風(fēng)力發(fā)電采用清潔的可再生能源發(fā)電形式，開發(fā)利用風(fēng)力發(fā)電，對實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。我國風(fēng)力發(fā)電自起步之后發(fā)展迅猛，其中以內(nèi)蒙古東部、東北為代表的高寒地區(qū)因海拔、緯度較高、受北方高壓冷氣團(tuán)影響頻繁等特點(diǎn)，風(fēng)能資源儲備極為豐富，為風(fēng)力發(fā)電規(guī)?；ㄔO(shè)提供了有利條件。

近年來高寒地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量顯著攀升，已逐漸在我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位。伴隨風(fēng)電裝機(jī)容量和風(fēng)電場規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行問題日益受到重視。雷擊是影響風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的主要因素之一，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊時，可能會造成風(fēng)機(jī)不同程度的損壞，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電場承擔(dān)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和產(chǎn)生惡劣影響，雷擊風(fēng)電機(jī)組過程與嚴(yán)重?fù)p壞案例如圖1所示。

圖1 雷擊風(fēng)電機(jī)組過程與嚴(yán)重?fù)p壞案例

資料顯示，日本風(fēng)電機(jī)組雷擊平均損壞率約為12.7次/(百臺?年)，且沿海地區(qū)風(fēng)電機(jī)組冬季雷擊損壞次數(shù)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)。丹麥、瑞典以及德國曾分別對本國風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞次數(shù)做出準(zhǔn)確統(tǒng)計，其中丹麥與瑞典風(fēng)電機(jī)組雷擊平均損壞率為3.9次/ (百臺?年)與5.8次/(百臺?年)，小于德國8次/(百臺?年)；此外，德國山區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率為14次/(百臺?年)，高于統(tǒng)計結(jié)果顯示的雷擊損壞率平均水平。

美國則針對其三個州的風(fēng)電場共計508臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行了5年的雷擊損壞監(jiān)測，結(jié)果顯示風(fēng)機(jī)葉片平均雷擊損壞率為11.9次/(百臺?年)，雷擊葉片損壞次數(shù)隨風(fēng)機(jī)運(yùn)行年限的延長而增長。

相對而言，我國風(fēng)電場所處地理位置及其氣候環(huán)境更為復(fù)雜，因此風(fēng)機(jī)雷擊損壞問題更為突出，相關(guān)調(diào)查結(jié)果表明，我國運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組的雷擊損壞率高于歐洲國家的平均值。

以南部風(fēng)電場為例，2013年廣東紅海灣風(fēng)電場自投產(chǎn)后發(fā)生了多次雷擊事件，雷擊葉片損壞占比達(dá)4%。僅2013年4月，廣西資源金紫山風(fēng)電場因雷擊造成的風(fēng)機(jī)箱變損壞多達(dá)12臺，并于次年5月、7月再次出現(xiàn)雷擊風(fēng)機(jī)箱變損壞事故。華能南澳風(fēng)電場作為國內(nèi)乃至亞洲最大的海島風(fēng)電場，2001～2010年期間風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率為9次/(百臺?年)。

此外，我國高寒地區(qū)地理、氣候尤為特殊，導(dǎo)致風(fēng)電場長期遭受雷擊災(zāi)害的影響?；跂|北某大型風(fēng)電場雷擊損壞的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2008～2011年該風(fēng)電場因雷擊引起的風(fēng)機(jī)葉片損壞66次，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)損壞多達(dá)174次，風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞率為37.5次/(百臺?年)。

以上數(shù)據(jù)表明，雷擊造成風(fēng)電機(jī)組部件損壞較為頻繁，尤其在高海拔、高緯度及寒冷地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組，雷擊損壞次數(shù)增長顯著，伴隨風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)，上述問題將會更加突出。因此，開展相關(guān)風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)策略的研究，對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

