風(fēng)能，作為一種清潔的可再生能源，取之不盡，用之不竭。隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出，風(fēng)電發(fā)展駛?cè)肟燔嚨溃懮稀⒑Ｉ系娘L(fēng)電場(chǎng)建設(shè)如火如荼，成為保護(hù)環(huán)境、輸送綠色能源的“風(fēng)中使者”。 截至2022年底，我國(guó)累計(jì)裝機(jī)超過18萬臺(tái)，容量超3.9億千瓦，同比增長(zhǎng)14.1%；其中，陸上累計(jì)裝機(jī)容量3.6億千瓦，占全部累計(jì)裝機(jī)容量的92.3%，海上累計(jì)裝機(jī)容量3051萬千瓦，占全部累計(jì)裝機(jī)容量的7.7%。

因風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)逐漸從小容量向大容量邁進(jìn)，風(fēng)機(jī)也越來越大、越來越高，葉片越來越長(zhǎng)，從而或多或少面臨著受到雷擊放電和損壞的風(fēng)險(xiǎn)；雖然風(fēng)機(jī)內(nèi)部已配置了防雷保護(hù)設(shè)備，但在一些極端的天氣條件下并不能完全保護(hù)風(fēng)機(jī)免受雷電破壞，眾多的陸上、海上風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)行過程中還是存在被雷擊致?lián)p壞的隱患。因此，有必要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中需要考慮的防雷安全問題和雷電監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行探討。主要需要從風(fēng)機(jī)內(nèi)部和風(fēng)電場(chǎng)區(qū)兩個(gè)不同的角度進(jìn)行考慮。

一、風(fēng)機(jī)內(nèi)部防雷及雷電監(jiān)測(cè)

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷部分主要參考的標(biāo)準(zhǔn)是《IEC 61400-24：風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)第24部分：雷電防護(hù)》。按照標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)機(jī)須配置外部雷電保護(hù)及內(nèi)部雷電保護(hù)系統(tǒng)，外部雷電保護(hù)系統(tǒng)包括：接閃系統(tǒng)、引下線系統(tǒng)、接地系統(tǒng)；內(nèi)部雷電保護(hù)系統(tǒng)（防止雷電電磁脈沖（LEMP）損壞）包括：等電位聯(lián)結(jié)、電磁屏蔽、綜合布線及電涌保護(hù)器（SPD）。正如前文所述，即便風(fēng)機(jī)內(nèi)部已按標(biāo)準(zhǔn)配置了這些雷電防護(hù)裝置，但依然不能完全地保護(hù)風(fēng)機(jī)免受雷電破壞，因此，在風(fēng)機(jī)內(nèi)部配置雷電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)了解風(fēng)機(jī)是否遭遇雷擊、獲取相關(guān)的雷電流數(shù)據(jù)以判斷風(fēng)機(jī)（或葉片）可能受到的雷擊損壞程度，精準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)就尤為重要。

圖1 雷電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DEHNdetect

德和盛電氣（DEHN）專業(yè)研究雷電防護(hù)相關(guān)技術(shù)超過百年（至今113年），其開發(fā)的雷電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DEHNdetect，主要由葉片監(jiān)測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集器、測(cè)量線圈及集線器組合而成，結(jié)構(gòu)和配置如圖1所示，其特別之處在于能夠監(jiān)測(cè)到葉片中的沖擊電流（>5kA）和初始連續(xù)電流（>100A）。初始連續(xù)電流簡(jiǎn)稱“Icc”，大概率出現(xiàn)在上行閃電中，也是對(duì)高聳建筑物造成破壞的主要因素，目前尚無法被現(xiàn)有的其他雷電監(jiān)測(cè)或定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到。同時(shí)，其特別工藝生產(chǎn)的測(cè)量線圈，能夠監(jiān)測(cè)且量化經(jīng)過整個(gè)風(fēng)機(jī)的沖擊放電電流（500A~250 kA），和初始連續(xù)電流（Icc，60A~2.5 kA），監(jiān)測(cè)范圍廣，且精度較高。

