風電機組的防雷和防雷標準

　　3.2.3 風電機組各部件的防雷
　　新標準建議風電機組采用IEC 62305-3 Physical Damageto Structures and Life Hazard（建筑物的物理損壞和生命危險）規定的防雷程序，所有的分部件都按照Ⅰ類防護水平設計防雷措施。
　　（1）葉片
　　風電機組的葉片幾何結構復雜，長度超過60m，且由導電不良的增強型纖維復合材料制成，安裝在高度超過100m 的高塔上，垂直旋轉（水平軸風電機組），并暴露在直擊雷下，因此它的防雷比IEC 62305-3 所說的建筑物要復雜。
　　IEC 62305 系列標準根據建筑物遭到雷擊的可能性和建筑物所處環境的雷電電磁脈沖強度將建筑物劃分為若干防雷區，圖3 是風電機組的防護區示意圖。圖4 是滾球法用于風電機組的示意圖。葉片是風電機組中最暴露的部分，用滾球法可以看到，葉片的大部分位置處于LPZ0A 區（圖4），并經受全部電磁場和機械（壓力波）影響以及雷電流、電場、磁場和雷擊的能量。因此，葉片必須加以防護。對葉片的保護是否足夠，應當看其設計和安置葉片接閃器系統后能否有效的截獲雷電，以及導流系統能否疏導與Ⅰ類防雷水平一致的雷電流（除非風險分析證明表1 所示的LPL Ⅱ和LPL Ⅲ已經足夠）。

圖5 防雷型復合材料葉片

　　雖然滾球法指出了雷電可能襲擊葉片表面的大部分地方，但現場經驗證明大部分雷電還是擊中葉尖位置，只有少數擊中葉片的其他地方。新標準推斷IEC 62305-3 的接閃器保護范圍的計算方法（滾球法、保護角法等）并不完全適用于風電機組，所以還需大量的室內試驗和現場調查才能真正作出葉片雷害機理的解釋。新標準要求葉片制造商要在葉片設計室進行接閃系統和導流系統截獲雷電和傳導雷電流的能力的試驗。筆者認為我國是一個多雷的國家，各地雷害頻度和雷擊強烈程度有很大的差異。為了既能防雷，又能降低成本，需要按照不同的風電場雷電環境，設計葉片并進行不同電流和電壓等級的試驗。
　　新標準推薦了如圖5 的防雷型葉片，要求設計葉片時要考慮葉片在遭到雷擊時，接閃器要準確地截獲雷閃，電氣傳導部件例如尖軸、炭纖維復合材料和葉片中傳感器導流線等必須有良好的傳導雷電流的功能。

　　（2）機艙和其他構件
　　風電機組機艙和其他構件（如輪轂、塔架），應當有接閃能力，盡可能使用大的金屬構件作接閃器。還要將金屬構件做等電位連接，將雷電流傳導到接地系統。機艙上氣象儀表、航空燈等的避雷針、引下線以及搭接線的尺寸要滿足IEC62305-3的要求。
　　總之，機艙和其它構件的防雷可以直接采用IEC62305 系列標準所描述的方法。按圖4 所示，風電機組應劃分為若干防雷區LPZ，設計人員應計算雷電風險水平，并根據等電位搭接、電磁屏蔽和采用SPD 等設計防雷系統。
新標準對機艙和其他構件的防雷有詳細的規定。
　　（3）機械驅動系統和偏航系統
　　機械驅動系統的防雷非常重要，因為風電機組的驅動系統有巨大的轉動軸承、傳動軸、齒輪、液壓和電氣執行系統，在雷電擊中葉片時，它們都處于雷電流的徑路上，巨大的雷電流可以使其受到機械損壞。新標準建議機械驅動系統的所有部件都要經受住雷電流或運動部件間的雷電弧而不受損害，例如，軸承和執行機構用滑動接觸器或火花間隙進行防護。這些部件設計成可以將雷電流從被保護部件上轉移或減少雷電流流經部件的數值，直到該雷電流小到部件可以承受的水平。新標準要求這種防護系統的有效性可以用大電流試驗檢測，在試驗室時要根據實驗結果分析出有效的結論，并且應當計算出易耗部件如滑動接觸器和間隙的壽命。