隨著風電機組單機容量和風電場規模的增大,風電場的安全運行問題日益受到重視。在影響風電場安全運行的諸多因素中,遭受雷擊是一個重要方面。本文結合風電機組防雷的研究成果,對風電機組的雷擊過程、雷擊損壞機理以及防雷措施進行了其內部防雷設計的要點闡述。
　　
　　由于現代科學技術的迅猛發展,風力發電機組的單機容量越來越大,為了吸收更多能量,輪轂高度和葉輪直徑隨著增高,風機的高度和安裝位置決定了它是雷擊的首選通道,而且風機內部集中了大量敏感的電氣、電子設備,一次雷擊帶來的損壞將是非常大的。因此,必須為風機內的電氣、電子設備安裝完整的防雷保護系統。
　　
　　1、雷電對風電機組的危害
　　
　　雷電對風電機組的危害風力發電機通常位于開闊的區域,而且很高,所以整個風機是暴露在直接雷擊的威脅之下,被雷電直接擊中的概率是與該物體的高度的平方值成正比。兆瓦級風力發電機的葉片高度達到150m以上,因此風機的葉片部分特別容易被雷電擊中。風機內部集成了大量的電氣、電子設備,可以說,我們平常用到的幾乎每一種電子元件和電氣設備,都可以在一臺風電機組中找到其應用,例如開關柜、馬達、驅動裝置、變頻器、傳感器、執行機構,以及相應的總線系統等。這些設備都集中在一個很小的區域內。毫無疑問,電涌可以給風電機組帶來相當嚴重的損壞。
　　
　　以下的風力發電機數據由歐洲幾個國家提供,其中包含了超過4000臺風力發電機的數據。表1是德國、丹麥和瑞典三國這些事故的匯總表。由雷擊導致的風力發電機損壞數量,每100臺平均每年3.9次到8次。從統計數據上顯示,在北歐的風力發電機組中,每100臺每年有4-8臺遭受雷擊而損壞。值得注意的是:雖然損害部件是不相同的,但是控制系統部件雷擊損壞占40-50%。
　　
　　2、雷電的破壞形式
　　
　　設備遭雷擊受損通常有4種情況,一是,設備直接遭受雷擊而損壞;二是,雷電脈沖沿著與設備相連的信號線、電源線或其他金屬管線侵入設備使其受損;三是,設備接地體在雷擊時產生瞬間高電位形成地電位“反擊”而損壞;四是,設備因安裝的方法或安裝位置不當,受雷電在空間分布的電場、磁場影響而損壞。
　　
　　3、內部防雷保護措施
　　
　　防雷保護區概念是規劃風力發電機綜合防雷保護的基礎。它是一種對結構空間的設計方法,以便在構筑物內創建一個穩定的電磁兼容性環境。構筑物內不同電氣設備的抗電磁干擾能力的大小決定了對這一空間電磁環境的要求。
　　
　　作為一種保護措施,防雷保護區概念當然就包括了應在防雷保護區的邊界處,將電磁干擾（傳導性干擾和輻射性干擾）降低到可接受的范圍內,因此,被保護的構筑物的不同部分被細分為不同的防雷保護區。防雷保護區的具體劃分結果與風電機組的結構有關,并且也要考慮這一結構建筑形式和材料。通過設置屏蔽裝置和安裝電涌保護器,雷電在防雷保護區0A區的影響在進入1區時被大大縮減,風電機組內的電氣和電子設備就可以正常工作,不受干擾。 　　
　　內部防雷保護系統是由所有的在該區域內縮減雷電電磁效應的設施組成。主要包括防雷擊等電位連接、屏蔽措施和電涌保護。
　　
　　4、防雷擊等電位連接
　　
　　防雷擊等電位連接是內部防雷保護系統的重要組成部分。等電位連接可以有效抑制雷電引起的電位差。在防雷擊等電位連接系統內,所有導電的部件都被相互連接,以減小電位差。在設計等電位連接時,應按照標準考慮其最小連接橫截面積。一個完整的等電位連接網絡也包括金屬管線和電源、信號線路的等電位連接,這些線路應通過雷電流保護器與主接地匯流排相連。
　　
　　5、屏蔽措施
　　
　　屏蔽裝置可以減少電磁干擾。由于風力發電機結構的特殊性,如果能在設計階段就考慮到屏蔽措施,那么屏蔽裝置就可以以較低成本實現。機艙應該制成一個封閉的金屬殼體,相關的電氣和電子器件都裝在開關柜,開關柜和控制柜的柜體應具備良好的屏蔽效果。在塔基和機艙的不同設備之間的線纜應帶有外部金屬屏蔽層。對于干擾的抑制,只有當線纜屏蔽的兩端都連接到等電位連接帶時,屏蔽層對電磁干擾的抑制才是有效的。
　　
　　6、電涌保護
　　
　　除了使用屏蔽措施來抑制輻射干擾源以外,對于防雷保護區邊界處的傳導性干擾也需要有相應的保護措施,這樣才能讓電氣和電子設備可靠的工作。在防雷保護區0A→1的邊界處必須使用防雷器,它可以導走大量的分雷電流而不會損壞設備。這種防雷器也稱之為雷電流保護器（I級防雷器）,它們可以限制接地的金屬設施和電源、信號線路之間由雷電引起的高電位差,將其限制在安全的范圍之內。雷電流保護器的最重要的特性是:按照10/350μs脈沖波形測試,可以承受雷擊電流。對風電機組來說,電源線路0A→1邊界處的防雷保護是在400/690V電源側完成的。
　　
　　在防雷保護區以及后續防雷區,僅有能量較小的脈沖電流存在,這類脈沖電流是由外部的感應過電壓產生,或者是從系統內部產生的電涌。對于這一類脈沖電流的保護設備叫作電涌保護器（II級防雷器）。用8/20μs脈沖電流波形進行測試。從能量協調的角度來說,電涌保護器需要安裝在雷電流保護器的下游。
　　
　　從通流量上考慮,例如一條電話線,在導線上的分雷電流應按照5%來預估,對于Ⅲ/Ⅳ級防雷保護系統,就是5kA(10/350μs)。
　　
　　7、結語
　　
　　雷電能量非常巨大,雷擊方式是復雜的,采用合理適當的防雷措施只能減少損失,只有更多新技術的突破和應用才能對雷電進行完全防護并加以利用。風電系統防雷方案分析與探討,主要應考慮風電的接地系統設計,由于我國風電在各種地質地貌下都有涉及,針對不同地質的風電接地系統可以分類設計,采用不同的方法達到接地電阻要求。