国家电投集团江苏新能源有限公司 苏 俊 周庆根 张 磊 张树臣 朱兴龙

国家电投集团江苏新能源有限公司位于江苏省盐城市，公司风电场之一徐州贾汪风电场位于于徐州市贾汪区，场址内海拔高度在30～150米之间，南北长约13.8公里，东西宽约12.3公里，总面积约38平方公里，为江苏境内第一家山地风电项目。贾汪风电总装机容量为74MW，于2014年9月开工建设，2015年6月全容量并网。贾汪风电属于三类山地风场，全年平均风速5m/s左右，可利用小时数为2009小时，大风期主要集中在春冬两季。

1 防雷状况及其分析

风电机组雷击事故情况。贾汪风电场37台风机均建在多石地质结构的山顶上，海拔80～200米，该地区夏季雷暴频繁，平均雷暴天数为29天，36#风电机组多次遭受雷击故障。由于贾汪风电场土壤电阻率较高，对37台风机全部做了接地降租处理，36#风机遭雷击问题基本排除接地电阻的因素。36#风机位置处于贾汪风电场最高点，经实地考察，36#、37#风机安装位置为平原与山地陡坡交界面，属于易于形成雷电的典型地貌。

风电机组直击雷防护设计。本文重点讨论风机叶片的直击雷防护问题，贾汪风电机组叶片的直击雷防护设计采用引雷入地技术，包括接闪器、引下线、接地三部分。风机叶片接闪器安装在叶片顶部，引下线包括叶片引下线、主轴承+防雷电刷、风机塔筒等部分。贾汪风电为双馈型机组，主轴承设计有防雷电刷。风机叶片接闪后，雷电流经叶片引下线、防雷电刷、主轴承、塔筒汇入大地。在风机塔筒塔基处设计接地点，雷电流主要部分经接地点流入大地。

雷电流路径。其中经防雷电刷分流部分有限，雷电流主要经主轴承流入大地。防雷电刷和主轴承均为动态部件，运行过程中存在震动、磨损、灰尘等因素增加接触电阻。根据我国大部分地区多年实测得到的1205个数据统计，雷电流幅值≥40kA的雷电流占45%，≥80kA的雷电流占17%，≥108kA的雷电流占10%；我国实测最大雷电流330kA只占0.1%，其余27.9%雷电流幅值＜40kA。以概率较大的40kA雷电流为例，防雷电刷和主轴承因磨损等因素每增加0.1Ω接触电阻、叶片的雷电电压抬升4kV。

雷电流对叶片及轴承的损坏机制。当雷电击中叶片后，雷电热效应使叶片内部中的水蒸汽和空气迅速膨胀，瞬间产生巨大压力的冲击会使整个叶片爆裂，严重时压力还会通过轮毂传导至没有遭雷击的叶片上而引起连锁的损坏。叶片的雷电电压越高、热效应越强烈，对叶片的损坏成度越大。在风机中常有主风轮轴承、偏航轴承、变桨轴承，轴承在工作时运动且接触面是变化的，当流过轴承接触面的电流密度超过一定值时会产生电弧，尤其是当雷击中风机叶片时所产生的巨大电流流经轴承时会在接触面上留下烧蚀斑点，造成轴承的振动和机械磨损增大。雷电流对轴承的损坏是逐步递进的，是一个恶性循环的过程，此过程中同时增加了叶片遭雷击损坏的风险。

雷击原因分析。风电机组防雷设计采用富兰克林引雷入地技术，关键点为接地电阻。接地电阻符合设计规范时能及时泄放雷电流进入大地，达到保护风电机组设备的目的。由于风电机组功能结构特点，无法避免在雷电流路径上存在轴承、防雷电刷等环节，在运行过程中这些环节接触电阻的变化会增大叶片的对地电阻，是风电机组叶片遭受雷击损坏的主要原因，在引雷入地防雷技术体系内是无法解决的问题，只能寻找其他直击雷防护方案。

