摘要：由于风力发电具有清洁无污染、可持续利用等方面的特点，在我国能源结构调整、节约利用资源、促进生态环境保护和推进经济可持续发展方面的作用巨大。随着全球风力发电产业规模的持续扩张，风力发电机组因雷击引发的故障问题逐年增加，且以雷电绕击引发的设备损坏和经济损失尤为显著。基于此，本文结合雷电绕击原理，分析了风力发电机雷电绕击原因及危害，同时提出了几点科学有效的雷电绕击防护措施，以期提升风力发电机的雷电防护水平，确保风力发电系统安全稳定运行。

1、引言

在全球能源转型和碳中和推进的过程中，作为清洁能源的主力军，风力发电迎来了蓬勃发展。近年来，全球风电装机容量高速增长，我国更是走在行业前列，2023年新增装机容量占全球40%以上，风力发电现已成为能源供应体系的重要支撑。由于风力发电机组矗立在空旷地带，且轮毂高度在百米以上，而叶片长度达到了80米左右，这种高耸结构很容易成为雷电袭击的对象。有统计显示表明，约80%左右的风机每年至少遭受一次雷击，且以雷电绕击最为棘手，其引发的事故占比还在逐年增加。雷电绕击是指雷电绕过风机接闪位置，击中叶片、电气系统等关键部位的特殊雷击现象，因随机性强、隐蔽性高，很难通过常规手段进行防御，强大的雷电流会在瞬间释放强大能量，使得叶片内部温度骤然升高，进而出现爆裂、穿孔甚至断裂的风险。同时，雷电流产生的电磁脉冲还会对电气和控制系统产生影响，使得机组停机、数据丢失，甚至是引发火灾爆炸事故，并造成巨大的经济损失，不仅影响风电项目收益，还在一定程度上削弱了公众对风电可靠性的信息。因此，全面分析风力发电机的雷电绕击影响因素及危害，并探索科学有效的防护措施，对保障风电安全、加快能源转型具有十分重要的作用。

2、雷电绕击原理

雷电的形成是大气云层中积累的电荷，一旦电场强度达到一定数值时，会有极为强烈的放电现象。在雷电放电中，雷电先导会逐渐朝着地面发展，在接近地面后，会结合四周物体电场分布状况选择合适的放电通道。传统观念中，接闪器可吸引雷电，进而向大地中泄放雷电流，以保护设备。在实际情况中，因风力发电机特殊的结构和复杂的大气环境，雷电先导可能不会根据预期路径被接闪器吸引，而是绕过接闪器击中风力发电机的其他部位，该现象就被称之为雷电绕击。结合电场分布情况，风力发电机叶片旋转中会改变周边电场分布情况。在雷电先导接近时，叶片尖端、机舱等部位的电场强度会发生变化，使得雷电先导偏离接闪器吸引范围，雷电绕击风险随之增大。另外，大气中的气流、湿度等也会影响雷电先导发展路径，雷电绕击的不确定性加剧。

3、风力发电机雷电绕击原因

3.1自身结构

①叶片。实际上，风力发电机的叶片较长，且以复合材料为主，相较于金属材料，该类型材料对雷电的吸引和传导能力较弱。叶片在旋转中会改变表面电场分布，使得雷电更容易绕击叶片。另外，叶片形状和表面粗糙度也会对电场分布产生影响，雷电绕击出现的概率随之增加。②机舱。机舱是风力发电机的核心部件，内部包含有各种类型的电气设备和控制系统。机舱中的高度和尺寸较大，在雷电先导发展中，顶部和侧面电场强度数值较大，极易成为雷电绕击目标。机舱内的电气设备对雷电过电压反应较为敏感，当遭受雷电绕击后，可能会损坏设备，不利于风力发电机正常工作。

3.2环境因素

通常情况下，风力发电场往往分布在高山、沿海等地，由于这些地区的地貌地形条件复杂，大气电场分布极不均匀，雷电出现频率和强度均较高，使得风力发电机遭受雷电绕击的概率大幅度增大。如，在山区，雷电可能沿着山脊发展，在绕过接闪器后很容易击中风力发电机；沿海地区，因海洋气候的影响，该地空气湿度偏高，雷电活动剧烈，出现雷电绕击的风险增大。

