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IECTR61400-24第1版2002-07風(fēng)力渦輪發(fā)電機系統(tǒng)–第24部分:雷電防護目 錄序 4緒論 5范圍 6定義 7雷電和風(fēng)力渦輪機 閃電的特性 雷電泄放形式和電學(xué)參數(shù) 云對地閃擊 12云對地負閃擊 12云對地雷電正閃擊 14向上發(fā)生的閃電 15風(fēng)力渦輪機的雷電防護—常見問題 17現(xiàn)有涉及到防雷的IEC標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報告 18雷電損壞統(tǒng)計 20風(fēng)力發(fā)電機機遭雷擊損壞數(shù)據(jù) 20損壞統(tǒng)計 20損壞事故頻率 20風(fēng)力發(fā)電機各部件損壞情況 21風(fēng)力發(fā)電機功率大小與出廠年限分析 22損壞的維護費用 234.2.6雷擊事故分布的季節(jié)性 25數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點和缺點 264.3.1概要 264.3.2丹麥 264.3.3德國 274.3.4瑞典 27結(jié)論和建議 274.4.1結(jié)論 274.4.2數(shù)據(jù)庫的完善 28５風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊損壞的風(fēng)險分析 285.1引言 285.2 風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊頻率的評估 295.3IEC61024-1-1標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用 305.4IEC61662的應(yīng)用 32葉片防雷保護系統(tǒng)成本的分析 34關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)防雷保護成本的分析 35風(fēng)力發(fā)電機葉片的防雷保護 36葉片結(jié)構(gòu) 36葉片損害機制 38風(fēng)力渦輪機葉片的防雷保護 38一般性的問題 38葉片表面或嵌入葉片表面的接閃系統(tǒng) 39膠粘金屬帶和分段分流器 39內(nèi)部引下系統(tǒng) 40表面?zhèn)鲗?dǎo)材料 40攔截效率 40材料規(guī)格 41碳化塑料(CRP) 43葉片內(nèi)部配線 44軸承與齒輪箱的防護 44交流、直流電流對軸承造成的損害 44雷電流對軸承造成的損害 44實驗研究 45雷擊損壞齒輪箱 45軸承與齒輪箱零件的雷電防護 45電氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的防護 468.1介紹 46電氣設(shè)備配置 47電氣系統(tǒng) 47控制系統(tǒng) 48防雷分區(qū) 498.3.10區(qū) 50其他區(qū)域 50分區(qū)邊界 51保護區(qū)域要求 52浪涌耦合機制 528.4.1傳導(dǎo) 52電容性耦合 52磁場耦合 53等電位和屏蔽 54等電位 548.5.2屏蔽 55浪涌防護 56一般的浪涌保護 57電氣設(shè)備的浪涌防護 57信號電路的浪涌保護 57浪涌保護器的安裝位置 588.7總結(jié) 589 接地 59單個風(fēng)機渦輪機的防雷接地裝置 59A型接地 599.1.1B型接地 59風(fēng)電場的防雷接地裝置 61人身安全 62一般規(guī)定 6210.1.1機艙 6210.1.2塔體 62地平面 62人員的指導(dǎo) 63總結(jié)及對進一步工作的建議 64TR61400-24TR61400-24IEC:2002(E)PagePAGEPagePAGE3of65國際電工委員會風(fēng)力渦輪機發(fā)電機系統(tǒng)–第24章:雷電防護序IEC(國際電工委員會)是世界性標(biāo)準(zhǔn)化組織，其所有成員為國家電工委員會。