風力發電采用清潔的可再生能源發電形式，開發利用風力發電，對實現能源可持續發展具有重要意義。我國風力發電自起步之后發展迅猛，其中以內蒙古東部、東北為代表的高寒地區因海拔、緯度較高、受北方高壓冷氣團影響頻繁等特點，風能資源儲備極為豐富，為風力發電規模化建設提供了有利條件。

近年來高寒地區風電裝機容量顯著攀升，已逐漸在我國風電產業發展中占據主導地位。伴隨風電裝機容量和風電場規模的擴大，風電機組的安全運行問題日益受到重視。雷擊是影響風電機組安全運行的主要因素之一，當風電機組遭受雷擊時，可能會造成風機不同程度的損壞，進而導致風電場承擔巨大的經濟損失和產生惡劣影響，雷擊風電機組過程與嚴重損壞案例如圖1所示。

圖1 雷擊風電機組過程與嚴重損壞案例

資料顯示，日本風電機組雷擊平均損壞率約為12.7次/(百臺?年)，且沿海地區風電機組冬季雷擊損壞次數遠高于其他地區。丹麥、瑞典以及德國曾分別對本國風電機組雷擊損壞次數做出準確統計，其中丹麥與瑞典風電機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，德國山區風電機組雷擊損壞率為14次/(百臺?年)，高于統計結果顯示的雷擊損壞率平均水平。

美國則針對其三個州的風電場共計508臺風機進行了5年的雷擊損壞監測，結果顯示風機葉片平均雷擊損壞率為11.9次/(百臺?年)，雷擊葉片損壞次數隨風機運行年限的延長而增長。

相對而言，我國風電場所處地理位置及其氣候環境更為復雜，因此風機雷擊損壞問題更為突出，相關調查結果表明，我國運行風電機組的雷擊損壞率高于歐洲國家的平均值。

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

此外，我國高寒地區地理、氣候尤為特殊，導致風電場長期遭受雷擊災害的影響。基于東北某大型風電場雷擊損壞的數據統計，2008～2011年該風電場因雷擊引起的風機葉片損壞66次，風電機組控制系統損壞多達174次，風電機組雷擊損壞率為37.5次/(百臺?年)。

以上數據表明，雷擊造成風電機組部件損壞較為頻繁，尤其在高海拔、高緯度及寒冷地區的風電機組，雷擊損壞次數增長顯著，伴隨風電大規模并網，上述問題將會更加突出。因此，開展相關風機雷電防護策略的研究，對高寒地區風電機組的安全穩定運行具有重要意義。

本文從風電機組特點、地理環境以及雷電情況等角度對高寒地區風電機組遭受雷擊的特點進行闡述和歸納，將高寒地區風電機組雷電防護的研究劃分為雷電防護系統、雷電先導起始及發展機理、雷電直擊損壞機理與雷擊電磁暫態過程四個部分，并對各個部分國內外研究現狀進行了分析與梳理，同時結合尚待解決的問題，針對性地提出了高寒地區風機防雷的若干研究領域，以期為后續研究提供有益借鑒。

1 高寒地區風電機組雷擊特點

1.1 高寒地區風電機組與地理環境的特點

20世紀90年代，國際上風電機組容量以600kW為主，隨著風力發電相關技術的日益成熟，風電機組的單機容量已增大至MW級，并有向10MW以上發展的趨勢。風電機組單機容量的提升，使風機輪轂尺寸、風機高度與葉片長度明顯增大。高寒地區風電機組單機容量普遍較大，造成風機整體尺寸增大，從而提高了風機遭受雷擊的概率。

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

表1 低溫FD70B型1.5MW風電機組主要參數

1.2 高寒地區雷電情況

高寒地區雷電情況與平原地區差異較大，主要體現在雷電活動頻率、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計制作的全國年平均雷暴日數分布圖，其中內蒙古東部與東北地區雷電活動頻率明顯高于華中部分地區，導致風電機組遭受雷擊的概率顯著增加。而針對高寒地區一年之中雷電活動頻率，相關資料表明其隨季節改變而變化顯著。

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

吉林省30年雷暴日統計數據指出省內不同區域秋季雷暴日與春季基本相同，其中中西部地區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象。