3.3接闪器设计因素

接闪器设计是否合理直接关系到对雷电的吸引效果。若是接闪器高度不足、数量较少或布设不合理，就很难吸引雷电，风力发电机出现雷电绕击的概率增加。另外，接闪器与风力发电机其他部件间的电气连接是否良好也极其重要。若是连接不良，会在雷电电流传导中产生阻抗，雷电过电压快速升高，设备极易受损。

4、风力发电机雷电绕击危害

4.1核心部件受损

叶片是风力发电机产生风能的关键部位，雷电绕击叶片时，强大的雷电流在叶片内部会有较高的温度和压力产生，使得叶片材料在瞬间被熔化、汽化，进而形成空洞、裂纹等损坏。与此同时，雷电流引发的电磁效应会在风力发电机叶片表面产生感应电荷，进而出现静电放电，叶片受损程度不断加剧。叶片损坏在对风力发电机发电效率产生影响的同时，还会造成叶片断裂，引发安全事故。另外，绕击产生的冲击力会作用到轮毂、主轴和轴承等机械部件，虽然表面没有明显的破损，但内部金属晶体结构会极易因高频振动产生微裂纹。长此以往会造成轴承间隙增大、主轴同心度便宜，最终引发齿轮箱漏油、主轴卡死等故障。

4.2电气系统连锁故障

雷电流通过叶片接闪器接地后，在回路中会有瞬态过电压产生，很容易击穿发电机定子绕组的绝缘层，使得匝间出现短路。与此同时，控制室内的精密电子元件，如PLC控制器、变流器等对电磁干扰反应的较为敏感，绕击产生的感应电动势可瞬间烧毁电路板，使得飞机失去变桨控制能力，进而产生飞车事故。对于集电电缆来说，若是没有将屏蔽接地措施做好，绕击产生的雷电波将沿着电缆传导，将会击穿变压器绕组匝间绝缘，油浸式变压器可能会因内部电弧而出现爆炸事故，进而引发巨大的经济损失。

4.3火灾风险与电网扰动

因雷电中的热效应会造成机舱内电气设备温度骤然升高，如电缆接头处因电阻增大产生高温，引燃绝缘材料和润滑油。由于机舱空间较小且通风条件受限，一旦起火后，在短时间内火势会逐渐朝整个设备蔓延，严重的情况下会烧毁整台风机。风力发电机遭受绕击后，定子绕组短路会有强大的冲击电流产生，使得并网点电压骤然下降，使得电网电压出现暂时下降的情况。若是多个风机在同时间遭受雷击，将会触发电网继电保护装置动作，使得风力发电机周边地区出现大范围停电。

4.4停机损失

当风力发电机遭受雷电绕击损坏后，需立即关停维修。维修期间包括多个环节，如检修设备、更换零部件、调试系统等，耗时较长。在停机期间，风力发电机将不能正常发电，会造成巨大的经济损失。根据估算，对大型风力发电机来说，一台发电机停机一天，发电收益可能会损失数万元。另外，若是频繁的停机维修，会造成风力发电机使用寿命缩短，设备运行维护成本大幅度增加。

5、风力发电机雷电绕击防护措施

5.1优化接闪器设计

5.1.1布设提前放电避雷针

实际上，提前放电避雷针主要是利用内部的电子装置或放射性元素确保雷电先导还没有接近保护的物体时，主动产生向上的迎面先导。将其与传统避雷针进行比对，该类型避雷针的接闪能力较强且保护范围大。有关研究结果表明，在相同条件下，安装提前放电避雷针的风力发电机，其雷电绕击概率可降低 30%~50%作用。实际应用中，应结合风力发电机高度、当地雷电活动参数等因素，对提前放电避雷针的型号和安装位置进行合理选择。如，若是风力发电机高度在120m以上，可将多支提前放电避雷针安装到风力发电机叶片尖端、机舱顶部等关键部位，以形成立体防护网络。