它致力于促進在電氣和電子領(lǐng)域內(nèi)所有關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)化問題的國際合作。為著本目標(biāo)及其他相關(guān)活動，IEC發(fā)行公布國際標(biāo)準(zhǔn)。前期工作委托給技術(shù)委員會；任何IEC組成成員如對該問題感興趣，可參與準(zhǔn)備工作。與IEC有交往的國際性的、政府間的、以及民間組織也可參與該工作。IEC與ISO在兩組織已達成的協(xié)議條件下保持著密切合作。IEC關(guān)于技術(shù)問題的正式?jīng)Q定或協(xié)議，盡可能地表述為相關(guān)的國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。因每一技術(shù)委員會擁有來自代表各國利益的各國委員會的代表。為方便國際間合作、產(chǎn)生的文件以各國委員會易接受的形式印發(fā)，如：標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)格、技術(shù)報告或指南形式等。為促進國際間的統(tǒng)一化，IEC成員致力于在其各自國家和地區(qū)最大可能地應(yīng)用IEC國際標(biāo)準(zhǔn)。IEC標(biāo)準(zhǔn)和對應(yīng)的國家或地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的任何分歧均在后面清晰指明。IEC不提供聲明同意等程序，不對任何聲稱符合其某一標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備負責(zé)。本國際標(biāo)準(zhǔn)的一些要件可能為某一專利權(quán)所屬，此點需注意，對此類專利的確認(rèn)IEC不負任何責(zé)任。IEC國際電工委員會的主要責(zé)任是制定國際標(biāo)準(zhǔn).然而,當(dāng)技術(shù)委員會收集到有異于通常的國際標(biāo)準(zhǔn)的資料時有可能會發(fā)表一份技術(shù)報告，例如目前的工藝發(fā)展水平。當(dāng)技術(shù)報告被修訂組認(rèn)為不在有用或者有效時將不再對其進行審查和校訂。IEC6140024,是由國際電工委員會88小組所編制的一份技術(shù)報告:風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。此標(biāo)準(zhǔn)的正文基于下列文件:征求意見稿表決報告88/128/CDV88/142/RVC關(guān)于表決通過此標(biāo)準(zhǔn)的全部信息在上表的表決報告可以找到.此公布是根據(jù)ISO/IEC指示第3部分起草的.這份文件,只是純粹的資料,并不能把它認(rèn)做為一份國際標(biāo)準(zhǔn).委員會決定此公布的內(nèi)容將不作變更直至2007.此公示將重新確認(rèn);撤消;由修訂版代替修正.緒論在過去的幾年中雷擊對風(fēng)車的損害已經(jīng)被認(rèn)為是一個日益嚴(yán)重的問題.渦輪機的數(shù)量日益增多，其安裝高度導(dǎo)致雷擊損壞已經(jīng)超出了預(yù)期的維修費用所能接受的水平.風(fēng)力渦輪機雷擊故障可靠性運行能力變得和如何增大渦輪機以及渦輪機運行能力一樣被關(guān)注.所以尤其是當(dāng)多個大型風(fēng)力渦輪機在一個風(fēng)電場一起工作時，可能會由于一次雷擊而造成多次損害，這樣的情況是難以承受的.不同于其他電氣設(shè)施，如架空線路，變電站和發(fā)電廠,保護導(dǎo)體是安裝在設(shè)備的周圍還是在上方也在探究中,由于它的實際大小和自然情況的不同，風(fēng)力渦輪機碰到了不同的雷電防護問題.