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风电场是利用风能发电的重要设施，随着风电的不断发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径也随着增高，相对的也增加了被雷击的风险。
（资料图：中船海装）
雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元器件烧毁等设备损坏，继而导致发电停止并对电网造成影响，甚至还会导致火灾等严重后果，因此必须采取有效的措施防止雷击事故的发生。
雷电的产生
空中的尘埃、 冰晶等物质在大气运动中剧烈摩擦生电以及云块切割磁力线，在云层上下层分别形成了带正负电荷的带电中心，运动过程中当异性带电中心之间的空气被其强大的电场击穿时， 就形成放电。
通常雷击有三种形式， 直击雷、 感应雷、雷电侵入波 。
直击雷
直击雷指带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，它的电压峰值通常可达几万伏甚至几百万伏，主要危害建筑物、建筑物内电子设备和人。
防避直击雷通常都是采用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属物件作为接闪器，将雷电流接收下来，并通过作引下线的金属导体导引至埋于大地起散流作用的接地装置再泄散入地。
感应雷
感应雷分为静电感应和电磁感应两种，静电感应是由于雷云接近地面，在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷所致。雷云与其他部位放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚，以雷电波形式，沿突出物极快地传播。
电磁感应是由于雷击后，巨大雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场所致。这种磁场能在附近的金属导体上感应出很高的电压，造成对人体的二次放电，从而损坏电气设备。
雷电侵入波
雷电侵入波是指落在架空线路上的雷，沿着线路侵入到变电站、配电室、生产车间或住宅内，致使设备或人员遭受电击。雷电在放电过程中，呈现出电磁效应、热效应以及机械效应，对建筑物和电气设备有很大的危害性。
雷电对风电机组的破坏
风电机组一般安置在风能资源比较好的复杂地形地带，如旷野、山顶等，环境比较恶劣，特别是兆瓦级风机的叶片高点甚至达100多米，特别容易被雷电击中。因此，雷电灾害是威胁风电机组安全运行和风场效益的重要因素之一。
根据相关统计，德国、丹麦和瑞典等国由雷击导致的风力发电机损坏数量，每100台平均每年3.9次到8次。数据显示，在北欧的风力发电机组中，每100台每年有4-8台遭受雷击而损坏。
据国外早期统计的风电机组各部件遭受雷击的故障率来看，风机中不同部件遭雷击损坏的概率中，控制系统雷击损坏占35-40%，其次是电气系统、叶片和传感器等。
随着近年来安装防雷装置，控制系统的防雷保护已取得明显的改善，而新生产的风电机组最常见的损害的是叶片。据长期统计，雷击造成的损坏中除了机械损坏之外，风机中电气控制部分包括：变频器、过程控制计算机、转速传感器、测风仪等，也经常遭到损害。
风力发电机组常见的雷电原因：
1. 风机叶片和塔身的静电积累
2. 风机塔身高度，与周边环境形成不同的场强
3. 风机发电机低频电磁辐射的电荷积累
从风电机组防雷研究成果上看，对外部直击雷防护，重点是放在改进叶片的防雷系统上；而对内部的防雷，即过压、过流保护，则由风机厂家设计完成。 为了保护风力发电机组，我们可以采取以下几种防雷措施： 风机内部防雷保护系统 内部防雷保护系统是由所有的在该区域内缩减雷电电磁效应的设施组成。主要包括防雷击等电位连接、屏蔽措施和电涌保护等。塔架内机组的各种电压范围的变压器、控制模块设置相应保护水平的电源浪涌保护器；对于信号线缆则需要串联相应的信号浪涌保护器来抑制过电压对线路的破坏。 安装切除器防雷电 通过安装切除器，可以在雷击时将风机电缆与电网断开，避免损坏风机设备。 