第27卷第7期电网技术Vol.27No.7
2003年7月PowerSystemTechnologyJul.2003
文章编号：1000-3673（2003）07-0012-04中图分类号：TK83;TM863文献标识码：A
风电机组的雷击机理与防雷技术
赵海翔，王晓蓉
（中国电力科学研究院，北京100085）
LIGHTNINGSTROKEMECHANISMOFWINDTURBINEGENERATORSANDITS
LIGHTNINGPROTECTIONMEASURES
ZHAOHai-xiang,WANGXiao-rong
(ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100085,China)
ABSTRACT:Alongwiththeenlargementofcapacityof
windturbineandthescaleofwindfarm,theattentionispaidto
thesecureoperationofwindpowerincreasingly.Inthefactors
influencingthesecureoperationofwindfarm,thelightning
strokeisanimportantone.Accordingtotheresearch
achievementsoflightningprotectionforwindturbine
generators,thelightningstrokeprocessanddamage
mechanismofwindturbinegeneratorsanditslightning
protectiontechnologyarediscribedcomprehensively.
KEYWORDS:Windturbinegenerators;Lightning;
Protection
摘要：随着风电机组单机容量和风电场规模的增大，风电场
的安全运行问题日益受到重视。在影响风电场安全运行的诸
多因素中，遭受雷击是一个重要方面。本文结合风电机组防
雷的研究成果，对风电机组的雷击过程、雷击损坏机理以及
防雷措施进行了较全面的阐述。
关键词：风电机组；雷击；保护
1引言
随着人们对可再生能源利用价值认识的提高，
以及风电机组制造、控制和其它相关技术的不断进
步，风力发电在近十几年来的发展非常迅速，到
2001年底全世界的风电总装机容量已超过
24GW[1]。与此同时，风电机组的单机容量和风电
场的总装机容量也不断增长，因此风电场的安全运
行问题也越来越受到人们的关注。影响风电场安全
运行的因素很多，其中遭受雷击是一个非常重要的
方面。随着单机容量的增大，风电机组的塔筒越来
越高，再加上大型风电机组一般安装于开阔地带或
山地，因此风电机组遭受雷击的概率也较大。
以德国风电场遭受雷击的情况为例。德国风电
部门对近年来该国风电机组的故障情况进行了统
计，其中1992~1999年间风电机组雷击事故情况如
表1所示[2]。由表可见，多年以来德国风电场每100
风机年的雷击数基本维持在10%左右。另外，调查
结果还表明，在所有引发风电机组故障的因素中，
外部因素（如风暴、结冰、雷击以及电网故障等）
占16%以上，其中雷击事故约占4%。
表1德国风电机组雷击事故统计（1992~1999年）
Tab.1Windturbinefailuresduetolightningin
Germany(1992~1999)
统计年19921993199419951996199719981999
风机台数/台7411058132914751521150914901473
总风机年数/台·年575
898
118514091500150414891473
雷击数/次58
79
149
120
70
111
127
106
每100风机年中
雷击数/%10
9
13
9
5
7
9
7
由于雷电现象具有非常大的随机性，因此不可
能完全避免风电机组遭受雷击，只能在风电机组的
设计、制造和安装过程中，采取防雷措施，使雷击
造成的损失减到最小。本文从雷电发生的机理和雷
击过程入手，对风电机组的防雷技术进行了阐述分析。
2雷击损坏机理
雷电现象是带异性电荷的雷云间或是带电荷
雷云与大地间的放电现象。风电机组遭受雷击的过
程实际上就是带电雷云与风电机组间的放电。在所
有雷击放电形式中，雷云对大地的正极性放电或大
地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的
能量[3,4]。雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电
流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移
电荷及电流陡度等。风电机组遭受雷击损坏的机理
与这些参数密切相关。