本文從風(fēng)電機(jī)組特點(diǎn)、地理環(huán)境以及雷電情況等角度對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的特點(diǎn)進(jìn)行闡述和歸納，將高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)的研究劃分為雷電防護(hù)系統(tǒng)、雷電先導(dǎo)起始及發(fā)展機(jī)理、雷電直擊損壞機(jī)理與雷擊電磁暫態(tài)過程四個部分，并對各個部分國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與梳理，同時結(jié)合尚待解決的問題，針對性地提出了高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)防雷的若干研究領(lǐng)域，以期為后續(xù)研究提供有益借鑒。

1 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊特點(diǎn)

1.1 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組與地理環(huán)境的特點(diǎn)

20世紀(jì)90年代，國際上風(fēng)電機(jī)組容量以600kW為主，隨著風(fēng)力發(fā)電相關(guān)技術(shù)的日益成熟，風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量已增大至MW級，并有向10MW以上發(fā)展的趨勢。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提升，使風(fēng)機(jī)輪轂尺寸、風(fēng)機(jī)高度與葉片長度明顯增大。高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量普遍較大，造成風(fēng)機(jī)整體尺寸增大，從而提高了風(fēng)機(jī)遭受雷擊的概率。

高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組所處地理位置海拔與緯度較高，氣旋活動頻繁，易發(fā)生強(qiáng)對流與雷暴天氣，且風(fēng)電場周圍較為空曠，增加了風(fēng)電機(jī)組落雷的可能性。此外，由于高寒地區(qū)全年低溫持續(xù)時間較長，相比于其他地區(qū)，風(fēng)電機(jī)組設(shè)計需著重考慮低溫載荷特性、材料低溫特性以及冷態(tài)啟動等問題，低溫FD70B型1.5MW風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)見表1。

表1 低溫FD70B型1.5MW風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)

1.2 高寒地區(qū)雷電情況

高寒地區(qū)雷電情況與平原地區(qū)差異較大，主要體現(xiàn)在雷電活動頻率、雷電極性以及雷電流幅值等方面。圖2為中國氣象局國家氣象信息中心統(tǒng)計制作的全國年平均雷暴日數(shù)分布圖，其中內(nèi)蒙古東部與東北地區(qū)雷電活動頻率明顯高于華中部分地區(qū)，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的概率顯著增加。而針對高寒地區(qū)一年之中雷電活動頻率，相關(guān)資料表明其隨季節(jié)改變而變化顯著。

數(shù)據(jù)指出蒙東地區(qū)冬季雷暴頻率極低，秋季雷暴頻率為10.5%，是除夏季之外的第二雷暴多發(fā)季節(jié)。東北地區(qū)夏季雷暴日明顯高于其他季節(jié)，與冬季雷暴日極少不同，深秋季節(jié)雷暴日雖明顯減少，但雷電活動依然存在，其中遼寧省個別年度秋季落雷次數(shù)依舊維持在較高水平，而春季卻無此類現(xiàn)象發(fā)生。

吉林省30年雷暴日統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出省內(nèi)不同區(qū)域秋季雷暴日與春季基本相同，其中中西部地區(qū)秋季雷暴日全年占比為8.96%～14.35%。黑龍江省秋季雷電活動頻率與蒙東地區(qū)接近，具體占比為10%左右，但同樣存在個別年度秋季雷電活動十分頻繁的現(xiàn)象。

內(nèi)蒙古氣象部門對2013～2014年內(nèi)蒙古高原地區(qū)地閃頻次、地閃強(qiáng)度以及雷擊災(zāi)害特征進(jìn)行了統(tǒng)計與分析，結(jié)果顯示內(nèi)蒙古高原地區(qū)正地閃占地閃總數(shù)的10%，遠(yuǎn)高于南方地區(qū)，正地閃電流為負(fù)地閃的2倍左右。此外，當(dāng)發(fā)生正極性雷放電時，自風(fēng)機(jī)非接閃器部件上起始的上行先導(dǎo)可能對下行先導(dǎo)完成最終攔截，致使雷擊風(fēng)機(jī)時的損壞將更為嚴(yán)重。