5.1.2 接闪器布局优化

由于风力发电机的结构较为复杂，选用传统的单支接闪器很难完全覆盖风力发电机的所有部件，因此需要采用多接闪器联合防护的方案。通过建立雷电绕击仿真模型，结合电气几何模型（EGM）和先导发展模型（LPM），可以对不同接闪器布局方案的防护效果进行评估和优化。在叶片表面每间隔一定距离布设一个小型接闪器，并通过低阻抗引下线与机舱接地系统连接，可将叶片绕击风险降低。另外，将环形接闪器布设到塔筒顶部，可对塔顶进行有效保护，进而减少雷电从塔筒侧面绕击风险。

5.2 加强电气系统防护

5.2.1浪涌保护器的选型与配置

浪涌保护器是风力发电机电气系统防雷的关键设备。根据安装位置和防护需求的不同，可将浪涌保护器分为电源线路浪涌保护器、信号线路浪涌保护器和天馈线路浪涌保护器等类型。在电源线路中，通常采用三级防护配置：第一级浪涌保护器安装在风力发电机变压器的高压侧，用于泄放大部分雷电流；第二级浪涌保护器安装在变压器低压侧，进一步限制过电压；第三级浪涌保护器安装在各电气设备的前端，保护敏感电子元件。在选型时，需根据线路的额定电压、最大持续运行电压、雷电流参数等确定浪涌保护器的标称放电电流、最大放电电流、电压保护水平等参数。

5.2.2 屏蔽与接地优化

为了减少雷电电磁脉冲的感应耦合，需做好电气线路的屏蔽处理。通过采取金属铠装电缆或在电缆外套上金属屏蔽管，并将屏蔽层两端做好可靠接地，可将线路上的感应过电压降到最低。与此同时，还要对接地系统不断优化，以减少接地电阻值，这是提升电气系统防雷性能的重要举措。通常情况下，风力发电机的接地系统以环形接地网为主，通过增加垂直接地极、使用降阻剂等方法，可将接地电阻降至4Ω以下。此外，将叶片、机舱、塔筒等部件的接地系统进行等电位连接，能够避免地电位差对电气设备造成损坏。

5.3 采用新型材料和技术

5.3.1导电纳米涂层的应用

在风力发电机叶片表面涂覆导电纳米涂层属于新型的防雷技术。导电纳米涂层主要由碳纳米管、石墨烯等导电纳米材料与基体树脂复合而成，其导电性能和机械性能较强。一旦风力发电机叶片被雷电击中，通过导电纳米涂层能够迅速将雷电流分散传导，降低局部电流密度，减少叶片的热损伤和机械损伤。实验室测试表明，涂覆导电纳米涂层的叶片模型，在遭受模拟雷电冲击后，表面温度升高幅度降低约 60%，内部应力峰值减小约 40%。目前，该技术已在部分海上风机叶片中试点应用，且取得了良好的防护效果。

5.3.2 智能监测与主动防护技术

利用传感器技术、物联网技术和大数据分析技术，构建风力发电机雷电防护智能监测系统，以实时监测雷电活动、防雷系统和设备健康状况。通过在风力发电机叶片、机舱、塔筒等位置安装电场、电流及振动传感器，并将采集到的雷电参数和设备运行数据传输到监控中心。一旦检测到雷电活动，系统可对绕击风险自动评估，同时结合提前设置的策略开展主动防护，如调整叶片角度、切断非关键设备电源等。此外，通过对历史数据的分析，还能提前预测防雷系统故障隐患，实现预防性维护，增强风力发电机的可靠性与安全性水平。

结论：

综上所述，风力发电机的雷电绕击问题对风力发电系统的安全稳定运行的影响较大，通过深入分析雷电绕击原理、影响因素及危害，提出了一系列行之有效的防护措施，以降低风力发电机雷电绕击概率，减少设备损坏和经济损失，提升风力发电机系统的安全性和可靠性水平。

    作者：李萍  李利轩  刘洪波