典型的風(fēng)力渦輪機通常有兩個或者三個葉片，距地面的高度達到100m或者100m以上。此外，還有廣泛使用絕緣復(fù)合材料，如玻璃纖維增強塑料，作為承載零件.雷電防護系統(tǒng)已經(jīng)被納入到風(fēng)力渦輪機中各個的部分，以確保所有可能被雷擊點能夠承受雷電電流的沖擊，并且在不造成損害和干擾的情況下將雷電電流從雷擊點安全引導(dǎo)入地.最后這份技術(shù)報告是用來告知在不同國家和地區(qū)的設(shè)計師、用戶、經(jīng)銷商、認(rèn)證機構(gòu)關(guān)于風(fēng)力渦輪機雷電防護的安裝程序.風(fēng)力渦輪機發(fā)電機系統(tǒng)第24部分:雷電防護范圍最近幾年,各大風(fēng)力發(fā)電機制造商為雷電防護系統(tǒng)做出了不懈努力,一些新的經(jīng)驗和設(shè)計不斷出現(xiàn).所以選擇一個比較好的時間來考慮和編寫一個適合大部分制造商和運營商的關(guān)于風(fēng)力渦輪機雷電防護的標(biāo)準(zhǔn)?；谝陨媳尘?，以下工作是組成一個新的工作小組，具體目標(biāo)是準(zhǔn)備一份技術(shù)報告,然后再考慮開發(fā)完全符合的標(biāo)準(zhǔn):確定常見的與風(fēng)力渦輪機雷電防護相關(guān)的問題;收集和整理現(xiàn)有的舊的和新的關(guān)于風(fēng)力渦輪機設(shè)計方案;用合適的方法評估風(fēng)力渦輪機雷電損害風(fēng)險，從而盡可能地作出可靠的雷電防護成本效益評估;說明和敘述適當(dāng)?shù)娘L(fēng)力渦輪機雷電防護系統(tǒng)組成，考慮到風(fēng)力渦輪機在特殊自然情況和廣泛應(yīng)用時所使用的復(fù)合材料;編寫一份技術(shù)報告闡述現(xiàn)在碰到的問題和解決方案，工作組需要確定和找出那些地方需要進一步研究和進行標(biāo)準(zhǔn)化工作.本技術(shù)報告的結(jié)構(gòu)如下:第3章給出最新的雷擊對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的影響;第4章列出不同國家風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)雷擊損害數(shù)據(jù);第5章描述風(fēng)險評估;第6-10章討論防止雷擊損害的適當(dāng)方法;第11章確定進一步研究的范圍.TR61400-24TR61400-24IEC:2002(E)PagePAGEPagePAGE10of65定義為達到本標(biāo)準(zhǔn)的目的，應(yīng)使用下列定義可接受的的雷電閃擊頻率acceptedlightningflashfrequencyNc)公認(rèn)的每年最大的平均所能造成損害的雷電閃擊頻率。接閃器air-terminationsystem外部雷電防護系統(tǒng)LPS的一部分。連接導(dǎo)體bondingconductor將分開的裝置的各個部分互相連接使他們的電位相等連接排bondingbar將金屬裝置、電力線路、電信線路和其他電纜與LPS連接的金屬排危險火花dangeroussparking由導(dǎo)致受保護建筑物實體損害的雷擊引起的電氣放電建筑物直接雷擊頻率directlightningflashfrequencytoastructureNd)建筑物預(yù)期平均每年可能遭受的直接雷擊的的次數(shù)引下線down-conductorsystemLPS的一部分，用于將雷電電流由接閃器引入接地體的裝置向下閃擊downwardflash在云和地表面之間由于向下引導(dǎo)發(fā)生的雷擊。一個向下閃擊含有一個首次短沖擊，可隨后發(fā)生后續(xù)短沖擊，在一個長沖擊之后可能隨有一個或多個短沖擊接地極earthelectrode接地裝置的一部分或一組，用以直接與地面接觸疏導(dǎo)雷電電流到大地接地系統(tǒng)earth-terminationsystemLPS的一部分用于引導(dǎo)和疏散雷電電流到地有效高度effectiveheight(h)風(fēng)力渦輪機所能達到的最大高度，也就是從中心點的高度再加上葉片半徑雷電防護系統(tǒng)效率efficiencyofLPS(E)平均每年直接雷擊而沒有造成損失與直接雷擊的次數(shù)的比值。