第27卷第7期电网技术13
（1）峰值电流
当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的
升高，风电机组叶片的损坏在很多情况下与此热效
应有关。热效应从根本上来说与雷击放电所包含的
能量有关，其中峰值电流起到很大的作用。当雷电
流流过被击物时（如叶片中的导体）还可能产生很
大的电磁力，电磁力的作用也有可能使其弯曲甚至
断裂。另外，雷电流通道中可能出现电弧。电弧产
生的膨胀过压与雷电流波形的积分有关，其燃弧过
程中的强烈高温将对被击物产生极大的破坏。这也
是导致许多风电机叶片损坏的主要原因。
（2）转移电荷
物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在
持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中。这
些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金
属熔化和灼蚀斑点。在雷电流路径上一旦形成电弧
就会在发生电弧的地方出现灼蚀斑点，如果雷电流
足够大还可能导致金属熔化[5]。这是威胁风电机组轴
承安全的一个潜在因素，因为在轴承的接触面上非
常容易产生电弧，它就有可能将轴承熔焊在一起。
即使不出现轴承熔焊现象，轴承中的灼蚀斑点也会
加速其磨损，降低其使用寿命。
（3）电流陡度
风电机组遭受雷击的过程中经常发生控制系
统或电子器件的损坏，其主要原因是感应过电压的
存在。感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电
流陡度越大，感应电压就越高。
3风电机组雷击频率和雷击位置
为了实施有效的雷击保护，需要事先对雷击频
率和雷击位置进行预测，从而使雷击保护更有
针对性。通常用雷击高层建筑的频度估算方法来估
计雷击风电机组的频度[3]。对于高度低于60m的建
筑物，其雷击频度为
6
egd10
?××=ANN(2)
式中Ng为年平均落雷密度，表示在所考虑的建筑
物所在区域内每年每平方公里的雷击次数；Ae为建
筑物的等效面积，m2。
某建筑物的等效面积是指与该建筑物遭受直
击雷的频率相同的地表面积，其等值半径为建筑物
高度的3倍。以一个50m高的建筑物为例，假定
该建筑物位于一相对平整的地面上且远离其它建
筑物，则其等效面积为
222
em65070)350(ee=×==rA(3)
对于叶尖带防雷保护的风电机组，在计算Ae
时其高度应为最大叶尖位置与地面之间的距离。对
于叶尖没有保护的情况，其有效高度介于该值与机
舱到地面距离之间的值。以上计算方法仅限于低于
60m的风电机组。对于高于60m的风电机组，按
式(2)计算得到的结果则偏低。
估计雷云对大地放电的可能雷击点的位置，可以
应用“滚球法”的简化方法。尽管雷击放电具有很
大的分散性，“滚球法”得到的结果可能与实际情况
存在一定的误差[6]，但该方法还是普遍应用于接地建
筑物的防雷设计。IEC标准给出了对应于特定防护
水平的滚球半径的大小[7]。将此方法应用于风电机
组，则可以推知叶片的大部分、轮毂、机舱的尾部
以及部分塔筒均可能成为雷击放电点[3]。
图1给出了几种典型的雷击风电机组时可能的
放电位置示意图[3]。
图1风电机组雷击放电点示意图
Fig.1Sketchmapoflightningattachmentpaintsonwindturbine
14PowerSystemTechnologyVol.27No.7
发生雷云对大地放电时，雷电很容易击中叶尖，
但也有可能击中叶片的侧面或叶片的绝缘部分甚
至内部导体。大地对雷云的放电是从顶端开始形成
的，非常强烈地表现在叶尖和其它外部突出的点，
如机舱上的避雷针、机舱前端和轮毂等部位。如果
叶片具有叶尖防雷保护，则向上发展的雷击放电也
将集中在叶尖上。由此可见，风电机组遭受雷击时，
其雷击点可能分布在机组的许多部位。
4风电机组的防雷
4.1风电机组机械部件的防雷
4.1.1叶片防雷
风电机组的叶片中，有的叶片并没有设置内部
导电体或进行表面金属化处理，仅是纯粹的玻璃增
强塑料（GRP）结构或GRP–木结构。运行经验表
明，这种类型的叶片经常遭受雷击，并且通常是灾
难性的[3]。为此，应在物理结构上采取防雷措施[8,9]，
以减小叶片遭受雷击时的损伤。
（1）无叶尖阻尼器的叶片防雷结构（图2）
对于无叶尖阻尼器的叶片，一般是在叶尖部分
的玻璃纤维外表面预置金属化物作为接闪器，并与
埋置于叶片内的铜导体相连（铜导体与叶根处的金
属法兰连接）。外表面金属化物可以采用网状或箔
状结构。雷击可能会对这样的表面造成局部熔化或
灼蚀损伤，但不会影响叶片的强度或结构。
（叶尖部分）
铜丝网铜导体法兰
（叶尖主体部分）
图2无叶尖阻尼器叶片的防雷结构简图
Fig.2Lightningprotectionstructureof
