。

LPZ概念近30年來已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)建筑物。Rakov和烏曼在編寫其百科全書《閃電物理學(xué)和效應(yīng)》時(shí)，曾尋找統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以確認(rèn)滾球法的有效性，然而他們沒能找到任何證據(jù)。在2017年和2018年的進(jìn)一步尋找中，依然沒有結(jié)果。很明顯，沒有研究能夠證明IEC 62305 的LPZ系統(tǒng)應(yīng)用于哪怕是簡單結(jié)構(gòu)中的可用性。

就風(fēng)電機(jī)組而言，有些距離敏感電子設(shè)備不到一米，由于頻繁的直擊雷電，避雷區(qū)的概念幾乎沒有任何意義。正如在下一節(jié)中會看到的，它還會置人于死地。

圖1 IEC 61400-24中滾球法的演變和避雷區(qū)（LPZs）

圖2 應(yīng)用到維斯塔斯風(fēng)電系統(tǒng)的滾球

圖3 IEC 61400-24關(guān)于人員安全的危險(xiǎn)提議

（三）保護(hù)在風(fēng)電機(jī)組上的人員

雷電危險(xiǎn)對于所有在風(fēng)電機(jī)組上的人而言都是致命的，在雷電發(fā)生時(shí)，行動(dòng)指南必須是明確而具體的，不能存在任何誤解或歧解。

IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)從未包含類似的說明。

通過審視演變過程能看到把標(biāo)準(zhǔn)中的滾球法和LPZ系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的困難。2002年的版本里有一則“在雷暴天氣下不得施工”的提醒，盡管在圖1-A中做了些調(diào)整，并告之圖中灰色區(qū)域的任何地方在閃電風(fēng)暴發(fā)生時(shí)對人員來說都是安全的，包括在機(jī)艙下面的任何地方或機(jī)艙頂部的風(fēng)速計(jì)區(qū)域。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)也包含不實(shí)的保證，如圖3所示，即“在雷暴期間，塔內(nèi)的任何平臺都是安全避難所；因?yàn)檫@座塔是一個(gè)近乎完美的法拉第籠子，筒狀塔內(nèi)的平臺也一般被視為安全地點(diǎn)”。這兩種說法都是謊言，應(yīng)當(dāng)刪除。人們無法想象標(biāo)準(zhǔn)的編寫者在雷暴中于那些鋼鐵平臺上有過真正的體驗(yàn)。

2018版的標(biāo)準(zhǔn)可能會更加危險(xiǎn)，因?yàn)樵陲L(fēng)電機(jī)組中哪些區(qū)域?qū)θ耸前踩?、哪些區(qū)域不安全完全決定于制造商。

IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)合理功能應(yīng)該是，為人員在風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的安全區(qū)域建立具體的導(dǎo)則。在美國，當(dāng)報(bào)道雷電距離風(fēng)電場大約40公里時(shí)，人員立即從風(fēng)電機(jī)組撤離直到雷暴結(jié)束。在標(biāo)準(zhǔn)可以確定風(fēng)電機(jī)組內(nèi)人員實(shí)際安全的區(qū)域并加以驗(yàn)證之前，一個(gè)更負(fù)責(zé)的指南應(yīng)如英國風(fēng)能協(xié)會的健康與安全指南：“如果風(fēng)電場預(yù)報(bào)有雷暴或者雷暴天氣趨勢，所有的操作人員應(yīng)該迅速撤離” ，或者像NASA：“風(fēng)電機(jī)組周圍的人員在雷暴發(fā)生時(shí)將會非常危險(xiǎn)，最安全的做法是撤離現(xiàn)場”那樣規(guī)定。

電涌保護(hù)

一、瞬態(tài)電涌：雷電或其他

除了直擊雷損壞葉片外，附近雷擊和其他電磁脈沖感應(yīng)的電流和電壓也足以損壞脆弱的電子元件。沿風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)，這種感應(yīng)電涌可能產(chǎn)生超過100000伏特/米的電場，而只需高于正常工作電壓幾伏特就能破壞很多電子元件[24]。內(nèi)部產(chǎn)生的瞬態(tài)電涌是風(fēng)電場中最常見的電能質(zhì)量干擾[28]。這種瞬態(tài)電涌發(fā)生在風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)和關(guān)閉、電容器組切換以及其他故障狀況期間，對于敏感設(shè)備具有破壞性的影響[29][30]。破壞性瞬態(tài)電涌也可能源于變槳控制系統(tǒng)、變壓器和斷路器的操作以及附近雷擊通過接地系統(tǒng)的感應(yīng)。由于此類瞬態(tài)電涌導(dǎo)致的破壞事件數(shù)量是其他原因的兩倍，因此對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行防雷保護(hù)，需要考慮所有瞬態(tài)電涌的來源。風(fēng)電機(jī)組中各種瞬態(tài)現(xiàn)象的典型頻率范圍可以在相關(guān)參考文獻(xiàn)中看到。