新材料防雷电 在叶片上翼面复合材料中加入具有良好导电性能和比重轻的碳纤维，并在叶尖部位装一个接闪器，通过电缆与叶片法兰连接，再由轮毂通过塔架内的接地线接入地网形成雷电通道( 如果通道中转动部分导电性能不能达到导电要求，可以加装导电滑环解决) 。当雷电击中叶片时，强大的雷电流通过雷电通道泻入大地，达到避雷效果，而不致使对叶片及其他设备造成损坏。 将风场内所有建筑工程基础和地桩间利用导电截面积足够的金属导体连接为一体形成可靠的具有低电阻接地网，接地电阻越小越好。由于对地电阻小， 强大的雷电流能够迅速散流到大地， 使设备不受强电流、 高电压冲击， 对被保护设备起到很好的防护效果。 在风力发电机组电力电缆和通讯控制线线路上安装避雷器， 就能把因雷电感应而窜入电力电缆线、 信号传输线的高电压限制在一定范围内，保证设备不被击穿而达到防雷效果。 避雷防护盖防雷电 对风电机组的机舱部分安装避雷防护盖，减少雷击的可能性。避雷防护盖能够吸引和引导雷电分散，避免雷电直接击中敏感部位。 安装雷电监测系统 在叶片上嵌置光导纤维， 加上综合配套的软件， 对叶片的载荷、 温度、 潜在断裂及破坏、 雷电打击等起到连续不间断的全天候监测，一旦发现雷电风险很高，系统会及时地关闭风机以保护设备。 防止静电聚集 通过在机组上加装静电释放装置等方法能够有效地排除风电机组上的静电，减少雷击的可能性。静电释放装置能够及时将静电释放到大气中，减少风电机组周围的电场变化。 定期维护和检测 定期对风电场的防雷设施进行维护和检测，确保其正常运行。包括检查避雷装置的完好性，及时更换损坏的部件，保证其良好工作状态。 停电保护 在雷电活动频繁的天气条件下，可以考虑临时停电措施，以确保人员和设备的安全。及时关闭风电机组，减少雷击风险。 综上所述，可以通过安装切除器、避雷针、接地网和雷电监测系统等，有效地降低风机受到雷击的可能性，同时保护电网和设备安全运行。 （资料图：明阳集团） 海上风电机组处于最高位置的叶片最易遭受雷电的直接打击，而且相对于内陆，海上雷电更多，且环境更易腐蚀防雷装置。因此在防雷设备的选择上，在叶片尖端的接闪器宜选用有更大保护范围，更强保护能力的不锈钢预放电避雷针；对于高处的风向标，塔架等也要设置完善的接闪装置。 海上风电机组可以采取以下几种防雷措施： 叶片防雷 在叶片尖端和中部安装有雷电接闪器，由一根70mm²传导雷击电流的电缆与叶片根部的触点相连，并在叶片根部的触点通过柔性电缆连接到轮毂。提供一个火花放电隙作为第二个泄流通道，放点隙不大于1mm。 机舱罩 机舱罩上部内壁安装有雷电屏蔽网，屏蔽网和机架连接，形成法拉第网，能够有效地减少雷电感应的电磁干扰，保护机舱内部的电气设备。 接地系统防雷 接地系统主要由接地电极、接地线和接地矩形网组成。通过将这些设备正确地连接在一起，可以将雷击电流安全地传送到地面，从而保护风机设备及操作人员的安全。在接地系统中，接地电极的选型及站点的选址都至关重要，需要结合当地的地质条件和气候环境来进行选择和设计。 避雷针 相对于陆上风电场，海上风电场所遭受的雷击风险更大。因此，在海上风电的防雷设计中，避雷针的使用尤为必要。避雷针一般安装在风机塔的顶部，它可以将空气中的电场强度降低，促使雷电引向地面，从而减轻风机设备所承受的雷击压力。避雷针的选型也需要考虑到风场所在地的气候条件及环境特点，以保障其防雷效果的可靠性。 直击雷保护系统 直击雷保护系统主要采取的措施有接闪器系统、引下线系统、等电位系统、接地系统等。感应雷防护主要采取的措施有过电压防护系统、电磁屏蔽系统等。 海上风机防雷感应雷防护系统主要过电压防护系统和电磁屏蔽。过电压防护系统就是通过避雷器多级能量泄流配合，保护电子和电气设备的安全，并保护现场人员避免遭遇跨步电压和接触电压。电磁屏蔽主要是取决于金属机舱的屏蔽和导线的屏蔽。 海上风机的机舱大部分为金属构造，利用金属机舱构成一个大型的屏蔽体，可以有效减少外部电磁场的侵入，从而保护电气设备安全运行；风电机组线路采用双绞线、屏蔽线，以及穿金属管金属线槽等都会减小导线上的磁场，屏蔽层/金属线管/线槽应该两端接地。
（资料图：东方风电）