除了上述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，德和盛電氣還開發(fā)了一套簡(jiǎn)化版的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DEHNdetect LMS（Lightning Monitoring System，簡(jiǎn)稱“LMS”），LMS系統(tǒng)秉承了DEHNdetect系列高靈活性、高精度和高可靠性的特點(diǎn)。可實(shí)時(shí)、在線、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)雷電流，將風(fēng)機(jī)葉片遭受雷擊的情況及時(shí)地反饋給客戶，并能夠甄別遭受雷擊的葉片。如圖2所示，LMS 系統(tǒng)由智能雷電分析儀和雷電采集單元組成，測(cè)量范圍最大可達(dá)300kA。獨(dú)特的EMC 設(shè)計(jì)，保證數(shù)據(jù)更高的準(zhǔn)確性。巧妙的設(shè)計(jì)，即使斷電也能保證數(shù)據(jù)的安全，并仍能繼續(xù)監(jiān)測(cè)雷電，為客戶提供可靠、便捷的服務(wù)。

圖2 雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DEHNdetect LMS

上述的兩套風(fēng)機(jī)雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的價(jià)值，主要包括如下三個(gè)方面：

1.精準(zhǔn)定位事故風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)一旦被雷電擊中，可立刻定位風(fēng)電場(chǎng)中具體哪臺(tái)風(fēng)機(jī)被雷電擊中，避免由于不確定而進(jìn)行排查所帶來的高額檢修成本以及非計(jì)劃停機(jī)時(shí)長(zhǎng)。

2.避免二次損壞并減少停機(jī)時(shí)間。當(dāng)雷擊事故只造成輕微損壞時(shí)，及時(shí)維修,停機(jī)時(shí)間將會(huì)更短，運(yùn)維人員也可以從后臺(tái)判斷是否需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行維護(hù)，以避免任何二次損壞，例如葉片損壞。

3.雷擊電流參數(shù)監(jiān)測(cè)。可提供快速監(jiān)測(cè)葉片、機(jī)艙、塔筒是否遭受雷擊，并提供雷電的沖擊電流、初始連續(xù)電流Icc、電荷量、比能量和陡度等參數(shù)信息，提醒運(yùn)維人員及時(shí)進(jìn)行詳細(xì)地檢查，避免造成斷裂、起火等重大事故。

4.作為保險(xiǎn)公司的可靠證據(jù)。測(cè)量所有雷電流，包括初始連續(xù)電流Icc，以及雷暴期間每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受直擊雷的次數(shù)，這些數(shù)據(jù)可以作為保險(xiǎn)公司理賠時(shí)直接可靠的證據(jù)。

二、風(fēng)電場(chǎng)區(qū)防雷保護(hù)及雷電監(jiān)測(cè)

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)而言，風(fēng)機(jī)至升壓站和升壓站至電網(wǎng)輸電塔等部分常需架設(shè)架空線路，由于很大部分的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)在東南沿海、海上、高山等區(qū)域，雷暴日頻率較高，除了風(fēng)機(jī)本身很可能遭受雷擊之外，架空線路也不例外，帶來比較多的問題就是常常因?yàn)楸芾灼鞅粨魵В瑢?dǎo)致場(chǎng)區(qū)線路跳閘，而雷擊損壞避雷器運(yùn)維人員并不知情，受條件限制排查難度很大。

圖3 避雷器和脫扣器組成的避雷器監(jiān)測(cè)裝置

德和盛電氣的中壓避雷器、脫扣器和位移測(cè)量模塊組成的避雷器監(jiān)測(cè)裝置可以幫助風(fēng)電場(chǎng)區(qū)解決相關(guān)問題，其脫扣器實(shí)質(zhì)是一個(gè)火花間隙（上下金屬件之間留有縫隙，四周用鋁箍箍住），在正常狀態(tài)下，通過避雷器泄放雷擊能量，此時(shí)脫扣器無動(dòng)作，主線路不受雷擊影響；當(dāng)中壓避雷器損壞（短路），無法吸收大量能量時(shí)，所有能量集中于脫扣器中，脫扣器瞬間承受很大能量，產(chǎn)生熱效應(yīng)，直接崩開抱箍，使脫扣器脫離主線路，確保切斷短路回路，因此，脫扣器位移測(cè)量模塊反饋的數(shù)值能夠反映中壓避雷器是否毀壞。同時(shí)，帶有遙信功能的監(jiān)測(cè)裝置可以定位具體線路中哪個(gè)避雷器損壞，及時(shí)向運(yùn)維人員報(bào)警，能夠有效減少排查線路和跳閘恢復(fù)的時(shí)間。