bladewithouttipdamper
（2）有叶尖阻尼器的叶片防雷结构（图3）
对于有叶尖阻尼器的叶片，通常是在叶尖部分
的玻璃纤维中预置金属导体作为接闪器，通过由碳
纤维材料制成的阻尼器轴与用于启动叶尖阻尼器
的钢丝（启动钢丝与轮毂共地）相连接。这样的结
构通过了200kA的冲击电流实验，叶片没有任何
损伤[9]。可以预见，这样的叶片遭受雷击的概率要
比绝缘材料制成的叶片高，但只要满足下列条件就
不会造成很大损伤：①雷击点处的电弧灼烧不产生
严重的破坏；②雷电流可以安全地通过导电构件导
入地下。这就要求导电构件需要有足够的强度和横
截面积。
（叶尖部分）
预置导体阻尼器轴法兰
（叶尖主体部分）
启动钢丝
图3有叶尖阻尼器叶片的防雷结构简图
Fig.3Lightningprotectionstructureof
bladewithtipdamper
4.1.2轴承保护
一般情况下，雷击叶片时产生的大部分雷电流
都将通过低速主轴承导入塔筒。这比雷电流沿着主
轴流向风电机组的发电机要好得多。通过轴承传导
的强大雷电流通常会在轴承接触面上造成灼蚀斑
点，但由于轴承的尺寸较大使得雷电流密度较小，
所以雷击损伤还不至于立刻对风电机组运行造成
影响，但能够引起噪声、振动和增大机械摩擦等，
从而导致缩短轴承的使用寿命[3,5]。
有些轴承具有绝缘垫层，雷电流通过滑环导入
塔筒[5]。这种措施可降低轴承所受损伤的程度，但
要消除轴承的潜在问题还是非常困难的，主要原因
是与轴承平行的滑环往往只能承载小部分雷电流，
而大部分雷电流的流通还需轴承来完成。对偏航轴
承也应有类似措施。一般来说，偏航轴承的周边为
雷电流提供了一个良好的导电通道。如果出于设计
的原因偏航轴承不能导电时，则必须为其建立雷电
流通路[3]。
4.1.3机舱防雷[3,5,7,8]
如果叶片采取了防雷保护措施，也就相当于实
现了对机舱的直击雷防护。虽然如此，也需要在机
舱尾部设立避雷针，并与机架紧密连接。如果叶片
没有防雷保护，则应在机舱的首尾端同时装设避雷
针。对由非导电材料制成的机舱中的控制信号等敏
感的线路部分都应有效屏蔽，屏蔽层两端都应与设
备外壳连接，而且还要避免形成环路。另外，在机
舱表面应布置金属带或金属网，且与机架相连接，
为工作人员提供安全保护和一定程度的电屏蔽。装
设这种带状保护和附加防护，以及位于机舱前部的
避雷针等，在绝缘叶片的情况下是非常必要的。
如果机舱是金属制成的，则将机舱与低速轴承
和发电机机座相连接，就可以实现很好的安全保护
和电屏蔽。提供电气连接的导体应尽量短。
4.2风电机组电气部件的防雷
4.2.1暂态过电压及线路保护
对风电机组控制系统造成破坏的暂态过电压，
可能是由直击雷或非直击雷引起的。发生在
信号线、通讯线和电力线附近的雷击过程，将在这
第27卷第7期电网技术15
些线路上产生暂态过电压，其幅值可能达到几十千
伏。如果一台风电机组遭到雷击，传输到另一台风
电机组的暂态过电压的大小与该风电机组的接地
状况有关，即使采取了良好的改善措施，其暂态过
电压还有可能达到这一数量级[10]，因此建议布置在
塔间的信号线采用光纤并连接到实际的控制中心
[3]。
通信线在进入建筑物处应设置气体放电管加以
保护，并通过一低阻抗接地线接地。沿电力线注入
的暂态过电压会对线路造成破坏，因此需要使用电
涌保护器加以保护。
4.2.2雷电流的直接注入及其防治
雷电击中电气元件即雷电流直接注入线路的情
况是一种非常严重的雷击现象，将会产生相当大的
破坏作用。因此要避免雷电直接击中系统中的传感
器件和接线。实现这种保护是比较容易的，用合适
的布线方式以及避雷针等均可起到一定的保护作
用，像气象仪之类的器件应该用避雷针保护。实际
上，风电机组机舱尾部的避雷针就兼作风速、风向
仪的支撑杆，这样的布置方式对风速、风向仪的保
护是比较有效的。这些仪器的信号线路应该沿着金
属构件布置并且加以屏蔽。
4.2.3磁力线耦合及抑制
雷击过程将产生快速变化的磁场，在位于机舱
内或沿着塔筒的线路中将产生数值较高的过电压，
其值可达几十伏甚至几千伏[3]。这样的过电压会损
伤电气设备和发电机。这些损伤可能是潜在性的，
但在未来的运行过程中可能会引发大的故障。减少
感应电压的一般方法有：
（1）使信号线路或控制线路尽可能短，并尽
可能靠近承载电流的构件；
（2）通过设置多个平行的电流通路使各通路
的电流水平达到最小，并尽可能将线路靠近电流密
度较小的导体。
（3）敏感的线路应布置在两端固定的线槽中，
如发电机和齿轮箱等部件的线路都应这样处理。
总之，要达到最大的防护效果，线路就应该尽
可能靠近金属构件布置。由于雷电流具有趋肤效
应，所以金属塔筒对其中的线路具有非常好的屏蔽
效果。
在导线屏蔽且屏蔽层两端与金属构件固定安
装的情况下，屏蔽层内部的导线所面对的是一个
减小了的电压（TIRU=，I表示沿屏蔽层的电流，
RT为屏蔽层阻抗）。对电缆采取这种方法屏蔽，其