雷電防護系統(tǒng)效率（E）能夠用攔截效率(Ei)和分級效率(Es)的乘積來表示，用來表示LPS雷電防護系統(tǒng)對直接雷擊的防護能力等效截收面積equivalentcollectionareaAe)建筑物等效截收面積是指與建筑物具有相同直接雷擊頻率的大地上一個平面的面積外部的雷電防護系統(tǒng)externallightningprotectionsystem它由接閃器系統(tǒng)、引下線系統(tǒng)和接地系統(tǒng)構(gòu)成。閃電電荷flashcharge(Qflash)在整個雷擊閃電過程中雷擊電流對時間的積分基礎(chǔ)接地體foundationearthelectrode作為接地體的嵌入建筑物混凝土地基的鋼筋或附加導(dǎo)體直接雷擊損害頻率frequencyofdamagebydirectlightningflashes建筑物雷擊平均每年實體損害次數(shù)地閃密度groundflashdensityNg)關(guān)于建筑物所處地區(qū)，平均每年每平方公里所遭受的對地雷電閃擊的次數(shù)攔截效率interceptionefficiencyEi)接閃器攔截雷擊的幾率內(nèi)部防雷系統(tǒng)internallightningprotectionsystem在外部防雷保護系統(tǒng)下提及的所有的附加措施，包括等電位連接、適當(dāng)?shù)陌踩嚯x和減小雷擊受保護的建筑物時引起的電磁干擾雷擊防護系統(tǒng)lightningprotectionsystem(LPS)為減少雷電閃擊對建筑物的實體損害所用的整個系統(tǒng)，它也包括建筑物外部和內(nèi)部的防護系統(tǒng)。雷擊電流lightningcurrenti)流過雷擊點的電流LPS的天然組成部分“natural”componentsofLPS被安裝的并不專用于雷電防護的導(dǎo)體部分，除可以用于LPS外，一些情況下，還可提供LPS部件的一項或多項功能峰值電流peakvalue(I)雷擊電流的最大值雷電等電位連接lightningequipotentialbonding將分離的金屬部件連接到LPS，這種直接的導(dǎo)電連接或通過浪涌保護器的連接使得雷擊電流造成的電位差減少。雷擊lightningstroke對地雷電閃擊中的單個放電對地雷擊閃電lightningflashtoearth在云和地表面之間源于大氣的放電，它包括一次或多次閃擊。雷擊防護區(qū)lightningprotectionzone(LPZ)雷擊電磁環(huán)境被定義和規(guī)定的區(qū)域長沖擊longstroke在雷擊閃電中對應(yīng)一個脈沖電流的部分。此持續(xù)電流的維持時間Tlong(從達到10%數(shù)值至尾跡為10%數(shù)值的時間)典型的為大于2ms且小于1s(見.IEC61024-1)金屬裝置metalinstallations受保護建筑物內(nèi)可能形成雷電流路徑的擴展金屬件，如：機艙底板、鐵塔、金屬梯子、電梯導(dǎo)軌、導(dǎo)線和互相連接的加固鋼筋等多次雷擊multiplestrokes平均由3-4次沖擊組成的雷電閃擊,典型的時間間隔為50ms雷擊點pointofstrike雷擊點為雷擊閃電落在的地面上的一個建筑物或雷電防護系統(tǒng)的位置。保護等級protectionlevel根據(jù)其功效對一個LPS系統(tǒng)進行的分類損害風(fēng)險riskofdamage建筑物由于雷擊每年可能造成的損失（包括人身和財物）。安全距離safetydistance被保護的建筑物內(nèi)兩個電氣連接導(dǎo)體之間允許的不發(fā)生火花擊穿的最小距離短沖擊shortstroke在雷擊閃電中對應(yīng)一個脈沖電流的部分。