風(fēng)力發(fā)電防雷相關(guān)知識(shí)

由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，為了吸收更多能量，輪轂高度和葉輪直徑隨著增高，相對(duì)的也增加了被雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，雷擊成了自然界中對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行危害最大的一種災(zāi)害。雷電釋放的巨大能量會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片損壞、發(fā)電機(jī)絕緣擊穿、控制元器件燒毀等。我國(guó)沿海地區(qū)地形復(fù)雜，雷暴日較多，應(yīng)充分重視雷擊給風(fēng)力風(fēng)電機(jī)組和運(yùn)行人員帶來(lái)的巨大威脅。例如，紅海灣風(fēng)電場(chǎng)建成投產(chǎn)至今發(fā)生了多次雷擊事件，據(jù)統(tǒng)計(jì)，葉片被擊中率達(dá)4%，其他通訊電器元件被擊中率更高達(dá)20%。為了降低自然災(zāi)害帶來(lái)的損失，必須充分了解它，并做出有針對(duì)性的防范措施。
風(fēng)機(jī)的防雷是一個(gè)綜合性的防雷工程，防雷設(shè)計(jì)的到位與否，直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)在雷雨天氣時(shí)能否正常工作，并且確保風(fēng)機(jī)內(nèi)的各種設(shè)備不受損害等。
如果風(fēng)機(jī)主體高度約80米，葉片長(zhǎng)度約40米，即風(fēng)機(jī)最高點(diǎn)高度約為120米，且大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)位于空曠地帶，較孤立。風(fēng)機(jī)的高度加上所處特殊的環(huán)境，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)在雷雨天氣時(shí)極易遭受直擊雷。
國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)防雷過(guò)電壓保護(hù)的防護(hù)區(qū)域劃分為：LPZ0 區(qū)（LPZ0A、LPZ0B），LPZ1 區(qū)，LPZ2 區(qū)。
在金屬塔架接地良好的情況下，葉片、機(jī)艙的外部（包括機(jī)艙）、塔架外部（包括塔架）、箱式變壓器應(yīng)屬于LPZ0 區(qū)，這些部位是遭受直擊雷（繞雷）或不遭受直擊雷但電磁場(chǎng)沒(méi)有衰減的部位。機(jī)艙內(nèi)、塔架內(nèi)的設(shè)備應(yīng)屬于 LPZ1 區(qū)，這其中包括電纜、發(fā)電機(jī)、齒輪箱等。塔架內(nèi)電氣柜中的設(shè)備，特別是屏蔽較好的弱電部分應(yīng)屬于 LPZ2。
對(duì)與現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的 LPZ0 區(qū)防雷過(guò)電壓保護(hù)裝置進(jìn)行分析后，在 LPZ0 區(qū)內(nèi)，直擊雷的防護(hù)在沒(méi)有技術(shù)突破的前提下仍然沿用傳統(tǒng)的富蘭克林避雷方法：利用自身的高度使雷云下的電場(chǎng)發(fā)生畸變，從而將雷電吸引，以自身代替被保護(hù)物受雷擊，以達(dá)到保護(hù)避雷的目。這就要求風(fēng)機(jī)的葉片的制作及其材料提出很高的要求，即葉片必須能夠承受足夠大的電流，并且在葉片上添加導(dǎo)電性能良好、自身重量輕的類(lèi)似于碳纖維的材料，用單獨(dú)的線纜將葉片與塔身連接在一起，為雷電流泄放提供一個(gè)良好的通道。
機(jī)艙主機(jī)架除了與葉片相連，還連接機(jī)艙頂上避雷針（筆者在給天津海事局燈塔做防雷工程時(shí)，在煙臺(tái)北長(zhǎng)山島上近距觀察風(fēng)力發(fā)電機(jī)看到的），與葉片位于相反的方向，估計(jì)該避雷針用作為保護(hù)風(fēng)速計(jì)和風(fēng)標(biāo)免受雷擊。
根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用性質(zhì)及其重要性，參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》50057-94（2000版）關(guān)于建筑物的防雷分類(lèi)，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)劃分為二類(lèi)防雷建筑。二類(lèi)防雷建筑對(duì)應(yīng)的滾球半徑為45米，根據(jù)電氣—幾何模型
hr=10·I0.65
hr——雷閃的最后閃絡(luò)距離（擊距），即滾球半徑
I——與hr對(duì)應(yīng)的得到保護(hù)的最小雷電流幅值（KA），即比該電流小的雷電流可能擊到被保護(hù)的空間。
當(dāng)hr=45米時(shí)，I=10.1KA，即在選用滾球半徑為45米時(shí)，當(dāng)雷電流大于10.1KA時(shí)，雷電閃擊就會(huì)擊在接閃器上；當(dāng)雷電流小于10.1KA時(shí)，會(huì)發(fā)生繞機(jī)，即雷電可能擊在被保護(hù)物上，而不是接閃器上；如果被保護(hù)物自身的高度超過(guò)45米時(shí)，還會(huì)發(fā)生側(cè)擊，即發(fā)生雷電時(shí)，閃擊可能擊在塔身上（塔身高約80米）。根據(jù)莫斯科燈塔觀測(cè)到的雷擊，有多次時(shí)擊在燈塔下方的，即發(fā)生了側(cè)擊。同時(shí)，較大的高度使得上行雷的概率增大。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔身較高，使得積雨云下端與葉片的距離接近，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度突增，導(dǎo)致發(fā)生局部的空氣擊穿而產(chǎn)生向上發(fā)展的流光，終至出現(xiàn)上行先導(dǎo)。
關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷擊概率，可以參照《高層建筑電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)》提供的一個(gè)估算的經(jīng)驗(yàn)公式。它是根據(jù)美國(guó)、波蘭、日本、瑞典對(duì)特高層建筑的觀察記錄，得出的經(jīng)驗(yàn)公式：N=3×10-5H2
H的單位為m，適用于1KL=10.由此可以估算出，在1KL=30 的地區(qū)（上海接近此數(shù)），100m高的建筑，每年大約遭受1次雷擊。從這個(gè)公式中可以揭示出一個(gè)規(guī)律，即高層建筑雷擊概率與其高度的平方成正比。
以上的防護(hù)是建立在一個(gè)有良好接地體的基礎(chǔ)上的，參照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94 及《微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》YD2011-93 相關(guān)條款，風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷接地電阻不能小于4Ω。