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1、风电机组的防雷和防雷标准1 引言在我国风电发展初期，风电场大部分集中在年平均雷电日较少的新疆和内蒙古等地区，采用的主要是450kW 级以下的风电机组，雷害问题并不突出。随着我国风电场建设速度不断加快、规模不断扩大以及风电机组的日益大型化，风电机组的雷害也日益显露。现阶段，我国风电场开发不断向高海拔和沿海地区拓展，大功率风电机组的塔架最高已经超过120m，是风电场中最高大的构筑物。在风电机组的20年寿命期内，难免会遭遇到雷电的直击。中国可再生能源学会风能专业委员会于2009 年9月在肇庆召开的叶片专业组年会，将叶片的防雷作为一个重要问题进行了研讨，说明风电机组防雷已经引起专家的高度重视。国际电工
2、委员会（IEC）第88 工作委员会（IEC TC 88）在编制风电机组系列标准IEC 61400 时，编制了一个技术报告（TR），作为IEC 61400 系列标准的第24 部分于2002 年6 月出版，其初衷是想为这个相对年经的工业提供防雷知识。该标准在几年的实践中证明，技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。但是随着大型风电机组的发展和风电场向外海的拓展，雷害问题比2002 年以前更加复杂和突出。因此，有必要制订一个风电机组防雷标准以供风电行业人员使用。将IEC 61400 由技术报告（TR）升级为技术标准（TS）便提上了议事日程。2 风电机组的雷害IEC 61400-24 2002 中
3、， 阐明了不同于其他建筑物的风电机组雷害问题，机组的结构特点、工作原理以及所处场地等因素使其容易遭受雷害。人们已经了解建筑物高度对雷击过程的影响。高度超过60m 的建筑物会发生侧击，即部分雷电击中建筑物侧面而不是建筑物顶部。风电机组塔架是高于60m 的构筑物，所以侧击概率比建筑物大很多，并造成严重损害。另外，从雷电机理可知，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量可以高达300C，也就是说，上行雷造成的对建筑物的损坏比例随着高度增加而增加，当塔架高度超过100m 时上行雷击的概率升高。而风电机组一般设置在风力强大的高于周围地区的制高点，并且远离其他高大物体，例如海岸、丘陵、山脊，这些地区正是雷电
4、多发区，因此更能吸引雷电。据德国、丹麦、瑞典等欧洲国家统计，雷电引起故障的频率是，每年每百台机组达3.9 次到8 次。直接雷击可以使叶片遭到损毁；雷电电磁脉冲（雷电感应过电压）等间接雷击可以使发电机、变压器、变流器等电气设备和控制、通信、SCADA 等电子系统遭受灾难性损坏；也有极个别的轮毂、齿轮箱、液压系统、偏航系统和传动系统及机械制动器等雷击损坏的报道。其中控制系统、传感器、通信、SCADA 等弱电部件遭受雷害的概率较大，这是因为这些弱电器件的耐过电压和过电流的能力较弱，雷电电磁脉冲会使其损坏，但由于维修方便，直接和间接经济损失与由于叶片损坏所造成的损失相比不算很大。叶片在遭到直击雷时损坏
5、都比较严重，且遭到损毁的叶片不易修复。离岸或在边远地区设置的机组，物资运输极其困难，维修人员的开销很大，同时风电场停止运行的收入损失也是巨大的。因此，叶片的雷害最引人关注。另外一个问题是现代大型风电机组的叶片用不能传导雷电流的复合材料制成，例如玻璃纤维增强塑料或木材层压板。在叶片未加防护时，一旦被雷电击中就会造成损坏。因此，对这类叶片作防雷要求是必要的。用玻璃纤维增强塑料制成的机舱外壳，也应当采取防直接雷击措施。1 引言在我国风电发展初期，风电场大部分集中在年平均雷电日较少的新疆和内蒙古等地区，采用的主要是450kW 级以下的风电机组，雷害问题并不突出。随着我国风电场建设速度不断加快、规模不断
