学术综述︱高寒地区风电机组雷电防护研究综述
现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）、国网辽宁省电力有限公司的研究人员蔡国伟、雷宇航、葛维春、潘超，在2019年第22期《电工技术学报》上撰文指出，我国蒙东、东北等高寒地区，风能资源储备丰富，风力发电建设已呈现规模化态势。近年来，雷电灾害已成为威胁风电机组安全运行的主要因素，并长期制约风电产业的正常发展。
由于高寒地区具有较为显著的地理与环境特征，电力设备防雷保护的标准及措施与其他地区有较大差异，因此需对高寒地区风电机组雷电防护予以高度关注。综合高寒地区风电机组特点、地理环境以及雷电情况等因素，对高寒地区风电机组雷击特点进行概述，针对高寒地区风电机组雷电防护系统、雷电先导起始及发展机理、雷电直击损坏机理以及雷击电磁暂态过程四个部分的研究现状进行分析与总结，并结合尚待解决的问题，提出高寒地区风机防雷的若干研究领域。
风力发电采用清洁的可再生能源发电形式，开发利用风力发电，对实现能源可持续发展具有重要意义。我国风力发电自起步之后发展迅猛，其中以内蒙古东部、东北为代表的高寒地区因海拔、纬度较高、受北方高压冷气团影响频繁等特点，风能资源储备极为丰富，为风力发电规模化建设提供了有利条件。
近年来高寒地区风电装机容量显著攀升，已逐渐在我国风电产业发展中占据主导地位。伴随风电装机容量和风电场规模的扩大，风电机组的安全运行问题日益受到重视。雷击是影响风电机组安全运行的主要因素之一，当风电机组遭受雷击时，可能会造成风机不同程度的损坏，进而导致风电场承担巨大的经济损失和产生恶劣影响，雷击风电机组过程与严重损坏案例如图1所示。
图1 雷击风电机组过程与严重损坏案例
资料显示，日本风电机组雷击平均损坏率约为12.7次/(百台·年)，且沿海地区风电机组冬季雷击损坏次数远高于其他地区。丹麦、瑞典以及德国曾分别对本国风电机组雷击损坏次数做出准确统计，其中丹麦与瑞典风电机组雷击平均损坏率为3.9次/ (百台·年)与5.8次/(百台·年)，小于德国8次/(百台·年)；此外，德国山区风电机组雷击损坏率为14次/(百台·年)，高于统计结果显示的雷击损坏率平均水平。
美国则针对其三个州的风电场共计508台风机进行了5年的雷击损坏监测，结果显示风机叶片平均雷击损坏率为11.9次/(百台·年)，雷击叶片损坏次数随风机运行年限的延长而增长。
相对而言，我国风电场所处地理位置及其气候环境更为复杂，因此风机雷击损坏问题更为突出，相关调查结果表明，我国运行风电机组的雷击损坏率高于欧洲国家的平均值。
以南部风电场为例，2013年广东红海湾风电场自投产后发生了多次雷击事件，雷击叶片损坏占比达4%。仅2013年4月，广西资源金紫山风电场因雷击造成的风机箱变损坏多达12台，并于次年5月、7月再次出现雷击风机箱变损坏事故。华能南澳风电场作为国内乃至亚洲最大的海岛风电场，2001～2010年期间风电机组雷击损坏率为9次/(百台·年)。
此外，我国高寒地区地理、气候尤为特殊，导致风电场长期遭受雷击灾害的影响。基于东北某大型风电场雷击损坏的数据统计，2008～2011年该风电场因雷击引起的风机叶片损坏66次，风电机组控制系统损坏多达174次，风电机组雷击损坏率为37.5次/(百台·年)。
以上数据表明，雷击造成风电机组部件损坏较为频繁，尤其在高海拔、高纬度及寒冷地区的风电机组，雷击损坏次数增长显著，伴随风电大规模并网，上述问题将会更加突出。因此，开展相关风机雷电防护策略的研究，对高寒地区风电机组的安全稳定运行具有重要意义。