圖2 全國年平均雷暴日數(shù)分布圖

雷電流幅值是衡量雷電強(qiáng)度的重要指標(biāo)，對設(shè)備絕緣選擇與防雷措施設(shè)計具有重要意義，而雷電流幅值與氣象、地理位置具有緊密關(guān)系，故雷電流幅值需根據(jù)不同地區(qū)與環(huán)境進(jìn)行區(qū)別計算。雷電流幅值I對數(shù)均值關(guān)于海拔高度、緯度的計算式為

式1

通過式（1）可以發(fā)現(xiàn)，高寒地區(qū)的雷電流幅值因海拔高度與緯度的升高而有所降低。但鑒于高寒地區(qū)所面臨的氣候環(huán)境惡劣、平均雷暴日數(shù)較高、高土壤電阻率引起的接地電阻較大等問題，對高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)能力的要求應(yīng)進(jìn)一步提高。

2 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)研究現(xiàn)狀

2.1 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)

葉片是風(fēng)電機(jī)組位置最高、體積最大的旋轉(zhuǎn)部件，雷電放電逐級發(fā)展時，葉片遭受雷擊的概率遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)其他部件，且葉片遭雷擊損壞后，維修耗資巨大，因此目前主要基于風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

在實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場中，普遍采用的風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)由葉片金屬接閃器與葉片內(nèi)部金屬引下線組成，當(dāng)雷擊風(fēng)機(jī)時，葉片接閃器引雷擊于自身，并將雷電流通過內(nèi)部引下線泄入大地，從而降低雷擊造成風(fēng)機(jī)損壞的概率。

為檢驗(yàn)有無接閃器與接閃器裝設(shè)位置不同對雷擊葉片損壞程度的影響，日本學(xué)者對長度為3m的葉片模型進(jìn)行雷擊模擬實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，葉片不裝設(shè)接閃器與引下線時，雷擊葉片造成葉片表面沿面放電或貫通性擊穿；葉尖區(qū)域裝設(shè)接閃器與引下線時，雷擊基本發(fā)生在接閃器上；接閃器裝設(shè)在遠(yuǎn)離葉尖的葉片表面時，雷擊有多次發(fā)生在葉尖而未發(fā)生在接閃器上，并在雷擊點(diǎn)與葉片內(nèi)部導(dǎo)體間產(chǎn)生內(nèi)部電弧，故接閃器應(yīng)盡可能裝設(shè)在葉尖區(qū)域。但此實(shí)驗(yàn)只針對風(fēng)機(jī)局部部件，且葉片樣品尺寸較小，而完整風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)下接閃器位置的精確選取，還需開展相似實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證與分析。

• 有學(xué)者對葉片接閃器裝設(shè)位置作出了理論論證，通過建立長36m、無接閃器葉片模型，對葉片區(qū)域電場進(jìn)行了仿真計算。仿真結(jié)果顯示在距葉尖6m，尤其是距葉尖1m范圍內(nèi)，電場強(qiáng)度明顯高于其他區(qū)域，葉尖附近遭遇雷擊概率最大，因此接閃器的裝設(shè)應(yīng)盡可能靠近葉尖。
• 有學(xué)者基于經(jīng)典繞擊分析模型，對裝設(shè)葉尖接閃器的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行繞擊率計算，計算結(jié)果指出繞擊率最大值約為0.1%，證明了葉尖接閃器具有良好的直擊雷防護(hù)功能。

IEC/TR 61400 24例舉了四種基于葉片的典型風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計，如圖3所示。其中類型A與類型B為接閃器與引下線組合；類型C是將金屬導(dǎo)體安裝在葉片邊緣以起到接閃器與引下線的作用，但此種設(shè)計可能會影響葉片轉(zhuǎn)動，并且引發(fā)噪聲污染等問題；類型D則是在葉片表面涂層下鋪設(shè)金屬網(wǎng)，從而達(dá)到攔截雷擊、泄放雷電能量的目的。

圖3 IEC/TR 61400 24例舉的雷電防護(hù)系統(tǒng)