內蒙古氣象部門對2013～2014年內蒙古高原地區地閃頻次、地閃強度以及雷擊災害特征進行了統計與分析，結果顯示內蒙古高原地區正地閃占地閃總數的10%，遠高于南方地區，正地閃電流為負地閃的2倍左右。此外，當發生正極性雷放電時，自風機非接閃器部件上起始的上行先導可能對下行先導完成最終攔截，致使雷擊風機時的損壞將更為嚴重。

圖2 全國年平均雷暴日數分布圖

雷電流幅值是衡量雷電強度的重要指標，對設備絕緣選擇與防雷措施設計具有重要意義，而雷電流幅值與氣象、地理位置具有緊密關系，故雷電流幅值需根據不同地區與環境進行區別計算。雷電流幅值I對數均值關于海拔高度、緯度的計算式為

式1

通過式（1）可以發現，高寒地區的雷電流幅值因海拔高度與緯度的升高而有所降低。但鑒于高寒地區所面臨的氣候環境惡劣、平均雷暴日數較高、高土壤電阻率引起的接地電阻較大等問題，對高寒地區風機雷電防護能力的要求應進一步提高。

2 高寒地區風電機組雷電防護研究現狀

2.1 高寒地區風電機組雷電防護系統

葉片是風電機組位置最高、體積最大的旋轉部件，雷電放電逐級發展時，葉片遭受雷擊的概率遠大于風機其他部件，且葉片遭雷擊損壞后，維修耗資巨大，因此目前主要基于風機葉片進行風電機組雷電防護系統的設計與研究。

在實際運行的風電場中，普遍采用的風電機組雷電防護系統由葉片金屬接閃器與葉片內部金屬引下線組成，當雷擊風機時，葉片接閃器引雷擊于自身，并將雷電流通過內部引下線泄入大地，從而降低雷擊造成風機損壞的概率。

為檢驗有無接閃器與接閃器裝設位置不同對雷擊葉片損壞程度的影響，日本學者對長度為3m的葉片模型進行雷擊模擬實驗。

實驗結果表明，葉片不裝設接閃器與引下線時，雷擊葉片造成葉片表面沿面放電或貫通性擊穿；葉尖區域裝設接閃器與引下線時，雷擊基本發生在接閃器上；接閃器裝設在遠離葉尖的葉片表面時，雷擊有多次發生在葉尖而未發生在接閃器上，并在雷擊點與葉片內部導體間產生內部電弧，故接閃器應盡可能裝設在葉尖區域。但此實驗只針對風機局部部件，且葉片樣品尺寸較小，而完整風機結構下接閃器位置的精確選取，還需開展相似實驗進行驗證與分析。

• 有學者對葉片接閃器裝設位置作出了理論論證，通過建立長36m、無接閃器葉片模型，對葉片區域電場進行了仿真計算。仿真結果顯示在距葉尖6m，尤其是距葉尖1m范圍內，電場強度明顯高于其他區域，葉尖附近遭遇雷擊概率最大，因此接閃器的裝設應盡可能靠近葉尖。
• 有學者基于經典繞擊分析模型，對裝設葉尖接閃器的風電機組進行繞擊率計算，計算結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功能。

IEC/TR 61400 24例舉了四種基于葉片的典型風電機組雷電防護系統設計，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，但此種設計可能會影響葉片轉動，并且引發噪聲污染等問題；類型D則是在葉片表面涂層下鋪設金屬網，從而達到攔截雷擊、泄放雷電能量的目的。

圖3 IEC/TR 61400 24例舉的雷電防護系統

此外，國內外學者還就接閃器數量、尺寸對風電機組雷電防護的影響開展了相關研究。有學者通過模擬不同接閃器裝設方式下的葉片附近電壓分布發現，即便接閃器數量增加至5組以上，也不會造成電壓分布的較大變化，因此增加接閃器數量對葉片雷擊接閃過程影響較小，故在葉尖裝設1組接閃器的經濟性更為突出。有學者認為葉片接閃器數量的增加雖在一定程度上擴大了保護范圍，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，將導致接閃器處更加難以觸發上行先導。