二、風(fēng)電機(jī)組電涌保護(hù)故障

所有的電涌保護(hù)策略都是基于一個(gè)原則，即過電壓必須通過旁路于電子設(shè)備的低阻抗路徑泄放入地。風(fēng)電機(jī)組電涌保護(hù)故障主要有以下三個(gè)來源：

（1）對雷電威脅的嚴(yán)重程度估計(jì)不足。例如：在風(fēng)電機(jī)組處出現(xiàn)200kA的雷擊電流而安裝的卻是40kA的SPDs；

（2）忽略了關(guān)鍵的保護(hù)模式。風(fēng)電機(jī)組通常不采用直接的相對地保護(hù)措施，忽略這種保護(hù)措施則使關(guān)鍵的控制部件受到多種來源的威脅。風(fēng)電機(jī)組外的大地通過10kA的雷擊電流，測量到了6kV的過電壓——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)備的耐受量。風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、變槳控制裝置和斷路器可以而且確實(shí)向風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)注入了瞬態(tài)電涌，但由于沒有專門的相對地保護(hù)，風(fēng)電機(jī)組的電子設(shè)備要承受很大壓力；

（3）雷擊的多脈沖特性被忽視。80%以上的雷電是由2～10個(gè)脈沖組成的。采用的電涌保護(hù)器做不到在幾微秒內(nèi)對多個(gè)脈沖做出反應(yīng)，這將置風(fēng)電機(jī)組的電子設(shè)備于危險(xiǎn)之中，這其中包括采用空氣或氣體介質(zhì)的火花間隙電涌保護(hù)器。

風(fēng)電機(jī)組的避雷系統(tǒng)為何不能保護(hù)葉片

在本文撰寫的時(shí)候，世界最高的在役風(fēng)電機(jī)組是246.5米（從地表到葉尖）。一臺200米高的風(fēng)電機(jī)組的葉片相對于地面可以承受1億伏的電壓，而雷擊所攜帶的峰值電流（200kA以上）是其重要的能量來源。如果一個(gè)防雷系統(tǒng)不能通過低阻抗路徑將這種能量安全地分流入地，就會造成很大的破壞。對LPS的挑戰(zhàn)是，當(dāng)任何一個(gè)電涌遇到傳導(dǎo)路徑中斷時(shí)，都會立即出現(xiàn)大于預(yù)期的電壓和電流。這種阻抗是葉片炸裂、閃絡(luò)以及發(fā)電機(jī)和軸承毀壞的背后機(jī)制。

今天防雷系統(tǒng)仍沿用本杰明·富蘭克林200年前提出的三個(gè)功能：截獲、向下傳導(dǎo)及導(dǎo)入大地。這需要一個(gè)由三部分組成的結(jié)構(gòu)：接閃點(diǎn)、引下線、接地系統(tǒng)。有關(guān)風(fēng)電機(jī)組接地系統(tǒng)、接閃點(diǎn)和嵌入葉片內(nèi)的導(dǎo)體的文獻(xiàn)充滿了相關(guān)信息和實(shí)用指南，被忽略的是在這兩者之間的連接。作為一個(gè)避雷系統(tǒng)，接閃點(diǎn)和接地之間必須有良好的電氣連接，但是，在風(fēng)電機(jī)組中情況并非如此。

一、風(fēng)電機(jī)組高阻抗的雷電防護(hù)系統(tǒng)

當(dāng)雷電擊中風(fēng)電機(jī)組葉片時(shí)，它只有一個(gè)去處：進(jìn)入大地。在風(fēng)電機(jī)組的LPS中，阻抗（z）是雷電電流在其從接閃點(diǎn)到大地路徑上所遇到的全部阻力。LPS的目的是為雷電能量提供一條低阻抗路徑，以防止累積高電壓和過高的熱量。在排除其他類型結(jié)構(gòu)中的阻抗問題時(shí)，防雷專家通常會關(guān)注高阻值的接地線、與接地系統(tǒng)的連接處被腐蝕或連接不好。然而由于風(fēng)電機(jī)組的情況特殊，需要開闊思路。風(fēng)電機(jī)組要考慮歐姆定律的一種特殊形式：

構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組阻抗的兩個(gè)因素是電阻（R）和電感（L），電阻與引下線導(dǎo)體的材料有關(guān)。例如，銅被認(rèn)為是比鋼更好的導(dǎo)體，因?yàn)樗碾娮枋卿摰?/10。在給定的引下線中，電阻也會隨接地鋼帶或電纜的截面積和長度而變化。根據(jù)歐姆定律，當(dāng)電阻趨向于零時(shí)，通過導(dǎo)體流向大地的雷電流趨向于無窮大，這是LPS的期望狀態(tài)。

