风力发电机组防雷接地简单的探讨 杨松
中国大唐集团科技工程有限公司
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摘要：国内风电初期规模性发展，多选址在年风资源较好、雷电日较少的内蒙古和新疆等北方内陆地区。现阶段风电发展速度加快，规模日益大型化，雷害危险也日益显露。风力发电机组则是风电场组成的最为重要设备，本次就风电机组防雷措施做简单探讨。
关键词：风电；防雷及接地；
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。
一、 风电机组的雷害性
风力发电机组塔位往往多布置在例如海岸、丘陵、山脊，旷野平原等空旷地区，暴露于雷击之中。且本身高度在120米以上，属高大建筑物。在高度超过60米的高大建筑物会发生侧击，即部分雷电绕过建筑物顶部装置的接闪器，击中建筑物侧面。从雷电概念分析，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量很高，可以高达300C。上行雷对建筑物的损坏程度的比例随着建筑物的高度增加而加大，当风机塔身高度超过100米时，受到上行雷击的概率较高。而风电机组分布在空旷平坦（或山地、山脊顶端），并且周围缺少高大物体配合防雷，缺少有效防雷设施，发生雷击时，更能吸引雷电。[1] 风机本身就犹如一座天然的引雷塔。
在IEC 62305-1中，根据构筑物预期的雷击电流大小，将雷电防护水平分为表1 所示的几类[1]。
图1 滚球法在风电机组中的应用
（图中，滚球覆盖以外的地区为IEC 61400-24标准中划定的LPZ0A区） 二、 风力发电机组防雷措施
相关规程规定，风力发电机组部件按照Ⅰ类防护水平设计防雷措施。由于各地区雷电环境的不同，应依据使用地区和规定防护要求而确定。雷击产生的大量电荷将对风机材料的选择以及日后运行维修更换，起到重要的考核基准。增加易损件对雷电产生大量电能及热能的耐受能力，部件之间连接的可靠性，如何将提高风电机组使用寿命，有效抵御雷击所造成的磨损和破裂所带来的损失是未来相关研究的关键。
1. 叶片防雷
据国外统计，世界每年有1%～2%的风机叶片遭受雷击。目前风电机组的叶片外形几何结构复杂，因机组不同叶片长度不同，且长度超过50米已成为主流趋势。叶片材质多由导电性能较差的增强型纤维复合材料制成，同时安装在高度超过80米的机塔上，直接暴露在直击雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所要求的建筑物要复杂。
在设计叶片时要考虑叶片在遭到直击雷时，叶片叶尖接闪器在旋转的同时要如何才能购准确地接闪。相关设备传导部件例如尖轴、炭纤维复合材料和叶片中传感器导流线等必须有良好的传导雷电流的功能。[1]
2. 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的外部设备，避雷针、引下线以及搭接线的安装尺寸要满足IEC62305-3的要求。也可以直接参考IEC62305标准所描述的方法安装制作。
图2 雷电防护区 IEC 61400-24标准
三、 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-60x6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。垂直接地体多采用φ50mm L=2500mm的铜棒（或热镀锌钢棒），同样受到工程地质、施工场地等因素影响，垂直接地体在施工时会使工程难度大为增加。故应结合工程项目实际进行设计，选取最优