風(fēng)電場(chǎng)雷擊事故原因分析與改進(jìn)建議

◎陳珊珊

（作者單位：國(guó)華能源投資有限公司）

隨著風(fēng)電機(jī)組容量的增加，風(fēng)機(jī)葉輪直徑和輪轂高度不斷加長(zhǎng)，雷電釋放的巨大能量將會(huì)燒毀風(fēng)機(jī)控制元器件、擊穿發(fā)電機(jī)絕緣和損壞葉片，雷擊成為危害風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的最嚴(yán)重自然災(zāi)害。本文通過(guò)詳述雷擊對(duì)風(fēng)機(jī)損害類型及成因，結(jié)合調(diào)研現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)雷擊事故，提出對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施。

一、雷擊對(duì)風(fēng)機(jī)影響概述

從世界范圍來(lái)看，各國(guó)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)都存在一定的雷災(zāi)問(wèn)題。隨著風(fēng)電單機(jī)容量和風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模的的逐年增加，風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定性問(wèn)題尤為突出，影響風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的原因眾多，其中雷電是風(fēng)機(jī)最為重要的影響因素之一。一方面，風(fēng)電場(chǎng)所處的自然環(huán)境通常比較空曠也極其惡劣，比如風(fēng)能資源充足的山區(qū)，近海和戈壁，這種自然環(huán)境可能存在高溫、高鹽霧程度、高濕度等問(wèn)題。與此同時(shí)該種環(huán)境中風(fēng)機(jī)的接地條件很復(fù)雜，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的土壤電阻率普遍很高，通過(guò)一般的接地設(shè)計(jì)很難將風(fēng)機(jī)的接地電阻控制在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。其次，風(fēng)機(jī)自身結(jié)構(gòu)高大，現(xiàn)今世界范圍內(nèi)新裝設(shè)的風(fēng)機(jī)，主用機(jī)型的容量通常在2.0-5.0MW之間，大部分新裝風(fēng)機(jī)高度已達(dá)100～160m，加之風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)槳葉的旋轉(zhuǎn)作用，使得風(fēng)機(jī)易被雷擊。再次，風(fēng)機(jī)葉片、發(fā)電機(jī)、電控系統(tǒng)等各部分構(gòu)造復(fù)雜，元器件靈敏度高，易受感應(yīng)過(guò)電壓的危害，由于內(nèi)部空間有限，與建筑物防雷類別，設(shè)備的安裝難以達(dá)到建筑物中所規(guī)定的最低的雷電安全距離，這對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部電子設(shè)備的防雷提出了更高的要求。關(guān)于雷擊導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組損壞問(wèn)題，不同的機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)略有差異，但是都表明雷電是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組損壞的主要原因之一，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明雷擊事故占風(fēng)電場(chǎng)自然事故中的3/5以上，嚴(yán)重威脅風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1995年，國(guó)際電工委員會(huì)就制定了IEC-61662標(biāo)準(zhǔn)。2006年，國(guó)際電工委員會(huì)重新修訂頒布雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，更名為IEC-62305。其主要內(nèi)容包括建筑物與服務(wù)設(shè)施的分類、雷電災(zāi)害與雷電損失、雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、防護(hù)措施的選擇以及建筑物與服務(wù)設(shè)施防護(hù)的基本標(biāo)準(zhǔn)等。同時(shí)IEC/TR-61400-24中也給出了防雷需要考慮的因素，主要內(nèi)容包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的雷擊災(zāi)害資料統(tǒng)計(jì)、雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)電設(shè)施和人員安全的雷電防護(hù)、風(fēng)機(jī)接地系統(tǒng)等內(nèi)容。

