隨著國內(nèi)陸上及海上安裝的風(fēng)機越來越多，雷電所導(dǎo)致的風(fēng)機故障問題也越發(fā)凸顯。如何減少風(fēng)機葉片遭受雷擊導(dǎo)致的故障損失，做到對風(fēng)機葉片的可預(yù)測性維護？
近年來全球各地的學(xué)者和科研人員為我們提出了一些有益的建議,而其中為風(fēng)機配備雷電監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對危害風(fēng)機的雷電流的有效監(jiān)測就是達到以上目的的有效手段之一！同時這也是最新的《IEC61400-24:2019風(fēng)機防雷標(biāo)準(zhǔn)》[1]中增加對風(fēng)機安裝雷電監(jiān)測系統(tǒng)的推薦要求的目的。那么如何才能有效監(jiān)測雷電流呢？
在全球眾多研究人員的探索中發(fā)現(xiàn)，我們需要關(guān)注下面一些方面：
1.在IEC 62305-1[2]中描述了雷電流的主要監(jiān)測參數(shù)[3]。這些參數(shù)對建筑物（包括風(fēng)力發(fā)電機組）的防雷保護措施的設(shè)計和選型具有決定性意義[4]。
其中上行閃電應(yīng)該首先被關(guān)注。上行閃電一般發(fā)生在近百米及以上高度的建筑上。在這類建筑的頂端，因為電場的增強效應(yīng)導(dǎo)致電場強度超過了觸發(fā)閃電放電所需的強度。這類閃電被稱為上行閃電或地對云閃電。如果出現(xiàn)上行閃電，必須考慮在放電開始時的初始連續(xù)電流（ICC）。這些連續(xù)電流可以被所謂的ICC沖擊電流疊加。在連續(xù)電流后也可能會跟隨有回擊[5].
日本研究人員曾對23臺安裝在日本的配備了雷電監(jiān)測設(shè)備的風(fēng)力發(fā)電機所遭受的雷擊事件進行了調(diào)查，結(jié)果在其報告[6]中進行了總結(jié)。報告分析了2008年至2013年期間的測量結(jié)果，而這個測量本身至今仍在持續(xù)。總計有832次閃電事件在給定的時間段內(nèi)被記錄到。其中687次事件是可以評估雷電電流參數(shù)（Ip，Q，W/R）的。687件事件中有513件（75%）事件明顯的屬于帶有初始連續(xù)電流（ICC）的上行閃電。
在對奧地利Gaisberg地區(qū)電信塔的雷電監(jiān)測中，監(jiān)測結(jié)果[7]顯示在很大一部分上行閃電中連續(xù)電流后面沒有跟隨任何沖擊電流。這樣從高層建筑的頂部起始的，沒有疊加或跟隨有任何沖擊電流的ICC被稱為“僅含初始持續(xù)電流的放電”，簡稱“ICConly”放電。
科學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)的ICConly放電的比例，我們可以參考奧地利NEDO雷電觀測項目的研究結(jié)果。結(jié)果總結(jié)見下表，雷電流的幅值被用于進行分類，
此外根據(jù)研究觀測發(fā)現(xiàn)，上行閃電活動的形成可能會受冬季閃電活動以及風(fēng)電場所在地當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件的影響。通過觀測發(fā)現(xiàn)，寒冷的季節(jié)會促進高層建筑上上行閃電的發(fā)生。一個極端例子是在2005年2月的一個晚上奧地利Gaisberg電信塔上被雷電記錄裝置記錄到遭受了20次雷擊[8]，遠高于正常的平均水平。
2.此外，下行閃電也是需要重點關(guān)注的方面。通常認為下行閃電擊中建筑物時，會對建筑物產(chǎn)生非常大的負荷。下行閃電中包含10%左右的正極性閃電。風(fēng)力發(fā)電機的防雷系統(tǒng)通常是根據(jù)IEC 61400-24[2]中雷電防護等級I（LPL I）進行設(shè)計的。而正極性閃電的沖擊電流峰值卻可以達到非常高的峰值---高達200kA。
3.通過研究發(fā)現(xiàn)其實雷電流轉(zhuǎn)移的電荷才是導(dǎo)致雷電接閃系統(tǒng)接閃點熔化的最主要原因。當(dāng)雷電多次擊中同一點時，電弧對接閃材料的腐蝕和熔化會有一個累積效應(yīng)。而這正是風(fēng)機葉片接收器的非常真實的工作場景。這一風(fēng)險因素可以被定義為累積電荷量，即在一次雷暴中多次雷擊轉(zhuǎn)移的總的電荷量或是在一定時期內(nèi)雷擊轉(zhuǎn)移的總的電荷量。在IEC61400-24風(fēng)機防雷標(biāo)準(zhǔn)中也提到“需要考慮由于傳導(dǎo)電荷導(dǎo)致的接閃系統(tǒng)的表面腐蝕，這種損傷是可以累積的。
綜上所述，對現(xiàn)代兆瓦級風(fēng)機而言，雷電監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)能夠安全地記錄雷電流≥200kA的幅值，最大測量范圍應(yīng)達到+/-250kA。
為了能夠監(jiān)測整個正極性下行閃電的電流波形，雷電監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該有一個合適的頻率范圍，理想情況下，應(yīng)從直流到兆赫并且記錄時間≥ 1秒。
安裝在高層建筑中包括風(fēng)機上的雷電監(jiān)測設(shè)施應(yīng)既能夠測量極低電流幅值的“ICC only放電”，也能夠準(zhǔn)確測量這類放電的轉(zhuǎn)移電荷量。先決條件是監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具有很低的觸發(fā)閾值和較高的分辨率。而超過8位的垂直分辨率肯定也是必不可少的。雷電監(jiān)測系統(tǒng)必須能夠記錄多次雷擊并處理累積的數(shù)據(jù)。
此外，它還必須能夠提供有關(guān)累積總電荷量的信息。
上行閃電的高轉(zhuǎn)移電荷量通常伴隨著超過IEC62305-1中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電流持續(xù)時間Tlong=0.5s的初始連續(xù)電流。如上所述，這需要記錄持續(xù)時間至少應(yīng)>=1秒。在時間上也應(yīng)該考慮到，在被記錄電流的至少10%到20%就有一個預(yù)觸發(fā)。
在風(fēng)力發(fā)電機中，與所有防雷系統(tǒng)一樣，屬于接閃裝置（風(fēng)機葉片的）和接地系統(tǒng)之間的雷電流泄放路徑上的所有組件，如滑動觸點、電刷和SPD，都必須能夠承受LPL I等級的正極性先導(dǎo)雷電流的影響。如果風(fēng)機的雷電監(jiān)測系統(tǒng)除了能夠監(jiān)測雷電流外，還能提供關(guān)于雷電流分布的信息，這將是該雷電監(jiān)測系統(tǒng)的一個巨大優(yōu)勢。
*參考文獻：
“Measurement of lightning currents on high structures and wind turbines”，34th International Conference on Lightning Protection ICLP Rzeszow Poland, 2018. Josef Birkl（DEHN），Thomas B?hm（DEHN），Gerhard Diendorfer(University)，F(xiàn)ridolin 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.
評論