6、扩大以及风电机组的日益大型化，风电机组的雷害也日益显露。现阶段，我国风电场开发不断向高海拔和沿海地区拓展，大功率风电机组的塔架最高已经超过120m，是风电场中最高大的构筑物。在风电机组的20年寿命期内，难免会遭遇到雷电的直击。中国可再生能源学会风能专业委员会于2009 年9月在肇庆召开的叶片专业组年会，将叶片的防雷作为一个重要问题进行了研讨，说明风电机组防雷已经引起专家的高度重视。国际电工委员会（IEC）第88 工作委员会（IEC TC 88）在编制风电机组系列标准IEC 61400 时，编制了一个技术报告（TR），作为IEC 61400 系列标准的第24 部分于2002 年6 月出版，其初衷
7、是想为这个相对年经的工业提供防雷知识。该标准在几年的实践中证明，技术报告对防止和减少风电机组的雷害是有效的。但是随着大型风电机组的发展和风电场向外海的拓展，雷害问题比2002 年以前更加复杂和突出。因此，有必要制订一个风电机组防雷标准以供风电行业人员使用。将IEC 61400 由技术报告（TR）升级为技术标准（TS）便提上了议事日程。2 风电机组的雷害IEC 61400-24 2002 中， 阐明了不同于其他建筑物的风电机组雷害问题，机组的结构特点、工作原理以及所处场地等因素使其容易遭受雷害。人们已经了解建筑物高度对雷击过程的影响。高度超过60m 的建筑物会发生侧击，即部分雷电击中建筑物侧面而
8、不是建筑物顶部。风电机组塔架是高于60m 的构筑物，所以侧击概率比建筑物大很多，并造成严重损害。另外，从雷电机理可知，与上行雷相关的起始连续电流转移的电荷量可以高达300C，也就是说，上行雷造成的对建筑物的损坏比例随着高度增加而增加，当塔架高度超过100m 时上行雷击的概率升高。而风电机组一般设置在风力强大的高于周围地区的制高点，并且远离其他高大物体，例如海岸、丘陵、山脊，这些地区正是雷电多发区，因此更能吸引雷电。据德国、丹麦、瑞典等欧洲国家统计，雷电引起故障的频率是，每年每百台机组达3.9 次到8 次。直接雷击可以使叶片遭到损毁；雷电电磁脉冲（雷电感应过电压）等间接雷击可以使发电机、变压器、
9、变流器等电气设备和控制、通信、SCADA 等电子系统遭受灾难性损坏；也有极个别的轮毂、齿轮箱、液压系统、偏航系统和传动系统及机械制动器等雷击损坏的报道。其中控制系统、传感器、通信、SCADA 等弱电部件遭受雷害的概率较大，这是因为这些弱电器件的耐过电压和过电流的能力较弱，雷电电磁脉冲会使其损坏，但由于维修方便，直接和间接经济损失与由于叶片损坏所造成的损失相比不算很大。叶片在遭到直击雷时损坏都比较严重，且遭到损毁的叶片不易修复。离岸或在边远地区设置的机组，物资运输极其困难，维修人员的开销很大，同时风电场停止运行的收入损失也是巨大的。因此，叶片的雷害最引人关注。另外一个问题是现代大型风电机组的叶片
10、用不能传导雷电流的复合材料制成，例如玻璃纤维增强塑料或木材层压板。在叶片未加防护时，一旦被雷电击中就会造成损坏。因此，对这类叶片作防雷要求是必要的。用玻璃纤维增强塑料制成的机舱外壳，也应当采取防直接雷击措施。风电机组是不断旋转运动的机械，于是又出现了一个特殊问题雷击的风险出现在旋转叶片上多处，并且不止一个叶片遭到雷击。原因是一次雷击包含有几个不连续的脉冲，即雷击的连续性，一次雷击的持续时间达到1s，这一时间足以使多个叶片暴露在雷电中（例如一个3 叶片的风电机组的旋转速度为20 r/min，那么每个叶片的运动速度就为120/s）。雷击叶片时，雷电流通过整个机组构筑物入地，包括桨距轴承、轮毂和主轴
