隨著國(guó)內(nèi)陸上及海上安裝的風(fēng)機(jī)越來(lái)越多，雷電所導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)故障問(wèn)題也越發(fā)凸顯。如何減少風(fēng)機(jī)葉片遭受雷擊導(dǎo)致的故障損失，做到對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的可預(yù)測(cè)性維護(hù)？
近年來(lái)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(jī)配備雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)危害風(fēng)機(jī)的雷電流的有效監(jiān)測(cè)就是達(dá)到以上目的的有效手段之一！同時(shí)這也是最新的《IEC61400-24:2019風(fēng)機(jī)防雷標(biāo)準(zhǔn)》[1]中增加對(duì)風(fēng)機(jī)安裝雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推薦要求的目的。那么如何才能有效監(jiān)測(cè)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(cè)參數(shù)[3]。這些參數(shù)對(duì)建筑物（包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組）的防雷保護(hù)措施的設(shè)計(jì)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?yàn)殡妶?chǎng)的增強(qiáng)效應(yīng)導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)了觸發(fā)閃電放電所需的強(qiáng)度。這類閃電被稱為上行閃電或地對(duì)云閃電。如果出現(xiàn)上行閃電，必須考慮在放電開始時(shí)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(huì)跟隨有回?fù)鬧5].
日本研究人員曾對(duì)23臺(tái)安裝在日本的配備了雷電監(jiān)測(cè)設(shè)備的風(fēng)力發(fā)電機(jī)所遭受的雷擊事件進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果在其報(bào)告[6]中進(jìn)行了總結(jié)。報(bào)告分析了2008年至2013年期間的測(cè)量結(jié)果，而這個(gè)測(cè)量本身至今仍在持續(xù)。總計(jì)有832次閃電事件在給定的時(shí)間段內(nèi)被記錄到。其中687次事件是可以評(píng)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(duì)奧地利Gaisberg地區(qū)電信塔的雷電監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)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(méi)有跟隨任何沖擊電流。這樣從高層建筑的頂部起始的，沒(méi)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(jiǎn)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(cè)項(xiàng)目的研究結(jié)果。結(jié)果總結(jié)見(jiàn)下表，雷電流的幅值被用于進(jìn)行分類，
此外根據(jù)研究觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，上行閃電活動(dòng)的形成可能會(huì)受冬季閃電活動(dòng)以及風(fēng)電場(chǎng)所在地當(dāng)?shù)氐牡匦螚l件的影響。通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，寒冷的季節(jié)會(huì)促進(jìn)高層建筑上上行閃電的發(fā)生。一個(gè)極端例子是在2005年2月的一個(gè)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(yuǎn)高于正常的平均水平。
2.此外，下行閃電也是需要重點(diǎn)關(guān)注的方面。通常認(rèn)為下行閃電擊中建筑物時(shí)，會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生非常大的負(fù)荷。下行閃電中包含10%左右的正極性閃電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的防雷系統(tǒng)通常是根據(jù)IEC 61400-24[2]中雷電防護(hù)等級(jí)I（LPL I）進(jìn)行設(shè)計(jì)的。而正極性閃電的沖擊電流峰值卻可以達(dá)到非常高的峰值---高達(dá)200kA。
3.通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)其實(shí)雷電流轉(zhuǎn)移的電荷才是導(dǎo)致雷電接閃系統(tǒng)接閃點(diǎn)熔化的最主要原因。當(dāng)雷電多次擊中同一點(diǎn)時(shí)，電弧對(duì)接閃材料的腐蝕和熔化會(huì)有一個(gè)累積效應(yīng)。而這正是風(fēng)機(jī)葉片接收器的非常真實(shí)的工作場(chǎng)景。這一風(fēng)險(xiǎn)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(shí)期內(nèi)雷擊轉(zhuǎn)移的總的電荷量。在IEC61400-24風(fēng)機(jī)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(duì)現(xiàn)代兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)而言，雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠安全地記錄雷電流≥200kA的幅值，最大測(cè)量范圍應(yīng)達(dá)到+/-250kA。
為了能夠監(jiān)測(cè)整個(gè)正極性下行閃電的電流波形，雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)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(shí)間≥ 1秒。
安裝在高層建筑中包括風(fēng)機(jī)上的雷電監(jiān)測(cè)設(shè)施應(yīng)既能夠測(cè)量極低電流幅值的“ICC only放電”，也能夠準(zhǔn)確測(cè)量這類放電的轉(zhuǎn)移電荷量。先決條件是監(jiān)測(cè)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(guò)8位的垂直分辨率肯定也是必不可少的。雷電監(jiān)測(cè)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(guò)IEC62305-1中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電流持續(xù)時(shí)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(shí)間至少應(yīng)>=1秒。在時(shí)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(gè)預(yù)觸發(fā)。
在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，與所有防雷系統(tǒng)一樣，屬于接閃裝置（風(fēng)機(jī)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(dòng)觸點(diǎn)、電刷和SPD，都必須能夠承受LPL I等級(jí)的正極性先導(dǎo)雷電流的影響。如果風(fēng)機(jī)的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了能夠監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。
*參考文獻(xiàn)：
“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(píng)論