除電阻外，影響風(fēng)電機(jī)組阻抗最大的因素是電感。電感是當(dāng)雷電流通過風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)系統(tǒng)而被中斷或遇到某些其他干擾時(shí)發(fā)生的。隨著電流沿結(jié)構(gòu)下行（速度接近每秒3億米），風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部和周圍的磁通量會發(fā)生變化。變化的磁場在結(jié)構(gòu)周圍建立了干擾，對抗雷電流流向大地。在風(fēng)電機(jī)組上可以有很多地方產(chǎn)生電感，但這里只討論兩個(gè)：筒狀塔身鋼構(gòu)件之間的連接和主軸軸承（連接輪轂和機(jī)艙）。

圖4 雷電電流連續(xù)泄放入地但受到干擾

圖5 A－從機(jī)艙看到的風(fēng)電機(jī)組主軸承B－典型風(fēng)電機(jī)組軸承類型

二、鋼塔部分

支撐高層風(fēng)電機(jī)組的塔通常由長20～30m的圓錐形鋼件構(gòu)成。一座塔可能有多達(dá)5個(gè)這樣的部分，用螺栓固定在一起。

IEC 62305-3給出了有關(guān)引下線的合理建議，包括用盡可能多（絕不能少于2條）的平行引下線保護(hù)塔筒。根據(jù)定義，每個(gè)導(dǎo)體都應(yīng)該是“電連續(xù)的”。IEC 61400-24忽視了該建議，允許使用鋼塔筒本身作為風(fēng)電機(jī)組的主要保護(hù)引下線（第2版，9.3.2條）。從結(jié)構(gòu)上講，這些巨大的鋼筒一個(gè)落在另一個(gè)上面，除了幾個(gè)M-30螺栓，并沒有其他的結(jié)構(gòu)將它們固定連接在一起，這就有可能是一個(gè)高阻抗的連接。圖4-C中看到3個(gè)這樣的連接。IEC 61400-24毫無根據(jù)地假設(shè)，風(fēng)電機(jī)組塔身或多或少地提供了一條通往大地的電連續(xù)路徑。制造商知道這不是事實(shí)，并試圖通過在鋼筒構(gòu)件之間安裝導(dǎo)電夾或編帶以消除閃絡(luò)。目前還不清楚這種電氣連接到底有多好，但很清楚的是，這些塔段之間的高阻抗連接的影響在標(biāo)準(zhǔn)中沒有被考慮。

三、轉(zhuǎn)子和軸承

風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子與機(jī)艙的連接機(jī)構(gòu)是其主軸軸承（有時(shí)由滑環(huán)或電刷輔助）。圖5A是一張主軸軸承的照片（從機(jī)艙看向輪轂），指示了作為固定部件的機(jī)艙（外圈螺栓環(huán)繞）和旋轉(zhuǎn)部件的輪轂。該軸承不但必須支撐輪轂和葉片的巨大負(fù)荷，而且要使它們在連接到固定機(jī)艙時(shí)能夠旋轉(zhuǎn)。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的型號和尺寸，軸承可能是如圖5-B所示的類型之一。它們都不能提供很好的電氣連接，這就是問題所在。

風(fēng)電機(jī)組的葉片是雷擊最多的地方，雷擊發(fā)生時(shí)，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)就變成了雷電流泄放路徑的一部分。主軸軸承正好位于該路徑的中心，成為一個(gè)非常高的阻抗結(jié)。葉片采用的泄放雷電流的裝置與50年前的裝置沒有不同：要么通過軸承傳導(dǎo)全部電流，要么嘗試通過分流導(dǎo)線或滑環(huán)來轉(zhuǎn)移部分電流，而兩者都不能提供低阻抗連接。

這到底有多重要？雷擊損壞葉片已經(jīng)被認(rèn)為是風(fēng)電機(jī)組最昂貴的損失——可能是報(bào)道的兩倍。先前引用的HSE/NREL研究訴苦道：“大多數(shù)情況下，有關(guān)故障的信息不是由業(yè)主和運(yùn)營商提供的?！笨此评讚粢酝獾娜~片損壞，如設(shè)計(jì)缺陷、磨損和機(jī)械缺陷，也可能歸因于雷擊。試想：當(dāng)雷擊中風(fēng)電機(jī)組，電壓升高到百萬伏，溫度升高到30000℃時(shí)，會發(fā)生什么？這些機(jī)械和熱應(yīng)力會隨著時(shí)間的推移而持續(xù)，在服役幾年之后，當(dāng)葉片在一個(gè)晴朗美麗的夏日發(fā)生了事故，即使檢查員必須把失誤歸咎于維修不善，但其實(shí)上，雷電才是真正的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)葉片在雷擊下融化或爆裂時(shí)，這些損害與峰值電流水平成正比。然而不僅僅是電流強(qiáng)度，電流的持續(xù)時(shí)間在產(chǎn)生和消散熱量中也起著決定性的作用。IEC 62305-1附件D（模擬閃電對LPS元件影響的測試參數(shù)）中提到了這一點(diǎn)，但得出的結(jié)論是，“在大多數(shù)情況下，脈沖電流的持續(xù)時(shí)間太短以至于加熱過程可以被認(rèn)為是絕熱的?！盵2]這對于接近無阻抗的固體銅引下線無疑是正確的，但對于上面提到的高阻抗連接或葉片來說則是不正確的，對葉片電流持續(xù)時(shí)間的忽略是代價(jià)高昂的。葉片的熱和電壓積聚是由阻抗和部件連接界面決定的。如果雷電放電迅速抵達(dá)低阻抗引下線并從那里入地，葉片就不太可能被損壞。只有當(dāng)LPS包括高阻抗部件和連接時(shí)，才會得到異常高的電壓和溫度。