二、直擊雷對(duì)的風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的危害

風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過(guò)程實(shí)際上就是帶電雷云與風(fēng)電機(jī)組間的放電過(guò)程。雷電直接擊中風(fēng)電機(jī)組時(shí)，雷電流會(huì)在泄流通道產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，對(duì)風(fēng)電設(shè)施的葉片、齒輪、軸承和傳動(dòng)部件造成直接的損壞，引起葉片斷裂、著火，損壞齒輪軸承的表面加速其磨損。有的直擊雷直接擊中風(fēng)電機(jī)艙造成火災(zāi)，機(jī)組停運(yùn)甚至燒毀電機(jī)嚴(yán)重危害風(fēng)電系統(tǒng)的安全。雷電流參數(shù)中峰值電流、轉(zhuǎn)移電荷和電流陡度等都與風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊損壞有密切相關(guān)。在雷電流陡度相同的情況下峰值電流越高，在雷擊瞬間轉(zhuǎn)移的電荷越多，所攜帶的能量越大；雷電流陡度越大，泄放能量的時(shí)間越短，對(duì)與被擊中物體的損害越大。隨著風(fēng)電設(shè)施制造技術(shù)的不斷發(fā)展，風(fēng)電機(jī)的體積和高度不斷增加，風(fēng)電設(shè)施遭受雷擊的幾率也隨之加大。

1.直擊雷對(duì)風(fēng)機(jī)葉片造成損壞。

風(fēng)機(jī)葉片材料選擇由過(guò)去的木質(zhì)、鋼材、鋁材等，改進(jìn)成現(xiàn)在的復(fù)合材料。在結(jié)構(gòu)上分為根部、外殼和龍骨個(gè)部分，根部由于對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較大，一般材料為金屬結(jié)構(gòu)外殼部分，因?yàn)橐笾亓枯p一般為玻璃鋼或合成材料；而龍骨材料一般為又輕又結(jié)實(shí)的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這些設(shè)計(jì)雖然使得葉片更輕便結(jié)實(shí)，是對(duì)雷電流的泄放卻很不利，不同材料之間的接合處，電場(chǎng)的畸變程度加劇，容易造成雷擊；另一方面容易導(dǎo)致葉片表面吸附大氣中的灰塵水分，進(jìn)一步加重沿面閃絡(luò)電壓的影響。雷擊發(fā)生時(shí)在這些地方就會(huì)造成極大的損壞。不同地區(qū)由于雷電產(chǎn)生機(jī)理不同，其雷擊特點(diǎn)也存在差異，如日本沿海風(fēng)電場(chǎng)冬季上行雷擊問(wèn)題尤為突出，且多為正極性雷擊。

風(fēng)機(jī)葉片表面狀況對(duì)于雷擊損壞程度有明顯影響。表面光滑的葉片在遭受雷擊時(shí)，不容易產(chǎn)生較大的電場(chǎng)畸變，不容易引發(fā)沿面放電閃絡(luò)。閃絡(luò)會(huì)從表面突入到葉片內(nèi)部，再?gòu)膬?nèi)部穿回表面繼續(xù)發(fā)展，對(duì)于風(fēng)機(jī)葉片損壞程度尤為嚴(yán)重。另外風(fēng)機(jī)葉片遭受雷擊的概率與葉片的長(zhǎng)度和機(jī)艙的對(duì)地高度也有很大關(guān)系，擊中風(fēng)電機(jī)組的臨界雷電流值也有很大變化，成正比例增長(zhǎng)。

2.直擊雷對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)造成損壞。

直擊雷擊中風(fēng)機(jī)葉片后，沿著葉片上接閃器傳至風(fēng)電機(jī)的主軸部分。在雷電流泄放過(guò)程中，經(jīng)過(guò)軸承時(shí)，由于瞬間產(chǎn)生極大熱量，會(huì)損壞軸承內(nèi)的滾子和套圈，導(dǎo)致滾子和套圈表面光滑程度大大降低，加速軸承磨損，進(jìn)一步嚴(yán)重影響軸承運(yùn)行的流暢性和設(shè)備的可靠性。但是由于軸承內(nèi)滾子和套圈的損害程度不是很大，在雷擊后其影響不會(huì)立即導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行失效，但是運(yùn)行的摩擦加大，日積月累對(duì)整個(gè)軸承內(nèi)部會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p壞并發(fā)生運(yùn)行失效。不僅如此，在滾子和套圈表面受損壞之后，雷電流在以后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都會(huì)泄放流經(jīng)該處，使得損壞面積不斷擴(kuò)大，造成軸承本身在機(jī)械負(fù)荷作用下加速磨損，造成更加嚴(yán)重的后果。