2 新型直击雷防护装置

为了解决贾汪风电场直击雷雷电防护问题，引进新型直击雷防护技术，基本要求是避免风电机组接闪，消除雷电流对风电机组的损坏。

2.1 雷电过程简介

雷云对大地放电通常分为先导放电、主放电和辉光放电三个阶段：先导放电。开始时往往从雷云边缘向地面发展，以逐级推进方式向下发展，这种放电称为先导放电（下行先导）。当先导接近地面时，地面上一些高耸的物体会发出向上的迎面先导（上行先导），地面的风电机组安装在较高位置，在风电场环境中是主要的上行先导发生点；主放电。当上行先导与下行先导相遇时，便形成了放电通道，纳秒级时间后沿着雷电通道就发生了强烈的电荷中和过程，出现极大的电流（数十到数百千安），伴随着雷鸣和闪光，这就是雷电的主放电阶段；辉光放电。主放电完成后，云中剩余的电荷沿着原来的主放电通道继续流入大地，看到的是一片模糊的发光，这就是辉光放电。

2.2 新型直击雷防护装置介绍

新型直击雷防护设备设计原理。雷电对地面物体的损坏主要是在主放电阶段发生的，新型直击雷防护设备是根据雷电形成过程设计的，避免在被保护的设备上发生雷电主放电。主放电是在先导放电之后形成放电通道时瞬间发生的，风电机组作为地面位置较高的导电体，其电场感应物理现象无法避免，尤其是风电机组叶片顶部的尖端放电现象是引雷接闪的易发点，是传统引雷入地防雷技术的接闪点，即：风电机组参与雷电过程的先导放电无法避免。先导放电过程通过接地点提供感应能量，此过程的电流很小对接地电阻要求不高，为了阻止雷电落下来，在先导放电发生后纳秒级时间内发生先导放电的点必须与大地呈现高阻抗隔离，使其无法发生主放电过程。

依此设计了新型直击雷防护设备的关键部件：变租抑制器。变租抑制器在感应电极下方，在晴朗天气时呈高阻状态，当有雷云经过时，感应电极感应异性电荷，当感应电荷产生的电场强度达到设计值时，变阻抑制器纳秒级导通使感应极与大地连通，大地迅速提供大量感应电荷，使感应极发生先导放电，先导放电后感应极失压，此时变阻抑制器纳秒级呈高阻状态使感应极与大地高阻隔离，破坏了雷电通道形成条件，即：在先导放电后无法发生主放电，达到阻止落雷的目的。

新型直击雷防护装置与引雷入地技术不同，是通过阻断雷电通道的技术让雷不落在防护区域，安装在叶片上避免风电机组接闪，该装置为无源设备，通过十几年应用设备可靠、技术成熟。从雷电过程可知，当上行先导与下行先导相遇时打通放电通道是形成雷电主放电的关键点，该装置是在此关键点以纳秒级速度断开接地，阻断了主放电的过程（图1）。工作过程如下。

图1 新型直击雷防护装置

状态1：感应场强达到阈值前，开关为断开状态；状态2：感应场强达到阈值后，开关导通，迅速从地面装载或释放大量电子，提供感应能量；状态3：感应场强达到击穿空气条件后，激发先导放电，感应场强跌落到阈值以下，开关迅速断开，回到状态1。状态3时感应电极发出上行先导，具备了“与下行先导相遇”条件，即形成放电通道的条件，但此时变阻抑制器总是呈高阻状态，达到了阻断雷电通道目的。在状态2时，变阻抑制器导通，目的是为了从大地补充感应电极的能量、形成状态3，此过程接地电流很小，对轴承、防雷电刷的接触电阻要求不高，避免了因雷电流对轴承等部件的损坏。状态1、2不具备雷电形成条件，状态3阻断雷电通道。

新型直击雷防护设备优势。新型直击雷防护设备有两个技术特点，阻止了雷电主放电过程和降低了对接地电阻要求。阻止雷电主放电过程可使风电机组避免了直击雷损伤，从根本上解决了风机叶片被雷电损坏的问题，降低对接地电阻的要求，解决了风电机组建设在山地多石地貌和土壤电阻率高环境下的接地维护问题。采用引雷入地技术接地电阻是防雷的关键，接地电阻不满足要求时由于雷电能量不能及时泄放入大地，造成叶片损伤概率激增，为了降低接地电阻采用增大接地面积、使用降阻剂等不仅多占用征地，还会造成土地污染且增加维护成本，因此采用新型直击雷防护技术不仅解决了直击雷防护问题，还减少了土地占用、避免了土地污染、降低了运维成本。

