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 6 1400 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、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（T R）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60 m 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。
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2 0 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）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 21714—2008《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 61400-24 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 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 623 05-2 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）。