雷電流在軸承中的泄放途徑主要有兩個(gè)：（1）軸承內(nèi)負(fù)載區(qū)，滾子與套圈相接觸的通道；（2）無(wú)負(fù)載區(qū)滾子與套圈之間短氣隙擊穿后的泄放通道。其中最容易遭受雷擊的部分就是負(fù)荷區(qū)滾子和套圈表面，這是軸承防雷的薄弱點(diǎn)。由于潤(rùn)滑油介入，滾子與套圈之間直接金屬接觸情況變差，電流傳導(dǎo)性也變差，更容易受到雷電流熱效應(yīng)的影響產(chǎn)生損失。隨著負(fù)荷的加重，滾子和套圈之間的接觸面也會(huì)增加，對(duì)軸承造成損傷的電流和能量也會(huì)增加。

三、雷電流對(duì)風(fēng)機(jī)電氣設(shè)備的危害

雷電擊于接閃器后，雷電流經(jīng)引下線、機(jī)艙、塔筒以及接地系統(tǒng)泄入大地，但由于雷電流行波幅值較高，電流變化與泄放速度極快，在經(jīng)過(guò)機(jī)艙與塔筒時(shí)將建立暫態(tài)電磁場(chǎng)，此類電磁場(chǎng)通過(guò)感應(yīng)與輻射的方式，影響風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作，甚至使控制系統(tǒng)中的電子設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障。此外，快速變化的電磁場(chǎng)將在塔筒內(nèi)通信或電力線路中產(chǎn)生幅值較高的暫態(tài)過(guò)電壓，從而對(duì)設(shè)備絕緣造成危害。由于這類原因造成風(fēng)機(jī)電氣設(shè)備損壞的典型事故如下所述。

廣西某風(fēng)電場(chǎng)2013年3月有12臺(tái)箱變?cè)馐軓?qiáng)雷電波入侵，不同程度受損，包括機(jī)組箱變低壓側(cè)母排燒熔，低壓側(cè)熔斷器、浪涌保護(hù)器（SPD）連接線受損，低壓側(cè)斷路器電源線相間擊穿等，甚至出現(xiàn)了變壓器漏油燃燒，箱體內(nèi)部嚴(yán)重?zé)龘p的情況，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備損失較大。2014年5、7月又發(fā)生了類似的雷擊事故，損壞3臺(tái)風(fēng)機(jī)箱變。其事故原因在于安裝在箱變低壓側(cè)的SPD兩端承受的電壓達(dá)到較高的數(shù)值，且高山上空氣潮濕，可能在SPD等設(shè)備表面聚積水氣出現(xiàn)凝露，使其外絕緣發(fā)生沿面閃絡(luò)甚至擊穿，箱變內(nèi)相線對(duì)地出現(xiàn)放電通道，從而導(dǎo)致相間或相對(duì)地（外殼）放電，出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的工頻續(xù)流。在工頻電弧及工頻短路電流的作用下，導(dǎo)致熔斷器、二次設(shè)備等進(jìn)一步破壞。

2015年2月，貴州省某風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)通訊全無(wú)，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)3#，18#風(fēng)機(jī)光纖接線盒、塔基柜溫控器及塔基指示燈電源線燒毀，其他風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。事故發(fā)生后通過(guò)組織雷電災(zāi)害專家組調(diào)查分析，此次事故是由當(dāng)晚發(fā)生的雷電過(guò)程所致。該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備損壞的原因主要是通訊光纖防雷屏蔽線未按要求接地，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)地網(wǎng)接地電阻未達(dá)到設(shè)計(jì)值要求。雷擊時(shí)電流過(guò)大導(dǎo)致光纖接線盒起火，通訊中斷，同時(shí)感應(yīng)雷電波將塔基柜指示燈電源線燒毀，造成電源短路，風(fēng)機(jī)400V開(kāi)關(guān)跳閘，風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障停機(jī)。