本文从风电机组特点、地理环境以及雷电情况等角度对高寒地区风电机组遭受雷击的特点进行阐述和归纳，将高寒地区风电机组雷电防护的研究划分为雷电防护系统、雷电先导起始及发展机理、雷电直击损坏机理与雷击电磁暂态过程四个部分，并对各个部分国内外研究现状进行了分析与梳理，同时结合尚待解决的问题，针对性地提出了高寒地区风机防雷的若干研究领域，以期为后续研究提供有益借鉴。
1 高寒地区风电机组雷击特点
1.1 高寒地区风电机组与地理环境的特点
20世纪90年代，国际上风电机组容量以600kW为主，随着风力发电相关技术的日益成熟，风电机组的单机容量已增大至MW级，并有向10MW以上发展的趋势。风电机组单机容量的提升，使风机轮毂尺寸、风机高度与叶片长度明显增大。高寒地区风电机组单机容量普遍较大，造成风机整体尺寸增大，从而提高了风机遭受雷击的概率。
高寒地区风电机组所处地理位置海拔与纬度较高，气旋活动频繁，易发生强对流与雷暴天气，且风电场周围较为空旷，增加了风电机组落雷的可能性。此外，由于高寒地区全年低温持续时间较长，相比于其他地区，风电机组设计需着重考虑低温载荷特性、材料低温特性以及冷态启动等问题，低温FD70B型1.5MW风电机组主要参数见表1。
表1 低温FD70B型1.5MW风电机组主要参数
1.2 高寒地区雷电情况
高寒地区雷电情况与平原地区差异较大，主要体现在雷电活动频率、雷电极性以及雷电流幅值等方面。图2为中国气象局国家气象信息中心统计制作的全国年平均雷暴日数分布图，其中内蒙古东部与东北地区雷电活动频率明显高于华中部分地区，导致风电机组遭受雷击的概率显著增加。而针对高寒地区一年之中雷电活动频率，相关资料表明其随季节改变而变化显著。
数据指出蒙东地区冬季雷暴频率极低，秋季雷暴频率为10.5%，是除夏季之外的第二雷暴多发季节。东北地区夏季雷暴日明显高于其他季节，与冬季雷暴日极少不同，深秋季节雷暴日虽明显减少，但雷电活动依然存在，其中辽宁省个别年度秋季落雷次数依旧维持在较高水平，而春季却无此类现象发生。
吉林省30年雷暴日统计数据指出省内不同区域秋季雷暴日与春季基本相同，其中中西部地区秋季雷暴日全年占比为8.96%～14.35%。黑龙江省秋季雷电活动频率与蒙东地区接近，具体占比为10%左右，但同样存在个别年度秋季雷电活动十分频繁的现象。
内蒙古气象部门对2013～2014年内蒙古高原地区地闪频次、地闪强度以及雷击灾害特征进行了统计与分析，结果显示内蒙古高原地区正地闪占地闪总数的10%，远高于南方地区，正地闪电流为负地闪的2倍左右。此外，当发生正极性雷放电时，自风机非接闪器部件上起始的上行先导可能对下行先导完成最终拦截，致使雷击风机时的损坏将更为严重。
图2 全国年平均雷暴日数分布图
雷电流幅值是衡量雷电强度的重要指标，对设备绝缘选择与防雷措施设计具有重要意义，而雷电流幅值与气象、地理位置具有紧密关系，故雷电流幅值需根据不同地区与环境进行区别计算。雷电流幅值I对数均值关于海拔高度、纬度的计算式为
通过式（1）可以发现，高寒地区的雷电流幅值因海拔高度与纬度的升高而有所降低。但鉴于高寒地区所面临的气候环境恶劣、平均雷暴日数较高、高土壤电阻率引起的接地电阻较大等问题，对高寒地区风机雷电防护能力的要求应进一步提高。
2 高寒地区风电机组雷电防护研究现状
2.1 高寒地区风电机组雷电防护系统
叶片是风电机组位置最高、体积最大的旋转部件，雷电放电逐级发展时，叶片遭受雷击的概率远大于风机其他部件，且叶片遭雷击损坏后，维修耗资巨大，因此目前主要基于风机叶片进行风电机组雷电防护系统的设计与研究。