此外，國內(nèi)外學(xué)者還就接閃器數(shù)量、尺寸對風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)的影響開展了相關(guān)研究。有學(xué)者通過模擬不同接閃器裝設(shè)方式下的葉片附近電壓分布發(fā)現(xiàn)，即便接閃器數(shù)量增加至5組以上，也不會造成電壓分布的較大變化，因此增加接閃器數(shù)量對葉片雷擊接閃過程影響較小，故在葉尖裝設(shè)1組接閃器的經(jīng)濟(jì)性更為突出。有學(xué)者認(rèn)為葉片接閃器數(shù)量的增加雖在一定程度上擴(kuò)大了保護(hù)范圍，但對接閃器攔截效果的提高較為有限。此外接閃器半徑由4mm增大至8mm后，將導(dǎo)致接閃器處更加難以觸發(fā)上行先導(dǎo)。

以上研究成果對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計具有重要指導(dǎo)作用，但考慮高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組尺寸較大，接閃器的裝設(shè)位置與數(shù)量仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。雷電觀測結(jié)果指出，蒙東通遼扎魯特風(fēng)電場所處地區(qū)曾分別于1977年10月23日、2012年10月16日出現(xiàn)雷暴活動，黑龍江伊春小城山風(fēng)電場所處地區(qū)于1996年10月28日發(fā)生雷暴。

氣象資料顯示，蒙東、東北地區(qū)進(jìn)入10月后降溫幅度明顯，上述雷暴發(fā)生日期及相鄰幾日，兩風(fēng)電場所處地區(qū)平均最低氣溫維持在0℃以及0℃以下。結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析可知，高寒地區(qū)風(fēng)電場所處區(qū)域月發(fā)生雷暴時，葉片表面將可能出現(xiàn)局部積霜、覆冰的現(xiàn)象，此類現(xiàn)象可能對接閃器的攔截效果造成影響。

以上問題對高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高要求，應(yīng)據(jù)此開展更為深入、系統(tǒng)的研究。此外，高寒地區(qū)雷電情況與其他地區(qū)存在較大差異，應(yīng)基于實(shí)際雷電情況，對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)的能力進(jìn)行分析與評價。

2.2 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電先導(dǎo)起始及發(fā)展機(jī)理

雷電先導(dǎo)的起始與發(fā)展是雷電防護(hù)研究的重要基礎(chǔ)，雷電下行先導(dǎo)不斷向下發(fā)展，當(dāng)?shù)孛嫖矬w起始的上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)發(fā)生最后躍變并連接時，即完成雷擊物體的過程。

有學(xué)者指出，在下行先導(dǎo)逐步向風(fēng)電機(jī)組發(fā)展時，將在葉尖接閃器、葉片、機(jī)艙以及輪轂等部件處發(fā)展上行先導(dǎo)，從而形成上行先導(dǎo)競爭躍變的物理現(xiàn)象。但基于目前已有的風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)，葉片尖端的金屬接閃器接地良好，曲率半徑極小，且所處位置高于其他部件，葉尖接閃器處的上行先導(dǎo)往往最早起始，并最先與下行先導(dǎo)發(fā)生躍變，接閃器有極大概率成為雷擊點(diǎn)，從而使風(fēng)機(jī)得到保護(hù)。因此，目前相關(guān)學(xué)者主要針對裝設(shè)接閃器的風(fēng)電機(jī)組，進(jìn)行雷電先導(dǎo)問題的理論與實(shí)驗(yàn)研究。

有學(xué)者對雷擊風(fēng)機(jī)葉片上行先導(dǎo)的起始機(jī)制開展了充分的論證與研究，提出了基于臨界長度的葉片上行先導(dǎo)起始判據(jù)，并對臨界長度的影響因素進(jìn)行了分析，但葉片初始流注區(qū)電場強(qiáng)度與臨界長度變化對葉片上行先導(dǎo)起始的影響，還需進(jìn)一步探索。