风电机组的结构中叶片转动机构，其轴承是防雷引下线不可跨越的途径，采用引雷入地防雷技术存在风电机组结构性风险，另一方面风电场选址在山地多石等土壤电阻率高的环境是优先选择，因此风电机组防雷问题是急需解决的普遍性问题，采用新型直击雷防护技术，经过实践验证是可靠的优选方案。新型直击雷防护设备结构设计考虑了工程实施简单，无源免维护等特点，在安装改造过程中充分考虑了原有防雷系统的再利用问题，即：原有防雷系统设备设施除截断叶片防雷引下线、串接新型直击雷防护设备之外无需改动，此设计使的防雷改造工作成本低、效率高、安装简单、对风电机组结构无影响，具备大规模应用特点。

3 工程设计与安装

安装位置。风电机组新型直击雷防护装置，每个叶片安装一个，串接在叶片安装法兰叶片侧的引下线中（图2）。安装新型直击雷防护设备后，原有防雷设施继续在新的防雷系统中使用，原有风机叶片接闪点与新型直击雷防护设备的感应电极连接，成为感应电极的一部分，是风电机组叶片上发生先导放电的点，由于变阻抑制器的作用，接闪点不再接闪变为回闪点。原有接地引下线部分在叶片根部串接新型直击雷防护设备，其余部分作用不变，安装了新型直击雷防护设备后，接地引下线部分的作用不再承受雷电主放电，仅用于为提供新型直击雷防护设备的感应电极提供电场感应能量，电流很小不会对转动轴承造成威胁，转动轴承工作过程中造成的电阻不稳定性也不会影响风电机组的防雷性能。

图2 安装位置

每台风电机组安装三台新型直击雷防护装置，安装后叶片不接闪，对轴承、防雷电刷机构接触电阻没有要求。在风电机组叶片免受雷击损坏外，还减轻了轴承雷击造成的潜在威胁。由于安装了新型直击雷防护设备后不再发生雷电主放电，风电机组控制系统感应雷危险也降到最低。不但解决了直击雷防护问题，还优化了感应雷防护，总体提高了风电机组的雷电防护水平。工程实施时安装在叶片根部隔板上，为了确保机舱直击雷防护，在机舱顶部的气象架上安装了侧击雷防护装置，侧击雷防护装置原理与直击雷防护装置相同，通过法兰与支撑连接，支撑杆固定在机舱顶部的气象加上，不影响气象架原有设备的工作。

工程设计。依据为贾汪风电场雷击事件资料和现场考察分析，贾汪风电场共37台风机，根据《贾汪风场叶片检测报告》（36#风机、7#风机）均由雷击记录，其中36#风机安装在贾汪风电场的最高点，37#风机临近36#风机，所以本次设计在7#、36#、37#风机上安装了新型直击雷防护装置。

工程安装。每台风电机组安装三台新型直击雷防护装置，安装后叶片不接闪，对轴承、防雷电刷等机构接触电阻没有要求。在风电机组叶片免受雷击损坏外，还减轻了轴承雷击造成的潜在威胁，风电机组控制系统感应雷危险也降到最低。工程实施时将新型直击雷防护设备用螺栓固定在叶片根部隔板上，隔板两侧分别设计了加强整体垫片，将原有的叶片防雷引下线截断，接闪点端连接新型直击雷防护设备的感应电极测，接地方向端与新型直击雷防护设备的接地端连接。为了确保机舱直击雷防护，在机舱顶部的气象架上安装了侧击雷防护装置，保护当风机叶片旋转到“Y”字形位置时，或复杂气象环境时从侧面过来先导放电情况下，风机机舱的雷击风险。防护原理相同。新型直击雷防护设备安装后，从3月到11月经过一个雷雨季节的运行，36#、37#、7#三台风机经检测没有遭受雷击的痕迹，风电机组雷电监测装置没有记录到雷电流数据，解决了贾汪风电机组直击雷防护问题。