在实际运行的风电场中，普遍采用的风电机组雷电防护系统由叶片金属接闪器与叶片内部金属引下线组成，当雷击风机时，叶片接闪器引雷击于自身，并将雷电流通过内部引下线泄入大地，从而降低雷击造成风机损坏的概率。
为检验有无接闪器与接闪器装设位置不同对雷击叶片损坏程度的影响，日本学者对长度为3m的叶片模型进行雷击模拟实验。
实验结果表明，叶片不装设接闪器与引下线时，雷击叶片造成叶片表面沿面放电或贯通性击穿；叶尖区域装设接闪器与引下线时，雷击基本发生在接闪器上；接闪器装设在远离叶尖的叶片表面时，雷击有多次发生在叶尖而未发生在接闪器上，并在雷击点与叶片内部导体间产生内部电弧，故接闪器应尽可能装设在叶尖区域。但此实验只针对风机局部部件，且叶片样品尺寸较小，而完整风机结构下接闪器位置的精确选取，还需开展相似实验进行验证与分析。
有学者对叶片接闪器装设位置作出了理论论证，通过建立长36m、无接闪器叶片模型，对叶片区域电场进行了仿真计算。仿真结果显示在距叶尖6m，尤其是距叶尖1m范围内，电场强度明显高于其他区域，叶尖附近遭遇雷击概率最大，因此接闪器的装设应尽可能靠近叶尖。
有学者基于经典绕击分析模型，对装设叶尖接闪器的风电机组进行绕击率计算，计算结果指出绕击率最大值约为0.1%，证明了叶尖接闪器具有良好的直击雷防护功能。
IEC/TR 61400 24例举了四种基于叶片的典型风电机组雷电防护系统设计，如图3所示。其中类型A与类型B为接闪器与引下线组合；类型C是将金属导体安装在叶片边缘以起到接闪器与引下线的作用，但此种设计可能会影响叶片转动，并且引发噪声污染等问题；类型D则是在叶片表面涂层下铺设金属网，从而达到拦截雷击、泄放雷电能量的目的。
图3 IEC/TR 61400 24例举的雷电防护系统
此外，国内外学者还就接闪器数量、尺寸对风电机组雷电防护的影响开展了相关研究。有学者通过模拟不同接闪器装设方式下的叶片附近电压分布发现，即便接闪器数量增加至5组以上，也不会造成电压分布的较大变化，因此增加接闪器数量对叶片雷击接闪过程影响较小，故在叶尖装设1组接闪器的经济性更为突出。有学者认为叶片接闪器数量的增加虽在一定程度上扩大了保护范围，但对接闪器拦截效果的提高较为有限。此外接闪器半径由4mm增大至8mm后，将导致接闪器处更加难以触发上行先导。
以上研究成果对高寒地区风电机组雷电防护系统的设计具有重要指导作用，但考虑高寒地区风电机组尺寸较大，接闪器的装设位置与数量仍需进一步验证。雷电观测结果指出，蒙东通辽扎鲁特风电场所处地区曾分别于1977年10月23日、2012年10月16日出现雷暴活动，黑龙江伊春小城山风电场所处地区于1996年10月28日发生雷暴。
气象资料显示，蒙东、东北地区进入10月后降温幅度明显，上述雷暴发生日期及相邻几日，两风电场所处地区平均最低气温维持在0℃以及0℃以下。结合以上数据分析可知，高寒地区风电场所处区域月发生雷暴时，叶片表面将可能出现局部积霜、覆冰的现象，此类现象可能对接闪器的拦截效果造成影响。
以上问题对高寒地区风机防雷系统的设计提出了更高要求，应据此开展更为深入、系统的研究。此外，高寒地区雷电情况与其他地区存在较大差异，应基于实际雷电情况，对高寒地区风电机组雷电防护系统的能力进行分析与评价。
2.2 高寒地区风电机组雷电先导起始及发展机理
雷电先导的起始与发展是雷电防护研究的重要基础，雷电下行先导不断向下发展，当地面物体起始的上行先导与下行先导发生最后跃变并连接时，即完成雷击物体的过程。