11、轴承、齿轮、发动机轴承、底座、偏航轴承和塔架。雷电流流经齿轮和轴承可使其损坏，特别是在滚轮和滚道之间以及齿轮与轮齿间有润滑层时，损坏更严重。风电机组的防雷问题，可以理解为有成千上万高度超过100m 的高大建筑物，位于荒郊野地，很容易遭受雷击。这些构筑物内有复杂的电气和控制设备，外部用复合材料制成，还有长达60m 的旋转的叶片。过去各国的经验已经证明，位于雷电频发地区的风电机组，在它服务寿命期内，都会遭到数次雷击。因此，风电机组的防雷必须引起人们的注意。3 IEC 61400技术标准概要3.1 IEC 61400技术标准编制背景2006 年， 国际电工委员会（IEC）第81 委员会（TC81）
12、完成了系列标准IEC 62305 ：2006 Protection againstLightning，我国于2008 年将其等同采用为国家标准，即GB/T 217142008雷电防护。这时，IEC TC 88 第24 项目组提出以IEC 62305 ：2006 为主要参考文件，将IEC 61400 ：2002 由技术报告升级为技术标准。第24 项目组希望有更多的防雷专家与风电机组的制造商合作，将防雷专家咨询变为防雷专家参与完成防雷工作。虽然，风电机组的防雷还有一些未解决的难题（如叶片的有效防雷），但过去几十年的研究和经验证明，只要采取的措施得当，风电机组是可以防范雷电损坏的。新的IEC 614
13、00-24 注重将现存的IEC 62305 系列防雷标准、IEC 61000 系列EMC 标准、电机系统标准、电气系统标准兼顾，并考虑将叶片和最新的航空工业的研究成果和发布的标准SAE/EUROCAE 等应用到风电机组上，以达到保护电器和控制系统以及整个机组结构的目的。新的标准强调用试验证明防护系统设计的有效性，提出对叶片进行高电压大电流试验。高电压大电流试验最初用来进行飞机结构合格检验，现在许多叶片制造厂家已经用来检验叶片和风电机组雷电导流系统中的分离部件的导流和耐流能力。3.2 新IEC 61400-24处理的主要题目3.2.1 风电机组雷电环境定义新IEC 61400-24 认为，IEC
14、 62305-1定义的雷电流参数基本上也可用于风电机组的雷电防护系统设计以及防雷部件的选择和测试。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。我国各地雷电环境不同，预期的雷电流大小也不一样，应当根据我国不同地域使用和规定防护水平。要考虑我国大多数地区雷电直接击中叶片时，电流达到200kA 的概率极小。风电机组中的易损器件是接闪器（安装在叶尖）、接闪器系统、滑动接触器、火花间隙和电涌保护器（SPD）等，雷击转移的总电荷是确定材料易损（熔化）以及维修需求的关键参数。增加易损器件的耐受雷电能力，重新设计这些部件的可靠性，使风电机组在其寿命期内可以抵
15、御磨损和破裂。图1 设置在山峰上的风电机组高度H的确定示意图3.2.2 风电机组雷害风险评估IEC 61400-24 ：2002 按照IEC/TR2 61662 Ed. 1.0 来评估风电机组的雷害。新标准遵循IEC 62305-2 RiskManagement（风险管理）的雷电环境和风险评估程序评估风电机组的雷害，使其符合风电机组的情况。新标准建议计算等效雷击截收面积时，风电机组的高度应为轮毂高度与风轮半径之和的高度，同时还要考虑地形的变化（图1）。图2 供电和通信电缆连接的将风电机组和其它建筑物连接时的雷电截收面积在计算等效雷击截收面积时, 考虑高度为Ha 的风电机组等效雷击截收面积以及与