與傳統(tǒng)電力設(shè)備雷電防護(hù)不同，風(fēng)機(jī)正常工作時葉片處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，有學(xué)者通過開展1m空氣間隙旋轉(zhuǎn)葉片接閃縮比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)葉片旋轉(zhuǎn)時上行先導(dǎo)的發(fā)展不如葉片靜止時充分，葉片轉(zhuǎn)速愈高，上行先導(dǎo)發(fā)展愈受抑制，遭受雷擊的概率愈低。其主要原因?yàn)槿~片旋轉(zhuǎn)改變了葉尖區(qū)域的正離子濃度，從而不利于流注與上行先導(dǎo)的發(fā)展。

此外，有學(xué)者指出1m氣隙的平均擊穿電壓可以基本反映葉片上行先導(dǎo)的發(fā)展情況，擊穿電壓愈高，上行先導(dǎo)發(fā)展愈不充分。不同轉(zhuǎn)速下1m氣隙的平均擊穿電壓與葉片上、下行先導(dǎo)連接位置分別見表2和如圖4所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速下1m氣隙的平均擊穿電壓

圖4 不同轉(zhuǎn)速下1m氣隙葉片上、下行先導(dǎo)連接位置

基于旋轉(zhuǎn)葉片接閃縮比試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論，有學(xué)者開展了1m氣隙不同接閃配置下的葉片接閃縮比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)接閃器曲率半徑較小時，氣隙的擊穿電壓較高，葉片上行先導(dǎo)的發(fā)展落后于曲率半徑大的接閃器，其主要原因?yàn)榍拾霃捷^小的接閃器，其葉尖區(qū)域正離子濃度較高，削弱了接閃器附近電場，進(jìn)而抑制了流注與上行先導(dǎo)的發(fā)展。

此外相關(guān)資料指出，存在葉尖接閃器上行先導(dǎo)攔截下行先導(dǎo)失效的問題。當(dāng)?shù)谝淮蜗滦刑菁壪葘?dǎo)擊于葉尖接閃器后，第二次下行箭式先導(dǎo)的發(fā)展將更為迅速，且可能繞過葉尖接閃器，與葉身表面起始的上行先導(dǎo)發(fā)生躍變。由于自然界中正極性雷電出現(xiàn)概率較小，現(xiàn)有研究主要針對負(fù)極性雷電的先導(dǎo)過程，但有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，接閃器對正極性下行先導(dǎo)的攔截效率有所降低，正極性雷電有擊中風(fēng)機(jī)其他部件的可能。

上述兩種情況將對風(fēng)電機(jī)組造成嚴(yán)重?fù)p壞，相關(guān)雷電防護(hù)措施仍舊需要完善。此外，風(fēng)電場機(jī)組數(shù)量較多，但目前關(guān)于多風(fēng)機(jī)場景下葉片上行先導(dǎo)競爭躍變機(jī)理的研究相對較少，應(yīng)基于風(fēng)電場實(shí)際情況開展進(jìn)一步的探索。

高寒地區(qū)的地理位置以及與之相連的自然環(huán)境特征突出，故其地理環(huán)境與其他地區(qū)具有較大差異，進(jìn)而導(dǎo)致平均大氣條件區(qū)別明顯。風(fēng)電機(jī)組雷電先導(dǎo)的起始及發(fā)展與大氣條件緊密相關(guān)，因此應(yīng)以環(huán)境因素與大氣條件為前提，對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電先導(dǎo)問題進(jìn)行分析與論證。此外，考慮高寒地區(qū)雷電下行先導(dǎo)過程與極性的特點(diǎn)，風(fēng)機(jī)各部件上行先導(dǎo)的發(fā)展情況需進(jìn)行更深入的研究。

2.3 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電直擊損壞機(jī)理

風(fēng)電機(jī)組雷電直擊損壞是指雷電直擊造成的風(fēng)機(jī)部件老化、損傷甚至毀壞，目前可將風(fēng)電機(jī)組雷電直擊損壞分為兩種情況：一種為雷電直擊風(fēng)機(jī)非接閃器的部件時，對部件表面及內(nèi)部的損壞；另一種則是雷擊接閃器后，雷電流通過內(nèi)部引下線過程與雷擊電弧偏移對風(fēng)機(jī)葉片的損壞。

