风电场风机内部和场区防雷安全问题以及雷电监测探讨

风能，作为一种清洁的可再生能源，取之不尽，用之不竭。随着我国“双碳”目标的提出，风电发展驶入快车道，陆上、海上的风电场建设如火如荼，成为保护环境、输送绿色能源的“风中使者”。截至2022年底，我国累计装机超过18万台，容量超3.9亿千瓦，同比增长14.1%；其中，陆上累计装机容量3.6亿千瓦，占全部累计装机容量的92.3%，海上累计装机容量3051万千瓦，占全部累计装机容量的7.7%。

因风力发电机的发展趋势逐渐从小容量向大容量迈进，风机也越来越大、越来越高，叶片越来越长，从而或多或少面临着受到雷击放电和损坏的风险；虽然风机内部已配置了防雷保护设备，但在一些极端的天气条件下并不能完全保护风机免受雷电破坏，众多的陆上、海上风电场在运行过程中还是存在被雷击致损坏的隐患。因此，有必要对风电场运行中需要考虑的防雷安全问题和雷电监测手段进行探讨。主要需要从风机内部和风电场区两个不同的角度进行考虑。

一、风机内部防雷及雷电监测

目前，风力发电机的防雷部分主要参考的标准是《IEC 61400-24：风力涡轮发电机系统第24部分：雷电防护》。按照标准，风机须配置外部雷电保护及内部雷电保护系统，外部雷电保护系统包括：接闪系统、引下线系统、接地系统；内部雷电保护系统（防止雷电电磁脉冲（LEMP）损坏）包括：等电位联结、电磁屏蔽、综合布线及电涌保护器（SPD）。正如前文所述，即便风机内部已按标准配置了这些雷电防护装置，但依然不能完全地保护风机免受雷电破坏，因此，在风机内部配置雷电在线监测系统，及时了解风机是否遭遇雷击、获取相关的雷电流数据以判断风机（或叶片）可能受到的雷击损坏程度，精准进行维护就尤为重要。

图1 雷电在线监测系统DEHNdetect

德和盛电气（DEHN）专业研究雷电防护相关技术超过百年（至今113年），其开发的雷电在线监测系统DEHNdetect，主要由叶片监测装置、数据采集器、测量线圈及集线器组合而成，结构和配置如图1所示，其特别之处在于能够监测到叶片中的冲击电流（>5kA）和初始连续电流（>100A）。初始连续电流简称“Icc”，大概率出现在上行闪电中，也是对高耸建筑物造成破坏的主要因素，目前尚无法被现有的其他雷电监测或定位系统监测到。同时，其特别工艺生产的测量线圈，能够监测且量化经过整个风机的冲击放电电流（500A~250 kA），和初始连续电流（Icc，60A~2.5 kA），监测范围广，且精度较高。

除了上述监测系统，德和盛电气还开发了一套简化版的雷电监测系统DEHNdetect LMS（Lightning Monitoring System，简称“LMS”），LMS系统秉承了DEHNdetect系列高灵活性、高精度和高可靠性的特点。可实时、在线、精准地监测雷电流，将风机叶片遭受雷击的情况及时地反馈给客户，并能够甄别遭受雷击的叶片。如图2所示，LMS 系统由智能雷电分析仪和雷电采集单元组成，测量范围最大可达300kA。独特的EMC 设计，保证数据更高的准确性。巧妙的设计，即使断电也能保证数据的安全，并仍能继续监测雷电，为客户提供可靠、便捷的服务。

图2 雷电监测系统DEHNdetect LMS

上述的两套风机雷电监测系统的价值，主要包括如下几个方面：

//精准定位事故风机。风机一旦被雷电击中，可立刻定位风电场中具体哪台风机被雷电击中，避免由于不确定而进行排查所带来的高额检修成本以及非计划停机时长。

//避免二次损坏并减少停机时间。当雷击事故只造成轻微损坏时，及时维修,停机时间将会更短，运维人员也可以从后台判断是否需要对风机进行维护，以避免任何二次损坏，例如叶片损坏。

//雷击电流参数监测。可提供快速监测叶片、机舱、塔筒是否遭受雷击，并提供雷电的冲击电流、初始连续电流Icc、电荷量、比能量和陡度等参数信息，提醒运维人员及时进行详细地检查，避免造成断裂、起火等重大事故。

