减少故障损失 危害风机的雷电流可以进行监测了！

随着国内陆上及海上安装的风机越来越多，雷电所导致的风机故障问题也越发凸显。如何减少风机叶片遭受雷击导致的故障损失，做到对风机叶片的可预测性维护？

近年来全球各地的学者和科研人员为我们提出了一些有益的建议,而其中为风机配备雷电监测系统，实现对危害风机的雷电流的有效监测就是达到以上目的的有效手段之一！同时这也是最新的《IEC61400-24:2019风机防雷标准》[1]中增加对风机安装雷电监测系统的推荐要求的目的。那么如何才能有效监测雷电流呢？

在全球众多研究人员的探索中发现，我们需要关注下面一些方面：

1.在IEC 62305-1[2]中描述了雷电流的主要监测参数[3]。这些参数对建筑物（包括风力发电机组）的防雷保护措施的设计和选型具有决定性意义[4]。

其中上行闪电应该首先被关注。上行闪电一般发生在近百米及以上高度的建筑上。在这类建筑的顶端，因为电场的增强效应导致电场强度超过了触发闪电放电所需的强度。这类闪电被称为上行闪电或地对云闪电。如果出现上行闪电，必须考虑在放电开始时的初始连续电流（ICC）。这些连续电流可以被所谓的ICC冲击电流叠加。在连续电流后也可能会跟随有回击[5].

日本研究人员曾对23台安装在日本的配备了雷电监测设备的风力发电机所遭受的雷击事件进行了调查，结果在其报告[6]中进行了总结。报告分析了2008年至2013年期间的测量结果，而这个测量本身至今仍在持续。总计有832次闪电事件在给定的时间段内被记录到。其中687次事件是可以评估雷电电流参数（Ip，Q，W/R）的。687件事件中有513件（75%）事件明显的属于带有初始连续电流（ICC）的上行闪电。

在对奥地利Gaisberg地区电信塔的雷电监测中，监测结果[7]显示在很大一部分上行闪电中连续电流后面没有跟随任何冲击电流。这样从高层建筑的顶部起始的，没有叠加或跟随有任何冲击电流的ICC被称为“仅含初始持续电流的放电”，简称“ICConly”放电。

科学研究中发现的ICConly放电的比例，我们可以参考奥地利NEDO雷电观测项目的研究结果。结果总结见下表，雷电流的幅值被用于进行分类，

此外根据研究观测发现，上行闪电活动的形成可能会受冬季闪电活动以及风电场所在地当地的地形条件的影响。通过观测发现，寒冷的季节会促进高层建筑上上行闪电的发生。一个极端例子是在2005年2月的一个晚上奥地利Gaisberg电信塔上被雷电记录装置记录到遭受了20次雷击[8]，远高于正常的平均水平。

2.此外，下行闪电也是需要重点关注的方面。通常认为下行闪电击中建筑物时，会对建筑物产生非常大的负荷。下行闪电中包含10%左右的正极性闪电。风力发电机的防雷系统通常是根据IEC 61400-24[2]中雷电防护等级I（LPL I）进行设计的。而正极性闪电的冲击电流峰值却可以达到非常高的峰值---高达200kA。

3.通过研究发现其实雷电流转移的电荷才是导致雷电接闪系统接闪点熔化的最主要原因。当雷电多次击中同一点时，电弧对接闪材料的腐蚀和熔化会有一个累积效应。而这正是风机叶片接收器的非常真实的工作场景。这一风险因素可以被定义为累积电荷量，即在一次雷暴中多次雷击转移的总的电荷量或是在一定时期内雷击转移的总的电荷量。在IEC61400-24风机防雷标准中也提到“需要考虑由于传导电荷导致的接闪系统的表面腐蚀，这种损伤是可以累积的。

综上所述，对现代兆瓦级风机而言，雷电监测系统应能够安全地记录雷电流≥200kA的幅值，最大测量范围应达到+/-250kA。

为了能够监测整个正极性下行闪电的电流波形，雷电监测系统应该有一个合适的频率范围，理想情况下，应从直流到兆赫并且记录时间≥ 1秒。

安装在高层建筑中包括风机上的雷电监测设施应既能够测量极低电流幅值的“ICC only放电”，也能够准确测量这类放电的转移电荷量。先决条件是监测系统应具有很低的触发阈值和较高的分辨率。而超过8位的垂直分辨率肯定也是必不可少的。雷电监测系统必须能够记录多次雷击并处理累积的数据。

此外，它还必须能够提供有关累积总电荷量的信息。

上行闪电的高转移电荷量通常伴随着超过IEC62305-1中规定的标准电流持续时间Tlong=0.5s的初始连续电流。如上所述，这需要记录持续时间至少应>=1秒。在时间上也应该考虑到，在被记录电流的至少10%到20%就有一个预触发。

在风力发电机中，与所有防雷系统一样，属于接闪装置（风机叶片的）和接地系统之间的雷电流泄放路径上的所有组件，如滑动触点、电刷和SPD，都必须能够承受LPL I等级的正极性先导雷电流的影响。如果风机的雷电监测系统除了能够监测雷电流外，还能提供关于雷电流分布的信息，这将是该雷电监测系统的一个巨大优势。

*参考文献：

“Measurement of lightning currents on high structures and wind turbines”，34th International Conference on Lightning Protection ICLP Rzeszow Poland, 2018. Josef Birkl（DEHN），Thomas Böhm（DEHN），Gerhard Diendorfer(University)，Fridolin Heidler(University)，Christian Paul(OVE)，Hannes Pichler(OVE)，

[1] IEC 61400-24: Wind turbines – Part 24: Lightning protection

[2] IEC 62305-1 Ed.2:2010-12: Protection against lightning - Part 1:

General principles

[3] F. Heidler, W. Zichank, Z. Flisowki, Ch. Bouquegneau and C. Mazetti:

“Parameter of lightning current given in IEC 62305- background, experience and outlook“, 29th International Conference on Lightning Protection ICLP, Uppsala, 2008

[4] CIGRE WG C4.407: Lightning parameters for engineering applications. Report No. 549, August 2013. IISBN 978-2-85873-244-9

[5] March, V.: “Upward lightning observations on a wind turbine and its implications to environmental factor for risk assessment”, Proc. AsiaPacific Conf. Lightning Protection (APL), Nagoya, Japan, June 2015

[6] G. Diendorfer, H. Pichler und W. Schulz: “LLS detection of upward initiated lightning flashes,” Proc. 9th Asia-Pacific International Conference on Lightning (APL), Nagoya, Japan, 2015, pp. 497–501

[7] N. Wilson, J. Myers, K. Cummins, M. Hutchinson, und A. Nag: “Lightning Attachment to Wind Turbines in Central Kansas: Video Observations, Correlation with the NLDN and in-situ Peak Current Measurements,” in The European Wind Energy Association (EWEA), 2013

[8] G. Diendorfer, R. Kaltenboeck, M. Mair und H. Pichler. 2006: “Characteristics of tower lightning flashes in a winter thunderstorm and related meteorological observations”, 19th Int. Lightning and Detect. Conf. (ILDC) and Lightning Meteorology Conf. (ILMC), Tucson, Arizona, USA.