當(dāng)雷電直擊風(fēng)機(jī)非接閃器的部件時，雷擊電弧的高溫將灼燒雷擊點(diǎn)附近的材料，率先對風(fēng)機(jī)部件造成破壞。雷擊點(diǎn)處的高溫還將快速傳遞至風(fēng)機(jī)部件內(nèi)部，內(nèi)部材料中的空氣與高溫下分解出的氣體受熱后迅速膨脹，造成壓力的快速上升，進(jìn)而對風(fēng)機(jī)部件造成機(jī)械損壞。此外，該壓力波不僅存在于雷擊點(diǎn)附近，亦可傳播至風(fēng)機(jī)其他部件，從而使破壞范圍進(jìn)一步增大。

風(fēng)機(jī)葉片多由玻璃纖維、聚氯乙烯（PVC）或巴塞木等合成材料制成，由于制作工藝的問題，葉片夾層或內(nèi)部會遺留水蒸氣。雷電繞過接閃器直擊葉片時，雷擊點(diǎn)的高溫電弧使葉片內(nèi)部溫度大幅上升，水蒸氣受熱膨脹后的壓力將可能導(dǎo)致葉片局部開裂、斷層甚至爆裂。

有學(xué)者針對葉片內(nèi)部水蒸氣熱膨脹的情況進(jìn)行了實(shí)測分析，分析表明水蒸氣的分布隨葉片材料、葉片部位的不同而變化，其受熱膨脹后將導(dǎo)致葉片內(nèi)部產(chǎn)生不平衡壓力，造成葉片不同程度的損壞。此外，在雷直擊于葉片時，雷擊點(diǎn)與葉片內(nèi)部導(dǎo)體間可能會產(chǎn)生內(nèi)部電弧。

內(nèi)部電弧是造成葉片內(nèi)部材料嚴(yán)重?fù)p壞的重要原因，有學(xué)者開展了葉片夾層材料PVC與巴塞木的電弧熱效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合分子反應(yīng)動力學(xué)理論，對PVC與巴塞木在內(nèi)部電弧下的損壞特征、程度以及機(jī)制進(jìn)行了歸納，研究表明高溫下PVC與巴塞木的材料聚合度發(fā)生明顯變化，進(jìn)而影響材料的機(jī)械強(qiáng)度。其中PVC殘余聚合度與峰值溫度、時間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 PVC殘余聚合度與峰值溫度、時間的關(guān)系

當(dāng)雷電成功擊于接閃器后，雷電流通過葉片內(nèi)部引下線向大地泄放，引下線中電流熱效應(yīng)可能會使葉片夾層中的水蒸氣膨脹，造成葉片的內(nèi)部損壞。另一種情況為雷電流流過引下線時產(chǎn)生的電應(yīng)力使引下線發(fā)生明顯形變，進(jìn)而使葉片內(nèi)部材料發(fā)生斷裂。

針對雷電流通過內(nèi)部引下線造成的葉片損壞問題，相關(guān)學(xué)者提出了外置引下線的設(shè)計，意在避免雷電流通過引下線時對葉片的危害，但外置引下線將影響風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)動時的氣動特性，有關(guān)此設(shè)計的可行性仍需進(jìn)一步評估與論證。

有學(xué)者則指出在旋轉(zhuǎn)葉片接閃時，雷擊電弧在接閃器附近將發(fā)生偏移，形成拉弧現(xiàn)象，進(jìn)而燒蝕葉片，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場葉片損壞情況表明，葉片轉(zhuǎn)速越大，燒蝕范圍越大。

基于高寒地區(qū)雷電活動頻率與2.1節(jié)中提及的相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組在低溫條件下遭受雷擊時，雷擊電弧熱效應(yīng)與內(nèi)部引下線雷電流的作用將可能引發(fā)風(fēng)機(jī)葉片及其他部件溫度的大幅驟變，結(jié)合風(fēng)機(jī)部件材料在寒冷環(huán)境下呈現(xiàn)的低溫脆性，上述過程將對風(fēng)機(jī)造成更大的破壞。因此考慮低溫影響，相關(guān)損壞機(jī)制的結(jié)論還需進(jìn)一步完善。