以上研究成果對高寒地區風電機組雷電防護系統的設計具有重要指導作用，但考慮高寒地區風電機組尺寸較大，接閃器的裝設位置與數量仍需進一步驗證。雷電觀測結果指出，蒙東通遼扎魯特風電場所處地區曾分別于1977年10月23日、2012年10月16日出現雷暴活動，黑龍江伊春小城山風電場所處地區于1996年10月28日發生雷暴。

氣象資料顯示，蒙東、東北地區進入10月后降溫幅度明顯，上述雷暴發生日期及相鄰幾日，兩風電場所處地區平均最低氣溫維持在0℃以及0℃以下。結合以上數據分析可知，高寒地區風電場所處區域月發生雷暴時，葉片表面將可能出現局部積霜、覆冰的現象，此類現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風機防雷系統的設計提出了更高要求，應據此開展更為深入、系統的研究。此外，高寒地區雷電情況與其他地區存在較大差異，應基于實際雷電情況，對高寒地區風電機組雷電防護系統的能力進行分析與評價。

2.2 高寒地區風電機組雷電先導起始及發展機理

雷電先導的起始與發展是雷電防護研究的重要基礎，雷電下行先導不斷向下發展，當地面物體起始的上行先導與下行先導發生最后躍變并連接時，即完成雷擊物體的過程。

有學者指出，在下行先導逐步向風電機組發展時，將在葉尖接閃器、葉片、機艙以及輪轂等部件處發展上行先導，從而形成上行先導競爭躍變的物理現象。但基于目前已有的風電機組雷電防護系統，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往往最早起始，并最先與下行先導發生躍變，接閃器有極大概率成為雷擊點，從而使風機得到保護。因此，目前相關學者主要針對裝設接閃器的風電機組，進行雷電先導問題的理論與實驗研究。

有學者對雷擊風機葉片上行先導的起始機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起始判據，并對臨界長度的影響因素進行了分析，但葉片初始流注區電場強度與臨界長度變化對葉片上行先導起始的影響，還需進一步探索。

與傳統電力設備雷電防護不同，風機正常工作時葉片處于旋轉狀態，有學者通過開展1m空氣間隙旋轉葉片接閃縮比試驗，發現葉片旋轉時上行先導的發展不如葉片靜止時充分，葉片轉速愈高，上行先導發展愈受抑制，遭受雷擊的概率愈低。其主要原因為葉片旋轉改變了葉尖區域的正離子濃度，從而不利于流注與上行先導的發展。

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

表2 不同轉速下1m氣隙的平均擊穿電壓

圖4 不同轉速下1m氣隙葉片上、下行先導連接位置

基于旋轉葉片接閃縮比試驗的相關結論，有學者開展了1m氣隙不同接閃配置下的葉片接閃縮比試驗。試驗結果表明當接閃器曲率半徑較小時，氣隙的擊穿電壓較高，葉片上行先導的發展落后于曲率半徑大的接閃器，其主要原因為曲率半徑較小的接閃器，其葉尖區域正離子濃度較高，削弱了接閃器附近電場，進而抑制了流注與上行先導的發展。

此外相關資料指出，存在葉尖接閃器上行先導攔截下行先導失效的問題。當第一次下行梯級先導擊于葉尖接閃器后，第二次下行箭式先導的發展將更為迅速，且可能繞過葉尖接閃器，與葉身表面起始的上行先導發生躍變。由于自然界中正極性雷電出現概率較小，現有研究主要針對負極性雷電的先導過程，但有關實驗表明，接閃器對正極性下行先導的攔截效率有所降低，正極性雷電有擊中風機其他部件的可能。

上述兩種情況將對風電機組造成嚴重損壞，相關雷電防護措施仍舊需要完善。此外，風電場機組數量較多，但目前關于多風機場景下葉片上行先導競爭躍變機理的研究相對較少，應基于風電場實際情況開展進一步的探索。

高寒地區的地理位置以及與之相連的自然環境特征突出，故其地理環境與其他地區具有較大差異，進而導致平均大氣條件區別明顯。風電機組雷電先導的起始及發展與大氣條件緊密相關，因此應以環境因素與大氣條件為前提，對高寒地區風電機組雷電先導問題進行分析與論證。此外，考慮高寒地區雷電下行先導過程與極性的特點，風機各部件上行先導的發展情況需進行更深入的研究。