此電流的半值時間T2典型的為小于2ms(見IEC61024-1)分級效率sizingefficiencyEs)指雷擊閃電被建筑物外部防雷設(shè)施截獲且沒有造成實體損害的概率比能specificenergyW/R)在整個雷擊閃電過程雷擊電流的平方對時間的積分；它表示雷擊電流在一個單位電阻上能量的耗損。電涌放電器surgearrester用于保護電氣設(shè)備防止瞬態(tài)高電壓以及限制和阻斷后續(xù)電流.術(shù)語“電涌保護器”包括所有外部串聯(lián)的間隙，它安裝的本質(zhì)目的是為設(shè)備的正常運作服務(wù)的，而不論它是否作為設(shè)備的一個完整部件供應(yīng)。浪涌保護器surgeprotectivedevice(SPD)為限制過電壓并轉(zhuǎn)移浪涌電流所用的器件，它至少含有一個非線形元件。雷暴日thunderstormdays(Td)在雷暴日地圖上獲得的每年雷暴日的數(shù)量。向上閃擊upwardflash由向上先導(dǎo)發(fā)起的一個接地的結(jié)構(gòu)對云層的閃擊。一個向上閃擊至少包含一個上面疊加或無疊加短時雷擊的首次長時間雷擊，其后可能有多次后續(xù)短時雷擊并可能含有一次或多次長時間雷擊。雷電和風(fēng)力渦輪機閃電的特性一次雷電閃擊可以看作是一個電流源。一次雷電沖擊所記錄的閃電電流的最大值在300KA左右。同樣地，所記錄的電荷轉(zhuǎn)移和比能的最大值分別是400庫侖和20MJ/?。這種情況在全世界產(chǎn)生的幾率很小。一般情況下峰值電流的大約是30KA，其電荷轉(zhuǎn)移和比能的中值分別是5.2庫侖和55KJ/?。另外，雷擊的電特性隨著電閃的種類和地理位置而不同。雷電泄放形式和電學(xué)參數(shù)雷電在云層中的電荷分離之后產(chǎn)生，該過程在一系列出版物中已詳述[11[2][3電荷被釋放到地面或是附近云層時就會發(fā)生雷擊。這一章是關(guān)于這些放電的開始過程，電荷在雷雨云和地面之間的轉(zhuǎn)移?！伍W電放電通常由幾個部分組成。通過同一電離路徑的整個放電過程被稱為閃電，其持續(xù)時間不超過一秒。閃電中的個別的放電過程叫做一次沖擊。閃電放電有兩種基本類型，向下發(fā)起的或者是向上發(fā)起的。向下發(fā)起的放電開始于雷云，朝向地面。相反地，向上發(fā)起的放電開始于地面的無遮蔽地點（如山頂）或是高建筑物的頂點，朝向雷云。通常，這些基本類型被分別叫做“云對地閃擊”或“下?lián)糸W電”和“地對云閃擊”或“上擊閃電”。所有的閃電類型根據(jù)雷雨云的電荷極性被更加細分。負極性放電使負電荷由雷雨云流向地面。正極性放電使正電荷從雷雨云遷移至地面。大多數(shù)閃電放電是負極性放電，在所有的云對地閃擊中，大約有90%是負極性的，而剩余的10％是正極性的。通常后者會出現(xiàn)更高的電學(xué)參數(shù)。每次雷擊都由于雷雨云的自然變化而不同。例如，我們不能預(yù)知下次雷擊的詳細參數(shù)如峰值電流的大小。但我們可以總結(jié)出雷擊電參數(shù)的概率分布圖。雷電的參數(shù)的概率分布圖過去習(xí)慣于在高塔采取直接測量的方法來獲得[33][34]。而現(xiàn)在則是參考國家和全球已有的報告資料。這些報告資料中記錄了已經(jīng)發(fā)生的雷擊的詳細參數(shù)。雷電參數(shù)的概率分布圖中記錄了不同的閃電類型（上擊閃電/下?lián)糸W電和正閃擊/擊）中雷擊的電參數(shù)。在下文中給出了各種典型放電波形以及概率分布。給定的概率水平指出了在一次雷擊過程中的電參數(shù)超過列表值的概率。依據(jù)經(jīng)驗去估算雷電參數(shù)超過特定值的概率的方法存在[4]。云對地閃擊云對地閃擊（向下發(fā)起的放電）最初成形是來自于云層內(nèi)部的預(yù)擊穿?，F(xiàn)階段物理學(xué)對這個過程還沒有完全了解。而對發(fā)生在云層下部的電流釋放過程部分了解得更多。云對地負閃擊在負閃擊情況下，階梯先導(dǎo)從云層朝地面下來，每個階梯約長幾十米，間隔約50us。每個階梯在極短時間內(nèi)（典型為1us）能讓電流高于1KA。