风力涡轮发电机直击雷防护方案
由于风力涡轮发电机是工作在露天的自然环境中，不可避免地受到自然灾害的影响，尤其是雷电的影响。随着涡轮发电机技术的成熟，发电机组装机容量不断增加，为了获得更多的风能，涡轮发电机的轮毂和叶片半径随着塔架的增高而增高，同时也增大了风力涡轮发电机叶片、机舱等重要部件遭受雷击的概率，严重地影响了风力涡轮发电机的正常工作，大大增加了维护费用，并对工作人员的人身安全造成安全隐患。
为了最大限度的减少涡轮发电机遭受直接雷击时损坏的概率，同时确保工作人员的人身安全，必须对风力涡轮发电机采取相应的直击雷防护措施。风力涡轮发电机的直击雷电防护是一项系统性、复杂性的工程，必须在认真调查地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律以及了解风力涡轮发电机的组成、系统特点、重要性和损坏后产生的后果等基础上，经过雷击风险评估后，合理地做出雷电防护要采取的措施，做到安全可靠、技术先进、经济合理。
通过直击雷风险评估得出保护等级以后，就可以根据防护等级采取相应的防护措施。直击雷对风力涡轮发电机构成的威胁表现为：
1.跨步电压和接触电压、碎片、爆炸、火灾造成的人身伤害；
2.机械部件之间的火花放电造成火灾或爆炸；
3.过电压对对风力涡轮发电机内部电气设备造成的损坏；
4.对叶片的损坏。
因此，风力涡轮发电机的直击雷保护措施应从以上四点出发给予考虑，对风力涡轮发电机采取接闪器、引下线、接地装置、等电位装置措施。传统的直击雷保护虽然也采取了此类措施，但是效果不好，容易发生反击现象，对设备的安全构成隐患。
为了防止因直击雷对叶片造成损坏，为了防止因直击雷而引起的跨步电压和接触电压，为了避免各部件之间因火花放电造成火灾和爆炸，为了避免地电位发生反击，提出下列改进方法，对接闪、引下、接地装置进行隔离安装。
直击雷的防护主要是对暴露于LPZ0区（该区内的物体可能遭到直接雷击，因此可能传到全部雷电流。该区域内的电磁场没有衰减）的部位采取措施。位于LPZ0区的部位有：叶片、测风装置的传感器、金属机舱、无金属机舱内的所有设备
接闪器
作为风力发电机组中位置最高的部件，叶片是雷电袭击的首要目标，同时叶片又是风力发电机组中最昂贵的部件，因此叶片的防雷击保护至关重要。
1）叶片的保护
可以在叶尖加装一个特殊设计的不锈钢螺杆，即叶片最可能被袭击的部位，接闪器可以经受多次雷电的袭击，损坏后也可以方便地更换。接闪器的另一端与叶片内作为引下线的钢丝或铜导线连接。
2）机舱的保护
在机舱上部周围敷设避雷带，为了防止对机舱内的设备造成影响，避雷带应用绝缘子与机舱隔离。
3）测风设备的传感器保护
测风设备的传感器可以用避雷针保护。为了防止雷击时产生绕击和侧击，加装屏蔽型的避雷环给予保护。如图6。因此位于LPZ0区的部件，可以采用避雷针、避雷带相结合的方式进行保护，并将避雷针与避雷带连为一体。
引下线
雷电流的引下是一个复杂的过程，为了减少和避免雷电流经过的地方对机舱内设备造成干扰和损坏，引下线越短越好，经过的途径要少越好。传统的引下线方式是叶尖——叶片——轮毂——发电机的碳刷，因此发生雷击时，碳刷等部件极易损坏。
为了改进传统的引流方法，利用放电间隙的原理，我们可以在机舱的下端安装一个横向齿轮，在叶片的根部安装一个纵向齿轮，两个齿轮与塔架绝缘，这样无论轮毂怎样旋转，两个齿轮之间都会有一个间隙，这类似于最初用在变电站的空气间隙型避雷器，一端连着接闪器，一端连着接地体。
这样，在发电叶片接闪雷电流时，雷电流就沿图6的路径入地，从而有效地避免了雷电流通过其它途径接闪器在接闪电流以后可以沿着下列途径泄放入地，该方法是利用放电间隙的原理，如下图。
引下线在经过齿轮2时，也应该与塔筒用绝缘子与塔架进行隔离。为了将雷电流尽快泄放入地，同时减小雷电流在经过引下线是产生的电场对塔架内电子信息设备造成损坏，采用三根引下线同时引下，每个叶片对应一根引下线。引下线的截面积与接闪器一样。
引下线在其整个长度范围内，应至少具有如下截面积，当用圆做钢避雷针、避雷带时，其截面积不小于78平方毫米；用铜或铝合金时，截面积不小于50平方毫米。
接地系统
从防雷观点出发，风力发电机组宜设一共用接地体，即避雷针与塔架共用接地系统。接地体的布置一般可采用基础接地体或人工环形接地体。其包围的面积的平均半径应不小于6m]。为了防止地电位反击，引下线与接地装置连接时，应连接到接地装置的边缘部分，形成共地不共线，
接地系统的工频接地电阻应小于4Ω，在土壤电阻率很大的地方可放宽到10Ω以下。
根据IEC TR 61400-24要求，对于Ⅰ级防护等级来说，除了上述的直击雷措施外，还应采取附加的保护措施——减小跨步电压、接触电压的措施和减小感应电压对设备损坏的措施，即要做好等电位措施。塔架、所有金属设备，如开关柜、电动机、发电机，应连接到局部等电位连接带。同时应将金属设备的等电位接地与电源系统、控制系统、信号系统避雷器的接地端子分开，整个接地系统始终采用共地不共线的原则，避免各接地端子上因高电位产生反击、火花放电等现象。
（摘编自《电气技术》，原文标题为“风力涡轮发电机雷击风险评估方法和解决方案”，作者为罗佳俊、张小石。）