有学者指出，在下行先导逐步向风电机组发展时，将在叶尖接闪器、叶片、机舱以及轮毂等部件处发展上行先导，从而形成上行先导竞争跃变的物理现象。但基于目前已有的风电机组雷电防护系统，叶片尖端的金属接闪器接地良好，曲率半径极小，且所处位置高于其他部件，叶尖接闪器处的上行先导往往最早起始，并最先与下行先导发生跃变，接闪器有极大概率成为雷击点，从而使风机得到保护。因此，目前相关学者主要针对装设接闪器的风电机组，进行雷电先导问题的理论与实验研究。
有学者对雷击风机叶片上行先导的起始机制开展了充分的论证与研究，提出了基于临界长度的叶片上行先导起始判据，并对临界长度的影响因素进行了分析，但叶片初始流注区电场强度与临界长度变化对叶片上行先导起始的影响，还需进一步探索。
与传统电力设备雷电防护不同，风机正常工作时叶片处于旋转状态，有学者通过开展1m空气间隙旋转叶片接闪缩比试验，发现叶片旋转时上行先导的发展不如叶片静止时充分，叶片转速愈高，上行先导发展愈受抑制，遭受雷击的概率愈低。其主要原因为叶片旋转改变了叶尖区域的正离子浓度，从而不利于流注与上行先导的发展。
此外，有学者指出1m气隙的平均击穿电压可以基本反映叶片上行先导的发展情况，击穿电压愈高，上行先导发展愈不充分。不同转速下1m气隙的平均击穿电压与叶片上、下行先导连接位置分别见表2和如图4所示。
表2 不同转速下1m气隙的平均击穿电压
图4 不同转速下1m气隙叶片上、下行先导连接位置
基于旋转叶片接闪缩比试验的相关结论，有学者开展了1m气隙不同接闪配置下的叶片接闪缩比试验。试验结果表明当接闪器曲率半径较小时，气隙的击穿电压较高，叶片上行先导的发展落后于曲率半径大的接闪器，其主要原因为曲率半径较小的接闪器，其叶尖区域正离子浓度较高，削弱了接闪器附近电场，进而抑制了流注与上行先导的发展。
此外相关资料指出，存在叶尖接闪器上行先导拦截下行先导失效的问题。当第一次下行梯级先导击于叶尖接闪器后，第二次下行箭式先导的发展将更为迅速，且可能绕过叶尖接闪器，与叶身表面起始的上行先导发生跃变。由于自然界中正极性雷电出现概率较小，现有研究主要针对负极性雷电的先导过程，但有关实验表明，接闪器对正极性下行先导的拦截效率有所降低，正极性雷电有击中风机其他部件的可能。
上述两种情况将对风电机组造成严重损坏，相关雷电防护措施仍旧需要完善。此外，风电场机组数量较多，但目前关于多风机场景下叶片上行先导竞争跃变机理的研究相对较少，应基于风电场实际情况开展进一步的探索。
高寒地区的地理位置以及与之相连的自然环境特征突出，故其地理环境与其他地区具有较大差异，进而导致平均大气条件区别明显。风电机组雷电先导的起始及发展与大气条件紧密相关，因此应以环境因素与大气条件为前提，对高寒地区风电机组雷电先导问题进行分析与论证。此外，考虑高寒地区雷电下行先导过程与极性的特点，风机各部件上行先导的发展情况需进行更深入的研究。
2.3 高寒地区风电机组雷电直击损坏机理
风电机组雷电直击损坏是指雷电直击造成的风机部件老化、损伤甚至毁坏，目前可将风电机组雷电直击损坏分为两种情况：一种为雷电直击风机非接闪器的部件时，对部件表面及内部的损坏；另一种则是雷击接闪器后，雷电流通过内部引下线过程与雷击电弧偏移对风机叶片的损坏。
当雷电直击风机非接闪器的部件时，雷击电弧的高温将灼烧雷击点附近的材料，率先对风机部件造成破坏。雷击点处的高温还将快速传递至风机部件内部，内部材料中的空气与高温下分解出的气体受热后迅速膨胀，造成压力的快速上升，进而对风机部件造成机械损坏。此外，该压力波不仅存在于雷击点附近，亦可传播至风机其他部件，从而使破坏范围进一步增大。
