雷电是一种大气中放电现象,产生于积雨中,积雨云在形成过程中,带电云团可能对地面放出下行先导,遇到上行先导时,有时会产生由地面向云团的逆导主放电。在其主放电阶段里,会出现很大的雷电流(几十千安甚至更高),并随之发生强烈的闪电和巨响,这就形成雷电。风机具有诸多引雷特性,雷电击中风机原理图【如图1所示】。
图1 雷电击中风机原理图
风力发电机组的雷击危害主要包括:直接雷击造成的机械效应、热效应、冲击波等损坏,例如叶片击穿、折断、起火等损坏;雷电感应造成的感应过电压损坏,电磁感应损坏,例如电气设备模块烧毁、故障失灵、永久失效等损坏。由于雷击造成风机停机,造成发电量损失,带来经济损失。
目前,风力发电机的防雷部分主要参考的是《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)。
现今,几乎所有的风力发电机都配备引下线装置,且在风机机舱顶部都装有接闪器,可是这些装置不能完整地保护风机免受雷电破坏。当风机落雷时,雷电所产生或者带来的电势以及磁场包围整个风机,包括叶片,机塔,电线,以及机舱,防雷产品并不能保护整个风机。风力发电机落雷后,轻者叶片受损出现裂痕,严重则风机起火造成事故,不管哪样,直接后果即非计划停机,如果是海上风力发电机,则需配备专业检修船以及人员,如发生大故障,还需调用大型浮吊,且检修还得受天气的制约。因此,雷击所引起的风机故障对发电量以及修复成本的影响是巨大的。
国外研究表明,在雷击闪电事件中,绝大部分伴随有上行闪电。而对高耸建筑物造成破坏的,主要是因为上行闪电包含长时间雷击电流,也叫初始连续电流(简称“Icc”)。Icc电流中不会有任何脉冲电流分量,并且随后也不会出现回击(无后续冲击电流)。在2000年至2013年针对盖斯伯格塔进行的雷击电流监测的统计结果显示,总计实测闪电765次,上行闪电就有713次,其中又包含“Icc事件”338次,占上行闪电情况约47%,也就是将近一半,而这338个“Icc事件”都没有被现有闪电定位系统监测到。