2.4 高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊電磁暫態(tài)過程

雷電擊于接閃器后，雷電流經(jīng)引下線、機(jī)艙、塔筒以及接地系統(tǒng)泄入大地，但由于雷電流行波幅值較高，電流變化與泄放速度極快，在經(jīng)過機(jī)艙與塔筒時將建立暫態(tài)電磁場，此類電磁場通過感應(yīng)與輻射的方式，影響風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作，甚至使控制系統(tǒng)中的電子設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重故障。統(tǒng)計結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)損壞占風(fēng)電機(jī)組雷擊設(shè)備損壞總數(shù)的40%～50%。

此外，快速變化的電磁場將在塔筒內(nèi)通信或電力線路中產(chǎn)生幅值較高的暫態(tài)過電壓，從而對設(shè)備絕緣造成危害。與雷電直擊風(fēng)機(jī)部件造成的損壞有所不同，雷擊電磁暫態(tài)過程對風(fēng)電機(jī)組的危害是間接的，應(yīng)對此開展相關(guān)的探索與研究。

有學(xué)者針對雷擊過程中塔筒內(nèi)電磁場提出了一種簡化算法，具體是將塔筒與雷電流進(jìn)行合理等效，并依據(jù)麥克斯韋方程計算塔筒內(nèi)的電場與磁場，為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的雷電防護(hù)提出了有效措施。國內(nèi)外學(xué)者通過建立較為全面的風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)模型，對風(fēng)機(jī)內(nèi)部雷擊暫態(tài)過電壓進(jìn)行了計算。

有學(xué)者通過研究不同接地電阻、接地方式下塔體自身與塔體內(nèi)電纜的雷電暫態(tài)過電壓，發(fā)現(xiàn)減小接地電阻并不能有效降低塔體過電壓的幅值，但可以減小纜芯與屏蔽層間的過電壓。獨(dú)立接地方式下不同接地電阻的塔體頂端暫態(tài)過電壓波形如圖6所示。

同時仿真結(jié)果表明接地電阻為1Ω時電纜過電壓峰值較接地電阻為10Ω時降低40%，此外，風(fēng)機(jī)公共接地方式將造成電纜過電壓過大，因此對接地電阻的要求較高（1Ω以下）。

有學(xué)者則表明風(fēng)機(jī)獨(dú)立接地方式下雷擊暫態(tài)過電壓幅值較小，其中長棒形、環(huán)形接地體對過電壓的抑制作用明顯。

圖6 塔體頂端暫態(tài)過電壓

有學(xué)者基于分段參數(shù)，將雷擊風(fēng)機(jī)電磁暫態(tài)模型進(jìn)一步完善，根據(jù)不同雷電流波形與塔筒高度，對雷擊風(fēng)機(jī)暫態(tài)過電壓的變化進(jìn)行了有效評估。研究表明，雷電流波前時間1.2μs時的塔筒頂部電纜過電壓為20μs時的1000倍以上。當(dāng)塔筒高度不同時，電纜過電壓的分布趨勢一致，但不同塔筒同一比例區(qū)間下，過電壓數(shù)值相差較大。

高寒地區(qū)土壤情況較為復(fù)雜，故高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的接地系統(tǒng)與接地電阻不同于其他地區(qū)，應(yīng)對雷擊風(fēng)電機(jī)組后的電磁暫態(tài)模型進(jìn)行修正。此外，高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)物理場的分布以及線路中暫態(tài)過電壓的防護(hù)措施尚缺乏系統(tǒng)研究，相關(guān)問題需進(jìn)一步的探討與論證。

3 高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)防雷的若干研究領(lǐng)域

針對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組特點(diǎn)、地理環(huán)境及雷電情況，結(jié)合目前高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)的研究現(xiàn)狀與尚待解決的問題，提出若干研究領(lǐng)域如下：