先導(dǎo)通道經(jīng)過充分的發(fā)展，電荷總量可以達到10C，甚至更多。通道直徑達到十幾米范圍。階梯先導(dǎo)的持續(xù)周期為十幾微秒，這些微弱的先導(dǎo)通道憑肉眼是看不見的。在先導(dǎo)結(jié)束時，尖端可能有10MV電壓，先導(dǎo)尖端接近地面會在陸地表面產(chǎn)生高壓電場，當(dāng)這個電場電壓大于空氣的擊穿電壓，那么地面或者地面的建筑物就會“回應(yīng)”（上放電）先導(dǎo)發(fā)射電荷。這些上移先導(dǎo)一般稱為連接先導(dǎo)。連接先導(dǎo)在確定目標(biāo)的雷擊點上起著非常重要的作用。當(dāng)下降的階梯先導(dǎo)遇到上移連接先導(dǎo)時，云到地的連續(xù)通道便形成了。這些電荷堆積在先導(dǎo)通道，向地面放電，電流波行在電離通道傳播速度可達到1/3光速。這個過程叫做首次回擊。首次回擊的峰值電流可能達到幾百千安培，持續(xù)時間也在幾百微秒。整個過程見圖1。圖1—云對地雷電閃擊形成過程隨后，更多的先導(dǎo)/回擊都會繼續(xù)通過首次回擊的的通道。這些后續(xù)先導(dǎo)叫做并發(fā)回擊，在導(dǎo)桿的前端并發(fā)的回擊閃電不會停止而會更快（持續(xù)時間為幾毫秒）。這些連續(xù)回擊中間間隔10ms到幾百毫秒。通常平均來說，一次雷擊包含3到4次回擊（包括首次回擊），這些回擊組成了雷擊的可見部分。在這之后回擊閃電中的持續(xù)電流仍然通過原來的電離通道?；負糸W電的持續(xù)電流具有很短的持續(xù)時間，和很高的振幅：平均電流振幅達數(shù)百安培，而持續(xù)時間可能只有數(shù)百毫秒。持續(xù)電流直接從云層傳輸大量的電荷到地面。大約一半的云對地閃電包含持續(xù)電流分量。圖2展示的是一個典型云對地雷電負閃擊圖在階梯先導(dǎo)和連接先導(dǎo)接觸之后，第一個回擊產(chǎn)生（在地面）一股持續(xù)數(shù)百微秒的高振幅沖擊電流。電流峰值在幾千安到100千安之間，中值大約是30（1）個回擊之后，可能發(fā)生并發(fā)回擊和持續(xù)電流。盡管通常并發(fā)回擊的電流峰值比第一次回擊低，持續(xù)時間比第一次回擊短，但一般它們的電流上升速度更快。云對地雷電負閃擊可以由以上提到的不同電流分量的多種結(jié)合而組成，圖3中已示范。-i圖2–典型云對地雷電負閃擊圖(沒有按比率)表1–云對地雷電閃擊參數(shù)變量閃擊類型概率等級95%50%5%峰值電流kA首次負閃擊143090后續(xù)負閃擊4,61230正閃擊4,635250總電荷aC首次負閃擊1,15,224后續(xù)負閃擊0,21,411正閃擊2080350能比bkJ/首次負閃擊6,055550后續(xù)負閃擊0,556,052正閃擊2565015000最大值di/dtkA/s首次負閃擊9,12465后續(xù)負閃擊1040162正閃擊0,22,432a Qi(t)b Ei2(t第一個回擊第一個回擊和持續(xù)電流c）第一個回擊和并發(fā)回擊第一個回擊和并發(fā)回擊及持續(xù)電流圖3——負極云對地閃電的典型外形（沒有按照比例）云對地雷電正閃擊與負極性閃電相反，云對地的正閃擊由持續(xù)向下傳播的先導(dǎo)產(chǎn)生，該先導(dǎo)并不顯示清楚的階梯。連接先導(dǎo)和回擊相位與在3.3.1中描述的過程相似。云對地雷電正閃擊通常只由一個回擊組成，該回擊之后可能有持續(xù)電流。云對地雷電正閃擊所采用的雷電防護辦法是相當(dāng)重要的，因為電流峰值，電荷轉(zhuǎn)移總數(shù)和比能都比負極閃電大得多。與負極首次回擊相比，后續(xù)回擊往往具有更低的電流上升速率。圖4顯示了正極云對地閃電的典型電流外形。典型電參數(shù)和負極放電的參數(shù)在表格1中都加以總結(jié)。圖4——典型云對地正閃擊圖向上發(fā)生的閃電雷云中的電荷引起地球表面電場的上升，但通常不足以產(chǎn)生上移先導(dǎo)。盡管如此，電場可能在山地，置于高地的物體或者在高塔之類的高建筑物或者風(fēng)力渦輪機上明顯增強。