圖4顯示了雷電擊中風(fēng)電機(jī)組葉片（A）。如果安裝足夠的引下線，電流將會迅速連續(xù)平穩(wěn)地流入大地，在接地系統(tǒng)（D）中消解。在世界范圍內(nèi)，LPS系統(tǒng)已經(jīng)證明了僅做這項(xiàng)工作就可避免結(jié)構(gòu)的損壞。保險(xiǎn)公司對于安裝了避雷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)降低保費(fèi)，是因?yàn)檫@是一個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的防止結(jié)構(gòu)損壞的保護(hù)策略。但是由于上述解釋過的原因，在實(shí)際使用的風(fēng)電機(jī)組中情況并非如此。

尋求減少葉片損壞的研究已經(jīng)把注意力放在葉片的材料和形狀，以及在葉片的哪個(gè)位置安裝接閃點(diǎn)與每支葉片安裝多少個(gè)傳導(dǎo)器上。而更大的問題（高阻抗的引下線）被普遍忽視了。當(dāng)前應(yīng)用的大多數(shù)葉片避雷系統(tǒng)如果是通過一個(gè)低阻抗的引下線連接入地的話，它們是會發(fā)揮作用的。與其他避雷系統(tǒng)不同的是：風(fēng)電機(jī)組避雷系統(tǒng)在接閃點(diǎn)和大地之間沒有可靠的電氣連接，轉(zhuǎn)子和機(jī)艙之間的電連接中斷，各塔段之間的連接又使中斷更進(jìn)了一步。

這些連接點(diǎn)承載一定量的電流，同時(shí)也產(chǎn)生干擾和中斷。這種干擾好像給電荷流動(dòng)增加了“粘度”（阻力），因而帶來兩種效果：減緩電流的消失（盡管這種減緩很短暫）；聚集熱量、升高電壓水平造成閃絡(luò)放電的發(fā)生。這兩者都導(dǎo)致葉片損害而使風(fēng)電機(jī)組停止運(yùn)行，以及高達(dá)20多萬美元的維修賬單。

結(jié)論

直接和間接雷擊的影響造成至今最具破壞性的事故、最長的停機(jī)時(shí)間以及最高昂的維修費(fèi)用。制造商和風(fēng)電場運(yùn)營商希望以IEC 61400-24為指導(dǎo)，提高風(fēng)電機(jī)組的安全和效率，但是由于對事故和損壞時(shí)間缺乏具有足夠透明度的披露，風(fēng)電機(jī)組防雷保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)難以發(fā)揮它應(yīng)有的作用。需要搭建風(fēng)電機(jī)組損壞和事故數(shù)據(jù)平臺，以確定擬議的IEC 61400-24保護(hù)措施的可行性。此外，標(biāo)準(zhǔn)中少數(shù)不適用于風(fēng)電機(jī)組的部分應(yīng)該予以刪除。

本文提出了三條改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組電涌保護(hù)的建議以及一條關(guān)于保護(hù)風(fēng)電機(jī)組處人員生命安全的緊急提議。最后，探究了風(fēng)電機(jī)組LPS設(shè)計(jì)中的最大問題，即轉(zhuǎn)子與大地之間的高阻抗連接。這個(gè)問題包括采用電連續(xù)的專用引下線、改善塔段之間的高阻抗連接問題，以及解決輪轂與機(jī)艙之間的高阻抗連接問題。風(fēng)電機(jī)組LPS系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)人員應(yīng)該把解決旋轉(zhuǎn)輪轂和大地之間真正的低阻抗連接放在他們優(yōu)先事項(xiàng)清單的首位。

或許遵循本文的電涌保護(hù)建議，并且通過在輪轂和大地之間建立一個(gè)低阻抗連接，能加強(qiáng)LPS的性能，許多當(dāng)前困擾風(fēng)電行業(yè)的問題會減少或消失。