16、机组连接的高度为Hb 的建筑物等效雷击截收面积之和，还有与之相连的地下电缆长度Lc 相关的面积（图2）。图3 雷电防护区LPZ的应用（图中，1为LPZ1区，2为LPZ2区）图4 滚球法在风电机组中的应用（图中，滚球覆盖以外的地区为LPZ0A区）3.2.3 风电机组各部件的防雷新标准建议风电机组采用IEC 62305-3 Physical Damageto Structures and Life Hazard（建筑物的物理损坏和生命危险）规定的防雷程序，所有的分部件都按照类防护水平设计防雷措施。（1）叶片风电机组的叶片几何结构复杂，长度超过60m，且由导电不良的增强型纤维复合材料制成，安装在高度
17、超过100m 的高塔上，垂直旋转（水平轴风电机组），并暴露在直击雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所说的建筑物要复杂。IEC 62305 系列标准根据建筑物遭到雷击的可能性和建筑物所处环境的雷电电磁脉冲强度将建筑物划分为若干防雷区，图3 是风电机组的防护区示意图。图4 是滚球法用于风电机组的示意图。叶片是风电机组中最暴露的部分，用滚球法可以看到，叶片的大部分位置处于LPZ0A 区（图4），并经受全部电磁场和机械（压力波）影响以及雷电流、电场、磁场和雷击的能量。因此，叶片必须加以防护。对叶片的保护是否足够，应当看其设计和安置叶片接闪器系统后能否有效的截获雷电，以及导流系统能否疏导与类防
18、雷水平一致的雷电流（除非风险分析证明表1 所示的LPL 和LPL 已经足够）。图5 防雷型复合材料叶片虽然滚球法指出了雷电可能袭击叶片表面的大部分地方，但现场经验证明大部分雷电还是击中叶尖位置，只有少数击中叶片的其他地方。新标准推断IEC 62305-3 的接闪器保护范围的计算方法（滚球法、保护角法等）并不完全适用于风电机组，所以还需大量的室内试验和现场调查才能真正作出叶片雷害机理的解释。新标准要求叶片制造商要在叶片设计室进行接闪系统和导流系统截获雷电和传导雷电流的能力的试验。笔者认为我国是一个多雷的国家，各地雷害频度和雷击强烈程度有很大的差异。为了既能防雷，又能降低成本，需要按照不同的风电场
19、雷电环境，设计叶片并进行不同电流和电压等级的试验。新标准推荐了如图5 的防雷型叶片，要求设计叶片时要考虑叶片在遭到雷击时，接闪器要准确地截获雷闪，电气传导部件例如尖轴、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。（2）机舱和其他构件风电机组机舱和其他构件（如轮毂、塔架），应当有接闪能力，尽可能使用大的金属构件作接闪器。还要将金属构件做等电位连接，将雷电流传导到接地系统。机舱上气象仪表、航空灯等的避雷针、引下线以及搭接线的尺寸要满足IEC62305-3的要求。总之，机舱和其它构件的防雷可以直接采用IEC62305 系列标准所描述的方法。按图4 所示，风电机组应划分为若干防雷
20、区LPZ，设计人员应计算雷电风险水平，并根据等电位搭接、电磁屏蔽和采用SPD 等设计防雷系统。新标准对机舱和其他构件的防雷有详细的规定。（3）机械驱动系统和偏航系统机械驱动系统的防雷非常重要，因为风电机组的驱动系统有巨大的转动轴承、传动轴、齿轮、液压和电气执行系统，在雷电击中叶片时，它们都处于雷电流的径路上，巨大的雷电流可以使其受到机械损坏。新标准建议机械驱动系统的所有部件都要经受住雷电流或运动部件间的雷电弧而不受损害，例如，轴承和执行机构用滑动接触器或火花间隙进行防护。这些部件设计成可以将雷电流从被保护部件上转移或减少雷电流流经部件的数值，直到该雷电流小到部件可以承受的水平。新标准要求这种防