//作为保险公司的可靠证据。测量所有雷电流，包括初始连续电流Icc，以及雷暴期间每个风力发电机遭受直击雷的次数，这些数据可以作为保险公司理赔时直接可靠的证据。

二、风电场区防雷保护及雷电监测

对于风电场而言，风机至升压站和升压站至电网输电塔等部分常需架设架空线路，由于很大部分的风电场建设在东南沿海、海上、高山等区域，雷暴日频率较高，除了风机本身很可能遭受雷击之外，架空线路也不例外，带来比较多的问题就是常常因为避雷器被击毁，导致场区线路跳闸，而雷击损坏避雷器运维人员并不知情，受条件限制排查难度很大。

图3 避雷器和脱扣器组成的避雷器监测装置

德和盛电气的中压避雷器、脱扣器和位移测量模块组成的避雷器监测装置可以帮助风电场区解决相关问题，其脱扣器实质是一个火花间隙（上下金属件之间留有缝隙，四周用铝箍箍住），在正常状态下，通过避雷器泄放雷击能量，此时脱扣器无动作，主线路不受雷击影响；当中压避雷器损坏（短路），无法吸收大量能量时，所有能量集中于脱扣器中，脱扣器瞬间承受很大能量，产生热效应，直接崩开抱箍，使脱扣器脱离主线路，确保切断短路回路，因此，脱扣器位移测量模块反馈的数值能够反映中压避雷器是否毁坏。同时，带有遥信功能的监测装置可以定位具体线路中哪个避雷器损坏，及时向运维人员报警，能够有效减少排查线路和跳闸恢复的时间。

近日，湖北能源新能源公司荆门象河风电场组织开展的新能源风光发电场输电线路防雷接地关键技术应用研究科研项目通过验收。

本科研项目基于新能源公司省内风电、光伏场站输电线路，针对逐基杆塔计算跳闸率，对结果分级排序，制定针对性的治理方案，出具各场站输电线路雷害风险评估及综合治理报告，为防雷改造规划和实施提供科学依据，突破了传统新能源线路防雷治理的局限性。同时，通过在集控中心的雷电查询系统，利用雷电查询服务、雷击故障快速定位和线路雷电告警等功能，将雷击点快速定位到线路两个档距以内，提升了改造杆塔的雷害风险抵御能力，有效降低了风电场架空线路雷击跳闸率，实现了电网雷电监测数据在新能源线路的应用。

今年2月至8月，该科研项目分三次在荆门象河风电场实施试点，累计完成90基杆塔的防雷改造，安装75只110千伏交流线路避雷器、183只35千伏固定间隙避雷器和12只多腔室避雷器；科研团队成功完成《新能源公司输电线路防雷导则》编制，获得发明专利1项，中文核心期刊论文1篇，完成新能源公司省内所有风电场和光伏场站实施输电线路雷害风险评估计算，出具雷害风险评估及综合治理报告总报告1份、分报告22份。

2023年4月16日，华能新能源股份有限公司云南分公司完成的“高原风电场集电线路防雷安全技术研究及应用”项目通过专家评审。

“高原风电场集电线路防雷安全技术研究及应用”项目研究主要内容包括：完成了集电线路感应雷过电压计算方法研究;完成了集电线路感应雷过电压抑制方法研究;完成了风电场接地系统雷击瞬态特性分析，完成了对马鞍山、石蒲塘等风电场集电线路雷电过电压特性的分析;完成了风电场集电线路雷击跳闸风险评估方法，完成了7个风电场集电线路雷击跳闸风险评估与技术报告;在原有悬式限压器的基础上，对山区风电场集电线路新型专用防护装置关键性能的结构进行优化，修正了适用于高海拔地区的外绝缘特性，完成了分体式集成绝缘子一体化装配的串联间隙避雷器研制。授权实用新型专利5项，发表论文3篇。

评审专家认为，研究成果应用于华能新能源股份有限公司云南分公司高原风电场，产生了良好的经济效益和社会效益。项目总体达到国内先进水平，其中山区风电场集电线路逐杆逐塔雷击跳闸风险精细化评估体系达到国内领先水平。

自然界中的雷电不可能消失

人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止

技术进步带来的潜在威胁

只能靠技术的继续进步来解决