（1）暫態(tài)電位抬高對(duì)風(fēng)電設(shè)備危害。

風(fēng)機(jī)葉片或機(jī)艙被雷電擊中后，雷電流沿泄放通道，經(jīng)風(fēng)電設(shè)備接地體對(duì)地放電，在整個(gè)通道中會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)高電位分布。風(fēng)電機(jī)組受到雷擊時(shí)，雷電流從風(fēng)機(jī)葉片到塔底有多條泄放通道，包括塔筒和筒內(nèi)布置的電纜屏蔽層及專用防雷引下線等。不同的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)情況不同，制造工藝差距很大，在安裝過(guò)程中機(jī)艙及塔筒內(nèi)部各個(gè)重要部位等電位連接狀況不同，在雷擊暫態(tài)電位抬高效應(yīng)發(fā)生時(shí)，從葉片尖端到塔筒底部分布的高電位就會(huì)存在很大的差距，當(dāng)不同部位電位差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，就會(huì)擊穿風(fēng)機(jī)設(shè)備內(nèi)部零件之間的空氣間隙，嚴(yán)重破壞風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)備。

（2）雷電流電磁脈沖對(duì)風(fēng)電設(shè)備危害。

雷電擊中風(fēng)機(jī)會(huì)在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖，由于風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和主電源裝置等均安裝在塔筒內(nèi)，而且塔筒內(nèi)部空間狹小，電磁波會(huì)在塔筒內(nèi)部不斷傳播反射，會(huì)對(duì)塔筒內(nèi)部的設(shè)施產(chǎn)生直接輻射危害；電磁脈沖會(huì)在塔筒內(nèi)部各種信號(hào)、電源傳導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成過(guò)電流和過(guò)電壓波侵入電子設(shè)備，這些過(guò)電壓損壞會(huì)造成風(fēng)機(jī)設(shè)備工作失靈或者永久性損壞。所以雷擊過(guò)程產(chǎn)生的暫態(tài)磁場(chǎng)，通過(guò)感應(yīng)和輻射對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)部電氣設(shè)施造成的危害，是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要內(nèi)容。

（3）二次損壞對(duì)風(fēng)電設(shè)備危害。

雷電擊中風(fēng)機(jī)時(shí)，除了雷電流泄放時(shí)的雷電流脈沖和電磁福射影響外，由于沖擊電阻的存在還會(huì)產(chǎn)生地電位反擊的損壞。地電位反擊產(chǎn)生分為兩種情況：共網(wǎng)反擊和異網(wǎng)反擊。風(fēng)電機(jī)組設(shè)備處于風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部，很難做到異網(wǎng)間距的要求，一般都是直接利用風(fēng)電塔筒接地體，所以風(fēng)電機(jī)組地電位反擊都是屬于共網(wǎng)反擊。

風(fēng)電機(jī)組地電位反擊形成過(guò)程如下：雷電擊中風(fēng)電設(shè)備時(shí)，由于接地電阻存在，在雷電流作用下沖擊接地電阻迅速增大，隨著雷電流沖擊地電位不斷升高，雷電流脈沖減弱后，地電位達(dá)到最大值，此時(shí)如果設(shè)備接地點(diǎn)與接地體之間的距離較近，等電位連接未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，就會(huì)發(fā)生放電和閃絡(luò)等地電位反擊現(xiàn)象發(fā)生，從而危及到連接在這些接地系統(tǒng)上的設(shè)備安全。雷擊風(fēng)機(jī)引起地網(wǎng)沖擊電位的升高，在引流點(diǎn)的沖擊電位可以根據(jù)公式來(lái)計(jì)算。

四、改善雷擊對(duì)風(fēng)機(jī)危害的建議

綜上所述可以看出，雷電對(duì)風(fēng)機(jī)的損壞很復(fù)雜，與接地網(wǎng)相關(guān)的主要原因有兩方面：

1.風(fēng)機(jī)接地網(wǎng)接地電阻高，散流能力差，導(dǎo)致雷電流不能得到有效泄放，這會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)設(shè)備的雷電損傷。這種損傷是由直接雷引起的，直接雷擊主要對(duì)風(fēng)機(jī)的葉片造成危害，強(qiáng)大的雷電流釋放的巨大能量使得風(fēng)機(jī)葉片溫度升高后劇烈膨脹，造成葉片破裂。對(duì)于這類損傷需要對(duì)扇葉進(jìn)行設(shè)計(jì)從而改善雷擊的危害。對(duì)于接地網(wǎng)，需要按照接地網(wǎng)工頻接地電阻小于4Ω沖擊接地電阻小于10Ω設(shè)計(jì)，使雷電流得到有效泄放。