21、护系统的有效性可以用大电流试验检测，在试验室时要根据实验结果分析出有效的结论，并且应当计算出易耗部件如滑动接触器和间隙的寿命。（4）电气系统、电子系统和系统安装风电机组的电气系统、电子系统和系统安装应当经受住雷电电磁脉冲而不损坏。据雷害统计显示，大多数雷害与风电机组的电气系统、电子系统有关。新标准要求所提供的雷电电磁脉冲防护措施（LPMS）应能消除或避免这些系统的雷害。这就要求利用IEC62305-4 的防护区的综合防护概念采取以下措施：接地搭接电磁屏蔽和合理布线（系统安装）能量协调一致的SPD隔离、电路设计、平衡电路、串联阻抗等总之，新标准参考了有关低压电气系统和安装标准，包括机械设备高压和
22、低压电气系统标准IEC 60204-1、IEC 60204-11、建筑物电气安装标准IEC 60363、电磁兼容（EMC）安装以及接地和布线指南，尤为重要的是以建筑物内电气电子设备防雷标准IEC 623050 4 为依据。标准要求采用的SPD 和低压系统与IEC 61643-1 一致、通信和信号系统与IEC 61643-21 一致，选择和安装时，应当与IEC 60364-4-44、IEC 60364-5-53 一致，电源防护系统应与IEC61643-12 一致，控制和通信系统防护应与IEC 61643-22 一致。新标准提供了如何保证SPD 协调一致、SPD 和被保护设备耐受能力协调一致的指南
23、，并提供了检验设计和选择SPD 是否合适的检验方法。标准根据IEC 60099-4，建议除非进行了高压绝缘配合研究并证明不必进行防护外，高压电力系统的防护采用不含空气间隙的金属氧化物避雷器，并根据IEC6009-5 选择使用。3.2.4 风电机组的接地和搭接接地系统的任务是消散雷电流和防止风电机组损坏，还用来保护人员和牲畜免受雷击。若电气系统遭到损坏，在防护设备动作并安全切断故障电流前，使整个地电位上升到与同时出现的接触电压和跨步电压一个安全水平。这些要求一般由电气规范给出，因此，风电场必须建立一个良好的接地系统。从防雷角度讲，接地系统在消散和传导高频率和高能量的雷电流入地时，还应当不产生危险
24、的热效应和电动力效应。新标准描述了IEC 62305-3 中的基本接地系统，强烈建议接地系统应当包括建筑物的基础部分的金属，使用建筑物基础中的大金属部件可以使接地电阻尽可能的低，将接地系统和建筑物基础中的金属部分分离，将会使钢筋混凝土基础遭遇危险。所以，建议用水平接地导体，沿电缆径路将接地系统和各个独立的塔架基础连为一体，形成综合接地网。这样，整个风电场的接地电阻都低，减少了风电场中各个构筑物间的电位差，还减少了直击雷袭击地下电缆的可能。最近一两年，欧美国家对这一观点有相当深刻的认识。而据笔者了解，我国的许多设计单位正好忽视了这一点，笔者认为在多雷区，一定要重视综合接地网的建设。新标准详细地讨
25、论了各种风电机组基础接地系统的设计，并给出了接地系统的维修和检查指南。3.2.5 人身安全在陆地上安装大型风电机组，包括组装和拆卸大型吊车，往往会花费几天的时间。在风电机组安装前还要花费数周时间进行现场策划。这期间，有许多人在现场作业，要考虑雷击风电场的风险。起重机、发电机在作业时应尽可能的接地。普遍认为圆筒形的塔架是一个接近完美的法拉第笼，因此在塔内工作是安全的。雷击时工作人员应当转移到塔内直到雷云离开，其他安全地方是金属顶的车辆、金属容器内等。4 叶片及部件的雷击试验新标准规定，新型叶片防雷系统开发时，应当检查其设计是否具有转移雷电的能力。测试时使用的叶片标本，包括尖叶和可以足够代表完整性
26、的防雷设计的尖叶内侧以及导流线系统、连接部件和设计的其他防雷部件。试验包括高压拦截试验和大电流实体损坏试验。测试规范包括测试目的、每项测试详细指导、试品选择、测试波形、测量和数据记录、数据解释、试验步骤等。4.1 高压拦截试验高压拦截试验用来确定跨越非导电材料如风电机组叶片和机舱的特定雷击点和击穿路径。因为在测试时流过的电流仅仅代表低峰值的雷电先导电流，而不是更加剧烈的雷击电流，拦截试验的目的仅仅是找到可能发生雷击的路径。这些试验对试品造成的损害和电流试验相比是微弱的。图6 叶片高压击穿路径试验（样品应在表示先导不同的接近方向的几个位置进行试验）图7 高压搜索通路测试大电流实体损坏测试用来评估