在這些位置，電場強度可以增大到足以產(chǎn)生一次從地面向雷云的上移先導(dǎo)。高度超過周圍地形100米以上的建筑物（如現(xiàn)代風(fēng)力渦輪機）尤其容易受到向上發(fā)起的閃電。一個向上發(fā)動的閃擊具有一個連續(xù)的電流相位。持續(xù)脈沖電流變成階梯形（見圖5）。連續(xù)的電流會隨著并發(fā)回擊在同樣的通道內(nèi)傳播。在云對地閃擊中，這些回擊和并發(fā)回擊非常類似（33）。向上發(fā)動的閃擊和云對地首次回擊的組成不同，向上閃擊連接建筑物的位置與向上先導(dǎo)形成的位置是同一地點。圖5——典型向上雷電負閃擊圖向上發(fā)起的雷電閃擊參數(shù)一般在在易于發(fā)生雷擊的高大物體上測量。例如加拿大的多倫多城市的CN塔，每年至少遭到50次這樣的雷擊。在[6][7]的報告中也詳細記錄了德國巴伐利亞的佩森堡電訊塔上產(chǎn)生的向上雷電閃擊的形成和電參數(shù)。下面的這些資料中也涉及了向上負閃擊，因為據(jù)觀測，向上雷電正閃擊實在是太罕見了。雖然當(dāng)前大約10千安的峰值相對來說較低，但是在連續(xù)雷擊的持續(xù)電流所轉(zhuǎn)移的電荷高達如表格2所示的300庫侖。向上發(fā)起放電同樣也由上面提到的不同電流分量的多種組合物組成，圖6所示。表格2——向上發(fā)動閃電電流分量變量最大值電荷轉(zhuǎn)移C300總持續(xù)時間s0,5-1,0峰值電流kA20平均電流上升速度kA/s20電流沖擊次數(shù)50只有（最初的）持續(xù)電流最初的持續(xù)電流加上疊加沖擊c-d)最初持續(xù)電流加上疊加沖擊和并發(fā)回擊。最初的持續(xù)電流加上階梯沖擊并發(fā)正回擊加持續(xù)電流6—不同形式的向上負閃擊（不按比例）風(fēng)力渦輪機的雷電防護—常見問題現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的防雷問題通常不同于其他建筑物。需要解決下列問題：風(fēng)力發(fā)電機的高度通常超過150m；風(fēng)力發(fā)電機所在的位置通常易遭受雷擊；風(fēng)力發(fā)電機暴露在最外面的組件葉片和引擎蓋通常由復(fù)合材料所制成不能承受直接雷擊或傳導(dǎo)雷電電流；葉片和引擎蓋在旋轉(zhuǎn)；閃電電流必須通過風(fēng)力發(fā)電機組件傳導(dǎo)至地面，在這里閃電電流的有效部分會直接通過或臨近通過幾乎所有風(fēng)力發(fā)電機的組件；風(fēng)場的風(fēng)力發(fā)電機之間采取電氣連接，并且通常安裝位置的接地條件不是很好。眾所周知，高大建筑物本身會影響雷擊閃電的發(fā)生過程。建筑物高度超過60m時，會發(fā)生側(cè)擊，這時頂部雷擊的少許百分比被側(cè)擊代替。這樣的側(cè)擊也涉及到了風(fēng)力發(fā)電機，即使做了防雷保護還是可能會使發(fā)電機的葉片雷擊損壞。此外，部分向上閃擊會隨著高度的增加而加強，當(dāng)建筑物高度超過100m時就會變成強雷擊。風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)常位于疾風(fēng)區(qū)，例如象沿海地區(qū)，丘陵上或者山脊上。這樣的位置經(jīng)常是強雷擊地區(qū)。由于風(fēng)力發(fā)電機適宜安裝得比周遭地區(qū)高同時遠離其它高物體，它們更易于受到雷電襲擊。安裝在山丘和山脊的風(fēng)力發(fā)電機的另一問題是接地問題。該地的土地傳導(dǎo)性能相對來說通常較差?，F(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的巨大風(fēng)片通常是復(fù)合原料制造的，例如玻璃鋼或者壓縮木材。由這些材料構(gòu)成的葉片很容易遭受雷擊破壞，因為這些材料的導(dǎo)電性很差。因此，對風(fēng)片采取防雷措施是非常必要的。一些引擎蓋也是由玻璃鋼構(gòu)成的，因此也要防止直接雷擊。