最大感应电压可以大为降低。
4.2.4电气设备的防雷保护
一般情况下，实现远端输入、输出功能的器件
都需要进行过电压保护，且防护等级与装置的位置
有关。在风电机组中，可能产生感应过电压的区域
是：①机舱内部和穿过偏航轴承的地方；②连接
到控制室和配电室的电缆中。位于这些区域任何一
端的电气控制设备，都要装设电涌保护器件。对于
风电机组控制器中的各电压等级的电源变压器、通
信线路，通常可采用金属氧化物压敏电阻以防止过
电压；而风电机控制器中的24V直流电源、I/O模
块，则采用瞬变电压抑制元件以防止过电压[8,9]。
发电机以及其它设备上的传感器通常是与其
外包装电气隔离的，只要感应电压不足以破坏其绝
缘性能，就没有必要装设避雷器。风电场中使用的
电力电缆与变压器相连，而变压器的工作电压相对
较高，因此这部分的保护要容易实现一些。在此处
安装的保护器件不必在太低的电压下工作，而应能
在远低于发电机和变压器绝缘损坏电压时动作。此
外，只要铠装两端都接地，电缆铠装就起到对电缆
的屏蔽作用[3]。
4.3风电机组的接地
良好的接地是保证雷击过程中风电机组安全
的必备条件。由于风电场通常会布置在山地且范围
非常大，而山地的土壤电阻率一般较高，因此按照
一般电气设备的接地方式设计风电机组的接地系
统显然不能满足其安全要求。风电机组基础周围事
先都要布置一小型的接地网，它由1个金属圆环和
若干垂直接地棒组成，但这样的接地网很难满足接
地电阻须小于1~2?的要求[9,11]。通常的改善措施是
将风电场内所有的机组接地网都连接起来，以降低
整个风电场的接地电阻。由于风电场机组间都布置
有电力电缆和通信电缆，因此机组接地网的连接实
际上可以通过这些电缆的屏蔽层来实现[11]。另外，
还可在机组接地网间敷设金属导体，当遭受雷击时
可显著降低风电场的地电位升高[10]，也可减轻雷击
对电缆绝缘及变压器高低压绕组间绝缘的危害程
度。
（下转第39页continuedonpage39）
第27卷第7期电网技术39
[3]陈皓勇，张靠社，王锡凡（ChenHaoyong，ZhangKaoshe，Wang
Xifan）．电力系统机组组合问题的系统进化算法（Evolutionary
optimizationmethodofpowersystemunitcommitmentproblem）
[J]．中国电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），1999，19(12)：
9-14．
[4]蔡超豪，蔡元宇（CaiChaohao，CaiYuanyu）．机组组合的遗传算
法（Optimizationofcommitmentbygeneticalgorithm）[J]．电网技
术（PowerSystemTechnology），1997，21(1)：44-51．
[5]高山，单渊达（GaoShan，ShanYuanda）．遗传算法搜索优化及其
在机组启停中的应用（Advancedgeneticalgorithmapproachtounit
commitmentwithsearchingoptimization）[J]．中国电机工程学报
（ProceedingsoftheCSEE），2001，21(3)：45-48．
[6]韩学山，柳焯（HanXueshan，LiuZhuo）．考虑发电机组输出功率
速度限制的最优机组组合（Optimalunitcommitmentconsidering
unit’sramp-ratelimits）[J]．电网技术(PowerSystemTechnology)，
1994，18(6)：11-15．
收稿日期：2002-09-24。
作者简介：
蔡兴国（1945-），男，教授，研究方向为电力系统经济运行、电
力市场；
初壮（1973-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统经济调
度。
（编辑杨天和）
（上接第15页continuedfrompage15）
5结束语
雷击是影响风电机组乃至整个风电场安全运
行的因素之一。进行风电机组防雷技术的研究是
风电研究领域中不可或缺的组成部分，它对保证
风电场的安全运行具有重要的意义。本文对风电
机组的雷击过程、雷击损坏机理以及防雷技术进
行了较全面的阐述。在风电机组的防雷设计中，
应根据不同的雷击损坏机理，对叶片、机舱、轴
承等机械部件以及信号、控制线路等采取不同的
防雷措施。
避免叶片等部位直接遭受雷击、选择适当的
导体结构、合理设计雷电流路径、降低内部燃弧
的可能性以及降低控制和信号线路中的感应电压
等措施是达到一定防雷效果的有效途径。另外，
合理的接地布置也是风电机组防雷设计的重要组
成部分，也应予以足够的重视。
参考文献
[1]Globalwindenergymarketreport[DB/OL]．2002，3．http://www.awea.