（1）高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化配置與能力評估。

考慮高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、自然環(huán)境以及雷電活動頻率的影響，開展低溫條件下大型風(fēng)機(jī)模型雷擊模擬實(shí)驗(yàn)研究，從而完成對雷電防護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化。此外，基于高寒地區(qū)雷電情況，對原有風(fēng)電機(jī)組的繞擊率進(jìn)行修正，形成高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)系統(tǒng)能力的評價體系。相關(guān)研究的開展對降低高寒地區(qū)雷擊風(fēng)電機(jī)組損壞率、保證高寒地區(qū)風(fēng)電場安全運(yùn)行具有重要意義。

（2）高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電先導(dǎo)物理機(jī)制與影響因素。

根據(jù)高寒地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，探討大氣條件變化對風(fēng)電機(jī)組雷電先導(dǎo)起始及發(fā)展的影響。同時高寒地區(qū)雷電下行先導(dǎo)的極性應(yīng)予以考慮，從而分析風(fēng)電機(jī)組各部件上行先導(dǎo)的攔截能力。此外，高寒地區(qū)風(fēng)電場多風(fēng)機(jī)上行先導(dǎo)競爭機(jī)理仍需進(jìn)行更深入的探索。上述問題的研究，將為改善高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組的引雷能力提供理論支撐。

（3）高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電直擊損壞特征與機(jī)理分析。

針對高寒環(huán)境風(fēng)機(jī)部件的低溫脆性，開展雷擊電弧熱效應(yīng)下風(fēng)機(jī)部件的損壞特征與損壞機(jī)理研究，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，歸納引下線雷電流熱、電效應(yīng)下低溫葉片的損壞特征。相關(guān)機(jī)理的探索將揭示風(fēng)機(jī)部件雷電直擊損壞的基本過程，為耐雷部件的設(shè)計、弱化風(fēng)機(jī)雷電直擊損壞提供關(guān)鍵依據(jù)。

（4）高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊物理場的計算與過電壓防護(hù)。

針對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組接地系統(tǒng)，建立適用于高寒地區(qū)的雷擊風(fēng)電機(jī)組電磁暫態(tài)模型，對暫態(tài)過程中的物理場進(jìn)行計算與分析，從而抑制電磁干擾對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的危害。高寒地區(qū)雷擊風(fēng)機(jī)暫態(tài)過電壓的相關(guān)特性尚待研究，需依此制定合理的防護(hù)措施。有關(guān)研究的開展將系統(tǒng)闡明高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊電磁暫態(tài)的基本過程，相關(guān)防護(hù)措施的提出將有效避免風(fēng)電機(jī)組雷擊的間接損壞。

結(jié)論

1）高寒地區(qū)風(fēng)能資源豐富，已成為我國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的重要基地。然而有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷擊損壞次數(shù)明顯增多，甚至造成風(fēng)機(jī)機(jī)艙等重要部件的嚴(yán)重?fù)p壞，直接威脅風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此應(yīng)針對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組，開展相關(guān)雷電防護(hù)策略的基礎(chǔ)研究。

2）目前高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)的研究工作主要從雷電防護(hù)系統(tǒng)、雷電先導(dǎo)起始及發(fā)展機(jī)理、雷電直擊損壞機(jī)理以及雷擊電磁暫態(tài)過程四個方面展開，研究成果為高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)策略的設(shè)計提供了重要支持。但現(xiàn)有理論、實(shí)驗(yàn)研究的模型與方法，對高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)、環(huán)境因素以及雷電情況的考慮尚不充分，故相關(guān)數(shù)據(jù)與結(jié)論不能完全作為高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)的依據(jù)。應(yīng)基于上述考慮不足之處，完善理論模型與實(shí)驗(yàn)平臺，以滿足開展高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)相關(guān)研究的實(shí)際需求。

3）基于高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)現(xiàn)有研究成果，考慮高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、地理環(huán)境以及雷電情況，本文對高寒地區(qū)風(fēng)機(jī)防雷尚待解決的問題進(jìn)行了歸納與總結(jié)，并針對性地提出了若干研究領(lǐng)域，為后續(xù)研究提供了有利參考，相關(guān)課題具有良好的研究前景與發(fā)展空間。