｜風力發電機葉片防雷擊系統研討

摘要：本文主要介紹風力發電機葉片受雷擊之狀況，並設計防雷擊裝置以保護風力發電機葉片避免因雷擊導致損壞。

離岸型風力發電機在結構上採用碳纖維進行補強，因此在防雷擊設計上，必須在有使用碳纖維補強的部分鋪設保護網，若全葉片皆使用玻璃纖維，則通長在葉尖設有接閃器並與內部下引導線相接以進行接地。

本文根據實際葉片之防雷擊設計與裝置之模型進行雷擊試驗，試驗結果證實超高的雷擊電壓/電流能藉由防雷擊裝置順利導向接地端，但試驗中於葉尖仍發現有小破損，在實際製造時候仍應精進，以保護整體結構。

Abstract: This paper introduces the damage type of wind turbine blades caused by lightning, and lightning protection system designed to protect the wind turbine blades.

Offshore wind turbine blades reinforced by carbon fiber which is a kind of semi-conductible material prone to damage in lightning days. One of the protection methods for carbon fiber structure is to employ a lay of copper mesh above the structure. For normal blade make of glass fiber, the lightning protection system is usually composed by a receptor in tip and some others along the blade, and connecting to the down conducting cable to the earth-termination in the ground.

According to both of the design models of lightning protection system, lightning tests are performed. The results show the designed systems are success to conduct the high voltage current to the earth terminal. However some small cracks occurred at the blade tip indicates the necessity of improvement. The results is summarized and proposals of improvement in the real production stage is made to lead a sound system protect an operation rotor in real service life.

關鍵詞：防雷擊、風力發電機葉片、雷擊測試方法

Keywords：lightning protection, wind turbine blade, lighting test methods

風力機雷擊保護之必要性
台灣位於熱帶及亞熱帶地區，雲氣豐富且對流旺盛，是屬於多雷地區，雷擊事故頻傳，依台電公司各供電區處的歷年事故資料統計，輸電系統的雷害事故約佔總事故的50％；而風力機設置於空曠陸地上，其高度突出，往往成為雷擊威脅最大目標，遭受雷擊機率更高，而成為風力機的重大天然災害之一，輕則造成系統停機、營運損失，重則造成設備、系統的損壞，甚至整部機組焚毀、輸電系統大規模停電，衍生相當慘重的損失；故防雷擊系統需配合地區雷擊特性及安裝環境，做有利的調整、加強或改變，達到有效防雷擊目標。

一般來說，雷電的發生乃由於大地溫度升高，造成上升氣流並造成積雨雲，雲之正、負電荷被分離並積存在雲中形成雷雨胞，隨著時間累積相當數量電荷後，在雲層內、雲層與雲層間、或雲層與大地間就會存在著一個很強的靜電場（static electric field），當彼此電位超過其間空氣介質強度時則產生絕緣破壞而放電，雲層電荷就對地、雲或空氣釋放，產生所謂雷擊現象（如圖1）。

由於葉片處於風力發電機最高點，通常成為直擊雷擊最佳“附著點”，極易造成葉片受損（如圖2），因為葉片的費用占風力發電機總體費用的15-20%，所以葉片的損壞往往是雷電損壞中最為昂貴的，葉片每支動輒數百萬元，且施工更換調裝困難，往往造成更大的運轉營運損失；然而實際上，風力發電機為一高聳巨大建築結構，故其上接閃器（機艙頂部避雷針）、機艙（塔頂上發電機和控制單元的艙房）、頂部附近的突起和塔本身幾乎任何地方都可能是直擊雷擊的附著點，皆需適當規劃設計。

風力機防雷擊保護系統
風力機所配備的防雷保護系統目的，為讓其受雷擊傷害減至最低，防雷擊保護系統需做到全面防護包括葉片、機艙、電氣系統、風塔機構等。防雷擊保護系統一般是依據IEC1024-1之規章要求從事設計和測驗，防雷擊保護系統大致可區分為內部保護和外部保護兩部分處裡。

外部保護包含風塔上端連接、下引導線佈設和接地系統，而內部保護則考慮等電位連結和過電壓保護方式。等電位連結保護和過電壓保護處理是對風力發電機組內電子設備保護的最重要措施。