风机叶片多由玻璃纤维、聚氯乙烯（PVC）或巴塞木等合成材料制成，由于制作工艺的问题，叶片夹层或内部会遗留水蒸气。雷电绕过接闪器直击叶片时，雷击点的高温电弧使叶片内部温度大幅上升，水蒸气受热膨胀后的压力将可能导致叶片局部开裂、断层甚至爆裂。
有学者针对叶片内部水蒸气热膨胀的情况进行了实测分析，分析表明水蒸气的分布随叶片材料、叶片部位的不同而变化，其受热膨胀后将导致叶片内部产生不平衡压力，造成叶片不同程度的损坏。此外，在雷直击于叶片时，雷击点与叶片内部导体间可能会产生内部电弧。
内部电弧是造成叶片内部材料严重损坏的重要原因，有学者开展了叶片夹层材料PVC与巴塞木的电弧热效应模拟实验，结合分子反应动力学理论，对PVC与巴塞木在内部电弧下的损坏特征、程度以及机制进行了归纳，研究表明高温下PVC与巴塞木的材料聚合度发生明显变化，进而影响材料的机械强度。其中PVC残余聚合度与峰值温度、时间的关系如图5所示。
图5 PVC残余聚合度与峰值温度、时间的关系
当雷电成功击于接闪器后，雷电流通过叶片内部引下线向大地泄放，引下线中电流热效应可能会使叶片夹层中的水蒸气膨胀，造成叶片的内部损坏。另一种情况为雷电流流过引下线时产生的电应力使引下线发生明显形变，进而使叶片内部材料发生断裂。
针对雷电流通过内部引下线造成的叶片损坏问题，相关学者提出了外置引下线的设计，意在避免雷电流通过引下线时对叶片的危害，但外置引下线将影响风机叶片转动时的气动特性，有关此设计的可行性仍需进一步评估与论证。
有学者则指出在旋转叶片接闪时，雷击电弧在接闪器附近将发生偏移，形成拉弧现象，进而烧蚀叶片，实验结果与现场叶片损坏情况表明，叶片转速越大，烧蚀范围越大。
基于高寒地区雷电活动频率与2.1节中提及的相关数据，当高寒地区风电机组在低温条件下遭受雷击时，雷击电弧热效应与内部引下线雷电流的作用将可能引发风机叶片及其他部件温度的大幅骤变，结合风机部件材料在寒冷环境下呈现的低温脆性，上述过程将对风机造成更大的破坏。因此考虑低温影响，相关损坏机制的结论还需进一步完善。
2.4 高寒地区风电机组雷击电磁暂态过程
雷电击于接闪器后，雷电流经引下线、机舱、塔筒以及接地系统泄入大地，但由于雷电流行波幅值较高，电流变化与泄放速度极快，在经过机舱与塔筒时将建立暂态电磁场，此类电磁场通过感应与辐射的方式，影响风机控制系统的正常工作，甚至使控制系统中的电子设备发生严重故障。统计结果显示，控制系统损坏占风电机组雷击设备损坏总数的40%～50%。
此外，快速变化的电磁场将在塔筒内通信或电力线路中产生幅值较高的暂态过电压，从而对设备绝缘造成危害。与雷电直击风机部件造成的损坏有所不同，雷击电磁暂态过程对风电机组的危害是间接的，应对此开展相关的探索与研究。
有学者针对雷击过程中塔筒内电磁场提出了一种简化算法，具体是将塔筒与雷电流进行合理等效，并依据麦克斯韦方程计算塔筒内的电场与磁场，为风机控制系统的雷电防护提出了有效措施。国内外学者通过建立较为全面的风电机组电磁暂态模型，对风机内部雷击暂态过电压进行了计算。
有学者通过研究不同接地电阻、接地方式下塔体自身与塔体内电缆的雷电暂态过电压，发现减小接地电阻并不能有效降低塔体过电压的幅值，但可以减小缆芯与屏蔽层间的过电压。独立接地方式下不同接地电阻的塔体顶端暂态过电压波形如图6所示。
同时仿真结果表明接地电阻为1Ω时电缆过电压峰值较接地电阻为10Ω时降低40%，此外，风机公共接地方式将造成电缆过电压过大，因此对接地电阻的要求较高（1Ω以下）。
有学者则表明风机独立接地方式下雷击暂态过电压幅值较小，其中长棒形、环形接地体对过电压的抑制作用明显。
图6 塔体顶端暂态过电压