2.3 高寒地區風電機組雷電直擊損壞機理

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

當雷電直擊風機非接閃器的部件時，雷擊電弧的高溫將灼燒雷擊點附近的材料，率先對風機部件造成破壞。雷擊點處的高溫還將快速傳遞至風機部件內部，內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，進而對風機部件造成機械損壞。此外，該壓力波不僅存在于雷擊點附近，亦可傳播至風機其他部件，從而使破壞范圍進一步增大。

風機葉片多由玻璃纖維、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，葉片夾層或內部會遺留水蒸氣。雷電繞過接閃器直擊葉片時，雷擊點的高溫電弧使葉片內部溫度大幅上升，水蒸氣受熱膨脹后的壓力將可能導致葉片局部開裂、斷層甚至爆裂。

有學者針對葉片內部水蒸氣熱膨脹的情況進行了實測分析，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，其受熱膨脹后將導致葉片內部產生不平衡壓力，造成葉片不同程度的損壞。此外，在雷直擊于葉片時，雷擊點與葉片內部導體間可能會產生內部電弧。

內部電弧是造成葉片內部材料嚴重損壞的重要原因，有學者開展了葉片夾層材料PVC與巴塞木的電弧熱效應模擬實驗，結合分子反應動力學理論，對PVC與巴塞木在內部電弧下的損壞特征、程度以及機制進行了歸納，研究表明高溫下PVC與巴塞木的材料聚合度發生明顯變化，進而影響材料的機械強度。其中PVC殘余聚合度與峰值溫度、時間的關系如圖5所示。

圖5 PVC殘余聚合度與峰值溫度、時間的關系

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

針對雷電流通過內部引下線造成的葉片損壞問題，相關學者提出了外置引下線的設計，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機葉片轉動時的氣動特性，有關此設計的可行性仍需進一步評估與論證。

有學者則指出在旋轉葉片接閃時，雷擊電弧在接閃器附近將發生偏移，形成拉弧現象，進而燒蝕葉片，實驗結果與現場葉片損壞情況表明，葉片轉速越大，燒蝕范圍越大。

基于高寒地區雷電活動頻率與2.1節中提及的相關數據，當高寒地區風電機組在低溫條件下遭受雷擊時，雷擊電弧熱效應與內部引下線雷電流的作用將可能引發風機葉片及其他部件溫度的大幅驟變，結合風機部件材料在寒冷環境下呈現的低溫脆性，上述過程將對風機造成更大的破壞。因此考慮低溫影響，相關損壞機制的結論還需進一步完善。

2.4 高寒地區風電機組雷擊電磁暫態過程

雷電擊于接閃器后，雷電流經引下線、機艙、塔筒以及接地系統泄入大地，但由于雷電流行波幅值較高，電流變化與泄放速度極快，在經過機艙與塔筒時將建立暫態電磁場，此類電磁場通過感應與輻射的方式，影響風機控制系統的正常工作，甚至使控制系統中的電子設備發生嚴重故障。統計結果顯示，控制系統損壞占風電機組雷擊設備損壞總數的40%～50%。

此外，快速變化的電磁場將在塔筒內通信或電力線路中產生幅值較高的暫態過電壓，從而對設備絕緣造成危害。與雷電直擊風機部件造成的損壞有所不同，雷擊電磁暫態過程對風電機組的危害是間接的，應對此開展相關的探索與研究。

有學者針對雷擊過程中塔筒內電磁場提出了一種簡化算法，具體是將塔筒與雷電流進行合理等效，并依據麥克斯韋方程計算塔筒內的電場與磁場，為風機控制系統的雷電防護提出了有效措施。國內外學者通過建立較為全面的風電機組電磁暫態模型，對風機內部雷擊暫態過電壓進行了計算。

有學者通過研究不同接地電阻、接地方式下塔體自身與塔體內電纜的雷電暫態過電壓，發現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。獨立接地方式下不同接地電阻的塔體頂端暫態過電壓波形如圖6所示。

同時仿真結果表明接地電阻為1Ω時電纜過電壓峰值較接地電阻為10Ω時降低40%，此外，風機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）。