27、雷电流的实际损坏。新标准提供的试验方法适用于完整的叶尖设计和导流线，如连接部件等的一部分。高压拦截试验专门测试风电机组叶片，也可以用来测试用玻璃纤维或其他非导电材料制造的机舱。该测试还可用来确定：先导拦截点和闪络或叶片和其他非导电材料穿透路径的位置优化防护装置（接闪器）的位置沿或通过绝缘表面闪络或穿透路径防护设备的性能新标准共安排了三个高压拦截试验，分别适用于叶片设计、开发、评估外表面积和导流带的开发试验。每次测试的安排都是为了得到电的活动现象，如在雷击叶片前，测试样本（不是在外电极）出现电晕、流光和先导。图6 是高压发生器、试品、外电极的安排示意之一，三个高压拦截试验用的是同一高压雷击发生器
28、，不同的只是试品的安排不同。采用的高压试验波形应当是双指数开关型冲击电压，波头上升时间为50s250s，持续时间超过2000s。选择这一波形的原因是，这一波形最能代表构筑物接受先导时的电场近场。图6 的试验是最理想的试验，因为它总是可以安排较大尺寸的外电极（例如实验室地板的导电表面）使叶片试验样品周围有更真实的电场环境。新标准还定义了高压搜索通路测试（swept channel test），在叶片旋转时，叶片表面暴露在先导下的时候，在首次雷击到达前，先导可能沿叶片面“搜索”一个短的路径。该测试用图7 描述，它可以用来评估：非导电（即电介质）复合材料表面可能的穿透位置非导电材料表面闪络路径实施防
29、雷的防护设备（如导雷线）性能图8 绝缘材料制成的叶片大电流试验4.2 大电流实体损坏试验大电流实体损坏试验用来确定由于叶片或机舱表面截获雷电和雷电流流离截获点时的影响。图8 是叶片的这种测试示意，它不但可以用来测试暴露在直击雷或感应雷电流下的叶片在大电流时可能产生的损坏，还可以测试机舱在直击雷或感应雷电流下可能产生的损坏，以及接头和设备的耐雷电流能力。这些测试用来确定雷电通道或大电流及大能量通过雷击点时对叶片上雷击点位置可能造成的直接影响（实体损坏），如叶片的接闪系统和导线、金属箔、导流线和雷电流通路的配件与连接器，以评估电弧发生点的损坏、发热点资料、接闪器上的金属熔蚀、防护材料和设备是否充足
30、以及磁力影响。5 结论和建议雷害对风电机组的负面影响越来越受到风电行业的重视，可以预见，在风电机组容量增大和机身高度增加，控制系统大量采用耐过电压过电流能力极低而工作效率极高的微电子设备后，大容量机组雷害的严重性将会日益突出，造成的间接经济损失也将加大。尤其是将来离岸安装风电机组时，雷害的问题会更加突出。新IEC61400-24 标准建议实施的风电机组综合防护，将会有效减少雷害。所谓“综合防护”首先要提高风电机组自身的抗雷电能力，叶片及雷电流入地路径中的所有部件（包括桨距轴承、轮毂和主轴轴承、齿轮、发动机轴承、底座、偏航轴承和塔架）应能通畅地将雷电流导入大地，而自身完好无损。对于低压电气系统和电子系统以及高压电力系统必须装置“合适的”、“能量配合”的电涌保护设备。风电场要有与相关建筑物、构筑物和风电场设备、传输电缆连为一体的综合接地系统。因此笔者建议，风电机组各部件制造厂家要根据风电场所在地场雷电强度的不同等级，设计不同耐雷强度的叶片等可能遭到直击雷袭击的部件。有关认证机构要将关键部件的耐雷特性试验纳入认证范围，制造商的型式试验应加入雷击试验的内容，如新标准所规定的“高压拦截试验”和“大电流实体损坏试验”。新IEC61400-24 应该会等效采标为我国国家标准，现在有必要研究该标准的实施对我国风电机组制造行业可能带来的积极影响。