2.由于接地網(wǎng)沖擊電阻的存在還會(huì)產(chǎn)生地電位反擊的損壞。雷電感應(yīng)和雷電波入侵主要對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和電子器件產(chǎn)生過(guò)電壓危害，對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)通信、控制設(shè)備等線路產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。

感應(yīng)雷的保護(hù)主要是對(duì)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)易受感應(yīng)雷擊過(guò)電壓破壞的設(shè)備加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過(guò)電壓侵襲時(shí)，保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。感應(yīng)雷擊過(guò)電壓防護(hù)主要分為電源防雷和信號(hào)防雷。

電源系統(tǒng)避雷過(guò)壓保護(hù)措施采用3級(jí)防護(hù)，建議安裝電涌保護(hù)器[4]。在安裝電涌保護(hù)時(shí)，應(yīng)遵循靠近被保護(hù)的設(shè)備，接地線就近接地的原則。風(fēng)電機(jī)組電源入口部位應(yīng)裝設(shè)第1級(jí)電涌保護(hù)，將殘壓控制在＜4kV；在發(fā)動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子、整流器處安裝第2級(jí)電涌保護(hù)，安裝位置在塔架配電柜及機(jī)艙內(nèi)，以進(jìn)行有效的保護(hù)；第3級(jí)浪涌保護(hù)器在上一級(jí)浪涌保護(hù)器泄放雷電流后殘壓的基礎(chǔ)上對(duì)線纜上的雷電流進(jìn)一步泄放，實(shí)現(xiàn)終端能域避雷和頻域避雷的相結(jié)合。信號(hào)防雷分為防雷粗保護(hù)和精細(xì)過(guò)電壓保護(hù)兩級(jí)。為了減少接口、降低損耗，一般在同一避雷器內(nèi)實(shí)現(xiàn)多級(jí)保護(hù)。精細(xì)保護(hù)的防雷器殘壓更低，可有效的保護(hù)各設(shè)備?？刂啤鞲信c通信系統(tǒng)都是工作電壓較低的弱電設(shè)備，耐過(guò)電壓能力低，容易被雷電感應(yīng)，均需安裝信號(hào)防雷器。在配套升壓變高壓側(cè)，為了防止雷電侵入波影響，在變壓器高壓側(cè)安裝氧化鋅避雷器保護(hù)，同時(shí)可在低壓側(cè)安裝第一級(jí)電涌保護(hù)器以有效地保護(hù)風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備免受雷電侵入影響。

除了上述直接保護(hù)設(shè)備外，還需要采取措施降低感應(yīng)過(guò)電壓或提高絕緣水平，以前文提到的廣西某風(fēng)電場(chǎng)為例，后續(xù)采取了三項(xiàng)措施：

（1）風(fēng)機(jī)引至塔筒底再引至箱變的電纜，應(yīng)帶有屏蔽層或鎧裝層，且兩端應(yīng)與接地網(wǎng)牢固連接，可有效降低雷擊風(fēng)機(jī)時(shí)箱變低壓側(cè)的相對(duì)地電位差，對(duì)防雷起重要作用。工程建設(shè)中不能因降低工程造價(jià)等原因而任意取消這段電纜的屏蔽層或鎧裝層。

（2）由于風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)所裝防雷保護(hù)器主要是保護(hù)電氣一次設(shè)備，且所處環(huán)境比較惡劣，所以可考慮安裝氧化鋅避雷器進(jìn)行保護(hù)。

（3）對(duì)高原山地潮濕氣候箱變，建議進(jìn)行加強(qiáng)絕緣處理，且絕緣距離要適當(dāng)加大。

五、總結(jié)

雷電對(duì)風(fēng)機(jī)的損壞很復(fù)雜，本文通過(guò)列舉雷電對(duì)風(fēng)電機(jī)組的危害類型及成因，提出可以采取改善接地網(wǎng)設(shè)計(jì)、安裝浪涌保護(hù)器及加強(qiáng)絕緣等措施降低感應(yīng)過(guò)電壓或提高絕緣水平。隨著國(guó)家“十四五”期間風(fēng)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，在風(fēng)機(jī)防雷設(shè)計(jì)及改造方面，創(chuàng)新成果及新技術(shù)、新工藝將會(huì)進(jìn)一步被挖掘，雷擊導(dǎo)致的風(fēng)電機(jī)組損壞問(wèn)題也必將隨之改善。