有學者則表明風機獨立接地方式下雷擊暫態過電壓幅值較小，其中長棒形、環形接地體對過電壓的抑制作用明顯。

圖6 塔體頂端暫態過電壓

有學者基于分段參數，將雷擊風機電磁暫態模型進一步完善，根據不同雷電流波形與塔筒高度，對雷擊風機暫態過電壓的變化進行了有效評估。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間下，過電壓數值相差較大。

高寒地區土壤情況較為復雜，故高寒地區風電機組的接地系統與接地電阻不同于其他地區，應對雷擊風電機組后的電磁暫態模型進行修正。此外，高寒地區風機塔筒內物理場的分布以及線路中暫態過電壓的防護措施尚缺乏系統研究，相關問題需進一步的探討與論證。

3 高寒地區風機防雷的若干研究領域

針對高寒地區風電機組特點、地理環境及雷電情況，結合目前高寒地區風電機組雷電防護的研究現狀與尚待解決的問題，提出若干研究領域如下：

（1）高寒地區風電機組雷電防護系統的優化配置與能力評估。

考慮高寒地區風電機組結構特點、自然環境以及雷電活動頻率的影響，開展低溫條件下大型風機模型雷擊模擬實驗研究，從而完成對雷電防護系統的優化。此外，基于高寒地區雷電情況，對原有風電機組的繞擊率進行修正，形成高寒地區風電機組雷電防護系統能力的評價體系。相關研究的開展對降低高寒地區雷擊風電機組損壞率、保證高寒地區風電場安全運行具有重要意義。

（2）高寒地區風電機組雷電先導物理機制與影響因素。

根據高寒地區環境特點，探討大氣條件變化對風電機組雷電先導起始及發展的影響。同時高寒地區雷電下行先導的極性應予以考慮，從而分析風電機組各部件上行先導的攔截能力。此外，高寒地區風電場多風機上行先導競爭機理仍需進行更深入的探索。上述問題的研究，將為改善高寒地區風電機組的引雷能力提供理論支撐。

（3）高寒地區風電機組雷電直擊損壞特征與機理分析。

針對高寒環境風機部件的低溫脆性，開展雷擊電弧熱效應下風機部件的損壞特征與損壞機理研究，并通過相關實驗，歸納引下線雷電流熱、電效應下低溫葉片的損壞特征。相關機理的探索將揭示風機部件雷電直擊損壞的基本過程，為耐雷部件的設計、弱化風機雷電直擊損壞提供關鍵依據。

（4）高寒地區風電機組雷擊物理場的計算與過電壓防護。

針對高寒地區風電機組接地系統，建立適用于高寒地區的雷擊風電機組電磁暫態模型，對暫態過程中的物理場進行計算與分析，從而抑制電磁干擾對風機控制系統的危害。高寒地區雷擊風機暫態過電壓的相關特性尚待研究，需依此制定合理的防護措施。有關研究的開展將系統闡明高寒地區風電機組雷擊電磁暫態的基本過程，相關防護措施的提出將有效避免風電機組雷擊的間接損壞。

結論

1）高寒地區風能資源豐富，已成為我國風力發電發展的重要基地。然而有關統計數據表明，高寒地區風電機組雷擊損壞次數明顯增多，甚至造成風機機艙等重要部件的嚴重損壞，直接威脅風機的安全穩定運行。因此應針對高寒地區風電機組，開展相關雷電防護策略的基礎研究。

2）目前高寒地區風電機組雷電防護的研究工作主要從雷電防護系統、雷電先導起始及發展機理、雷電直擊損壞機理以及雷擊電磁暫態過程四個方面展開，研究成果為高寒地區風電機組雷電防護策略的設計提供了重要支持。但現有理論、實驗研究的模型與方法，對高寒地區風電機組結構、環境因素以及雷電情況的考慮尚不充分，故相關數據與結論不能完全作為高寒地區風電機組雷電防護的依據。應基于上述考慮不足之處，完善理論模型與實驗平臺，以滿足開展高寒地區風電機組雷電防護相關研究的實際需求。

3）基于高寒地區風電機組雷電防護現有研究成果，考慮高寒地區風機結構、地理環境以及雷電情況，本文對高寒地區風機防雷尚待解決的問題進行了歸納與總結，并針對性地提出了若干研究領域，為后續研究提供了有利參考，相關課題具有良好的研究前景與發展空間。