新能源发电系统中的雷电防护策略

摘要：本文简要介绍了新能源发电系统的雷电防护需求，分析了其中存在的问题，如技术标准有待完善、防雷设计存在结构性缺陷、智能化监测手段落后、系统集成与协同防护不足。围绕强制规范与激励约束、模块化防雷与定制化降阻、智能电涌保护器与数字孪生监测技术、全链路电磁兼容设计等维度，探讨相应的对策。

关键词：新能源；发电系统；雷电防护；防雷设计；智能化监测

新能源发电系统不管是遭遇直接雷击，还是遭到感应雷击，都会受到损伤，轻则影响发电效率和增加运维成本，重则导致设备损坏、区域性停电乃至重大安全事故。随着新能源发电项目的数量持续增加以及规模不断提高，新能源发电系统的雷电防护自然受到了广泛关注。

一、新能源发电系统的雷电防护需求

新能源发电系统多布设于开阔、高海拔、偏远山区等雷击高风险区域，同时该系统的自动化、智能化程度高且对系统安全性与电气连续性要求极高，故而其有着较高的雷电防护需求。直接雷击直接击中新能源发电系统中的光伏板、风机叶片、杆塔等设备的话，可能会直接导致设备变形、击穿和烧毁，严重时还可能引发火灾。而且风电塔筒、光伏支架等金属结构存在接地不良问题的话，可能导致设备部件被雷击时所产生的高温弧光融化。感应雷击则会通过线路或空间耦合，在新能源发电系统的控制系统、传感器、通信设备等之中产生过电压，进而造成电路板烧毁、数据丢失、误动作等问题，严重影响发电系统正常运行。尤其是光伏发电系统的直流高压线路，更易被感应过电压影响，进而导致逆变器损坏。雷击还可能导致新能源发电系统突然断电或电压波动，影响电网稳定性，严重时还可能造成区域性停电。轻微雷击还可能造成光伏板隐裂、光伏板透光率下降、风机轴承磨损加剧等不会直接造成破坏的损伤，但是长期积累后会造成长期性能衰减，发电效率降低，相应的运维成本增多。

二、当前新能源发电系统中的雷电防护不足

（一）技术标准有待完善

新能源发电系统类型多样，常见的有风电系统、光伏系统等。目前新能源发电系统的雷电防护标准并不完善，存在一些不可忽视的问题。譬如风电机组防雷标准受限于高海拔、强风等恶劣环境有着较大的实施难度；光伏发电系统中储能系统的直流电涌保护器选型欠缺专门标准而导致实践中存在适配性差、选型混乱等问题。

（二）防雷设计存在结构性缺陷

目前新能源发电系统的防雷结构存在一些结构性缺陷，导致雷电防护效果较差。不少风电系统中的传统直驱风机依赖轴承作为雷电流泄放通道，自然较易出现轴承因为雷击而灼烧、损坏的情况，会对发电系统的正常运行造成不小影响，相应的停机维修成本有所增加。部分光伏发电系统的电站没有因地制宜地进行雷电风险评估，防雷方案的设计与实施中存在接地系统设计粗糙、接地线截面偏小、接地线焊接质量差等问题，导致防雷效果较差，对系统设备以及人员安全有不小威胁。

（三）智能化监测手段落后

随着现代智能技术的不断发展，新能源发电系统也逐步朝着智能化方向发展。然而当前新能源发电系统的智能化监测手段较为落后，难以实现对雷电危害的动态、精准监测，不利于系统雷电防护的落实与优化。不少风电系统依旧采用人工读取雷电峰值记录卡的方式获取雷电信息，不能对雷击点进行实时定位，也不能记录多次雷击数据，自然不利于基于雷击数据的系统预测性维护。不少光伏发电系统中的传统电涌保护器缺乏状态监测和寿命预测功能，而且其失效后不能远程报警，容易出现电涌保护器失效后引发的非计划停机问题。

（四）系统集成与协同防护不足

当前新能源发电系统系统集成与协同防护有所不足，一方面体现为控制系统薄弱，即风电系统雷电防护主要集中于桨叶或外部结构，逆变器、电池管理系统等关键部位的电磁脉冲防护较为薄弱；另一方面体现为多级电涌保护器配合混乱，不同等级电涌保护器之间能量配合不明确，塔筒内信号线和电源线的屏蔽接地方法不统一，严重影响雷电防护实效。

三、新能源发电系统中的雷电防护策略

（一）持续进行强制规范与激励约束

为了提升新能源发电系统的雷电防护水平，需从标准与政策维度持续进行强制规范与激励约束，逐步统一和规范防护标准。以国家出台的相关标准与政策为基准，包括《光伏发电站防雷技术要求》（GB/T 32512-2016）、《风力发电机组—防雷装置检测技术规范》（GB/T 36490-2018）、《风能发电系统 雷电防护》（GB/T 33629-2024）等。电网公司和设计院则要在国家标准与政策指导下，合理制定完善防雷设计前置审批机制，将防雷方案纳入新能源项目并网验收的“一票否决项”，而且未通过雷电评估报告的项目不予并网。国家财政部与开发商则要推进成本分摊机制的建设，对采用智能防雷系统的项目给予绿证额外补贴以推动技术升级。

（二）积极推进模块化防雷与定制化降阻

针对新能源发电系统的防雷设计缺陷，可通过推进模块化防雷与定制化降阻的策略加以改善。风电系统中，可采取轴承隔离与冗余泄放通道相结合的策略进行防雷设计，尤其要确保主轴轴承加装碳刷并和金属氧化物避雷器并联，确保雷电流能优先通过金属氧化物压敏电阻泄放，从而避免轴承电弧因为雷击而灼伤。光伏发电系统中，可设计三级电涌保护器与熔断器相结合的直流侧防护策略，配置组件、汇流箱和逆变器三级电涌保护器，并且每级均配置熔断器与直流断路器，可有效防止电涌保护器短路而引发火灾。高土壤电阻率区域，还可采取柔性接地网与电解离子接地极的策略，将铜覆钢绞线放射形接地网，配合长效电解离子接地棒，可将接地电阻降到5Ω以下。

（三）大力发展智能电涌保护器与数字孪生监测技术

大力发展智能化监测技术，能为新能源发电系统的雷电防护提供实时、精准的防雷数据。在新能源发电系统中配置智能电涌保护器模块，模块内置LoRa/NB-IoT芯片，可对漏电流、温度与动作次数进行监测，而且寿命到期自动报警，以免引发非计划性停机。在风机或光伏阵列中安装磁场传感器阵列，结合GPS时间同步，可有效定位雷击点并可视化呈现。开发数字孪生平台，基于雷电密度数据构建三维防雷模型，从而预测雷击风险和模拟防护效果，优化接闪器布局。

（四）加强全链路电磁兼容设计

新能源发电系统加强系统集成与协同防护，能切实提升雷电防护水平。在风机主控柜、光伏逆变器中安装信号电涌保护器，使用双层屏蔽电缆进行屏蔽层360°环接，另外再统一采用等电位接地网进行接地处理，通过能量自动配合技术确保各级电涌保护器动作电压差不超过200V，能有效强化整个系统的雷电防护能力。另外还要落实雷雨季前的机组抽检、便携式直流电涌保护器备件、运维人员认证等机制的构建与执行，进一步强化系统运维保护能力。

结束语：

新能源发电系统的运行与发展需要以强化雷电防护为重点，合理采取各种措施提升雷电防护水平十分重要。可预见的是，随着新能源事业的持续发展，相应的雷电防护标准、设备、技术将逐步完善，进而为新能源事业的高质量发展以及电网事业的安全稳定发展提供有力支撑。