有学者基于分段参数，将雷击风机电磁暂态模型进一步完善，根据不同雷电流波形与塔筒高度，对雷击风机暂态过电压的变化进行了有效评估。研究表明，雷电流波前时间1.2μs时的塔筒顶部电缆过电压为20μs时的1000倍以上。当塔筒高度不同时，电缆过电压的分布趋势一致，但不同塔筒同一比例区间下，过电压数值相差较大。
高寒地区土壤情况较为复杂，故高寒地区风电机组的接地系统与接地电阻不同于其他地区，应对雷击风电机组后的电磁暂态模型进行修正。此外，高寒地区风机塔筒内物理场的分布以及线路中暂态过电压的防护措施尚缺乏系统研究，相关问题需进一步的探讨与论证。
3 高寒地区风机防雷的若干研究领域
针对高寒地区风电机组特点、地理环境及雷电情况，结合目前高寒地区风电机组雷电防护的研究现状与尚待解决的问题，提出若干研究领域如下：
（1）高寒地区风电机组雷电防护系统的优化配置与能力评估。
考虑高寒地区风电机组结构特点、自然环境以及雷电活动频率的影响，开展低温条件下大型风机模型雷击模拟实验研究，从而完成对雷电防护系统的优化。此外，基于高寒地区雷电情况，对原有风电机组的绕击率进行修正，形成高寒地区风电机组雷电防护系统能力的评价体系。相关研究的开展对降低高寒地区雷击风电机组损坏率、保证高寒地区风电场安全运行具有重要意义。
（2）高寒地区风电机组雷电先导物理机制与影响因素。
根据高寒地区环境特点，探讨大气条件变化对风电机组雷电先导起始及发展的影响。同时高寒地区雷电下行先导的极性应予以考虑，从而分析风电机组各部件上行先导的拦截能力。此外，高寒地区风电场多风机上行先导竞争机理仍需进行更深入的探索。上述问题的研究，将为改善高寒地区风电机组的引雷能力提供理论支撑。
（3）高寒地区风电机组雷电直击损坏特征与机理分析。
针对高寒环境风机部件的低温脆性，开展雷击电弧热效应下风机部件的损坏特征与损坏机理研究，并通过相关实验，归纳引下线雷电流热、电效应下低温叶片的损坏特征。相关机理的探索将揭示风机部件雷电直击损坏的基本过程，为耐雷部件的设计、弱化风机雷电直击损坏提供关键依据。
（4）高寒地区风电机组雷击物理场的计算与过电压防护。
针对高寒地区风电机组接地系统，建立适用于高寒地区的雷击风电机组电磁暂态模型，对暂态过程中的物理场进行计算与分析，从而抑制电磁干扰对风机控制系统的危害。高寒地区雷击风机暂态过电压的相关特性尚待研究，需依此制定合理的防护措施。有关研究的开展将系统阐明高寒地区风电机组雷击电磁暂态的基本过程，相关防护措施的提出将有效避免风电机组雷击的间接损坏。
1）高寒地区风能资源丰富，已成为我国风力发电发展的重要基地。然而有关统计数据表明，高寒地区风电机组雷击损坏次数明显增多，甚至造成风机机舱等重要部件的严重损坏，直接威胁风机的安全稳定运行。因此应针对高寒地区风电机组，开展相关雷电防护策略的基础研究。
2）目前高寒地区风电机组雷电防护的研究工作主要从雷电防护系统、雷电先导起始及发展机理、雷电直击损坏机理以及雷击电磁暂态过程四个方面展开，研究成果为高寒地区风电机组雷电防护策略的设计提供了重要支持。但现有理论、实验研究的模型与方法，对高寒地区风电机组结构、环境因素以及雷电情况的考虑尚不充分，故相关数据与结论不能完全作为高寒地区风电机组雷电防护的依据。应基于上述考虑不足之处，完善理论模型与实验平台，以满足开展高寒地区风电机组雷电防护相关研究的实际需求。
3）基于高寒地区风电机组雷电防护现有研究成果，考虑高寒地区风机结构、地理环境以及雷电情况，本文对高寒地区风机防雷尚待解决的问题进行了归纳与总结，并针对性地提出了若干研究领域，为后续研究提供了有利参考，相关课题具有良好的研究前景与发展空间。