org/pubs/documents/GlobalWEMarket2002.pdf．
[2]Windturbineoperation：causesforfailure[DB/OL]．http://euwinet.
iset.uni-kassel.de．
[3]Expertgroupstudyonrecommendedpracticesforwindturbinetexting
andevaluation：lightningprotectionforwindturbineinstallations
[DB/OL]．http://www.nrel.gov/wind/lightning/coveriea97.htm．
[4]马宏达（MaHongda）．各种避雷针的结构及其防雷性能
（Differentstructureoflightningrodanditslightingprotection
characteristics）[J]．电网技术（PowerSystemTechnology），
2000，24(12)：53-57．
[5]SoerensenT，BraskMH．Lightningprotectionofwindturbines[A]．
ContributionsfromtheDepartmentofWindEnergyandAtmospheric
PhysicstoEWEC’99inNICE[C]，France，March1999：229-232．
[6]许颖（XuYing）．变电所防雷保护的几个问题浅见（Someaspects
relatedtolightningprotectionofsubstations）[J]．电网技术（Power
SystemTechnology），2000，24(4)：12-25．
[7]IEC1024-1，1990-03：Lightningprotectionofstructures．Part1：
Generalprinciples[R]．
[8]Vestas风电集团（VestasTotalLightningProtection）．风电场与防
雷保护（Windfarmandlightningprotection）[J]．风力发电（Wind
Power），2000，(1)：35-40．
[9]张华（ZhangHua）．大型风力机的防雷保护（Lightningprotection
oflarge-scalewindturbines）[J]．风力发电（WindPower），
2002，(1)：11-13．
[10]HatziargyriouNM，LorentzouMI，CottonI．Transferred
overvoltagesbywindfarmgroundingsystems[A]，The8th
InternationalConferenceonHarmonicandQualityofPower，
ICHQP’98[C]，JointlyOrganizedbyIEEE/PESandNTUA，
Athens，Greece，October14-16，1998：342-347．
[11]HatziargyriouN，LorentzouM，CottonI．Windfarm
earthing[A]．1997theInstitutionofElectricalEngineers，Printedand
PublishedbytheIEE[C]，SavoyPlace，LondonWC2R0BL，UK：
1-6．
[12]董杏丽，葛耀中，董新洲（DongXingli，GeYaozhong，Dong
Xinzhou）．行波保护中雷电干扰问题的对策（Fffectoflightningon
protectionbasedontravellingwaves）[J]．中国电机工程学报
（ProceedingsoftheCSEE），2002，22(9)：74-78．
[13]AguadoM，HermosoB，CidPMetal．Risksassessmentfor
lightningstrokesinwindfarminstallation[A]，HighVoltage
EngineeringSymposium[C]，22-27August1999Conference
Publication，No467，IEE，1999：357-360．
[14]SakisAP．Meliopoulos，lightning：safetyandprotection[A]，1997
theinstitutionofelectricalengineers，printedandpublishedbythe
IEE[C]，SavoyPlace，LondonWC2R0BL，UK：1-7．
收稿日期：2002-07-30。
作者简介：
赵海翔（1969-），工程师，博士研究生，从事电力系统分析及风
力发电技术的研究；
王晓蓉（1973-），博士，从事风力发电及电力设备检测和智能诊
断方面的研究。
（编辑查仁柏）
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