事實上風(fēng)力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)電機引出了特殊的問題。由于葉片不停地旋轉(zhuǎn)，使得葉片的多個點和多個葉片上有很大的風(fēng)險遭受雷擊。因為雷擊是由幾個分離電流脈沖組成的，持續(xù)時間達1s。這段時間足夠多個風(fēng)片遭受雷擊（例如3葉片風(fēng)力發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)速度為20rpm，風(fēng)片的速度為120°/s）。當(dāng)雷擊葉片時，電流會通過整個風(fēng)力發(fā)電機流入地面。包括軸承，中心和主軸承，傳動裝置，發(fā)電機軸承，臺板，偏軸承和塔。雷電電流經(jīng)過傳動裝置和軸承可能造成損壞，當(dāng)然，在轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸道或者傳動齒輪之間有潤滑層。防雷技術(shù)在電氣系統(tǒng)的利用和描述在標(biāo)準(zhǔn)IEC61024IEC61312中有詳細記述。對于如下說明的事實必須作出特別考慮，與建筑物的電氣裝置相比，通過風(fēng)力發(fā)電機的閃電電流將更接近電氣系統(tǒng)，這也是一個關(guān)于人身安全的問題，因為它不太可能達到標(biāo)準(zhǔn)IEC610241.的最低安全距離的要求.現(xiàn)有涉及到防雷的IEC標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報告表3所列的這些涉及防雷的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報告是IEC已經(jīng)發(fā)行了的，同樣，表4中列出的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報告發(fā)展不完善。這些標(biāo)準(zhǔn)中沒有直接提到風(fēng)力發(fā)電機的防雷，可是，這些原理可以在研究風(fēng)力發(fā)電機的防雷措施中借鑒和參考。注意：表4的內(nèi)容不是最新的。如有需要請參考IEC網(wǎng)站上的最新文檔。隨后是這些標(biāo)準(zhǔn)相對于風(fēng)力發(fā)電機的適用性和缺點的總結(jié)。表3—IEC頒布的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報告標(biāo)準(zhǔn)號名稱IEC61024-1Ed.1.0建筑物的雷電防護–第一部分:總則IEC61024-1-1Ed.1.0建筑物的雷電防護–第一部分:總則–A:防雷擊系統(tǒng)保護等級的選擇IEC61024-1-2Ed.1.0建筑物的雷電防護–第1-2部分:總則–導(dǎo)則B–防雷擊系統(tǒng)保護的設(shè)計、安裝、維護、檢測IEC61312-1Ed.1.0雷電電磁脈沖的防護–第1部分:通則IEC/TS61312-2Ed.1.0雷電電磁脈沖的防護(LEMP2部分:建筑物的屏蔽、內(nèi)部等電位連接及接地IEC/TS61312-3Ed.1.0雷電電磁脈沖的防護–第3部分:浪涌保護器的要求IEC/TS61312-4Ed.1.0雷電電磁脈沖的防護–第4部分:現(xiàn)有建筑物的保護IEC/TR261662Ed.1.0雷擊損害風(fēng)險評估IEC/TR261662-am1Ed.1.0雷擊損害風(fēng)險評估.修正No.1IEC61663-1Ed.1.0雷電防護–通信線路–第1部分:光纜IEC61663-1Corr.1勘誤表1IEC61663-2Ed.1雷電防護–通信線路–第2部分:金屬導(dǎo)線IEC610241詳述了最大高度到60m的普通建筑物的防雷的基本原理和定義，它規(guī)定了建筑物防雷保護的設(shè)計，安裝，檢查和維護的有效的方法，當(dāng)然，保護做得好壞主要還是在人的身上。但現(xiàn)在的風(fēng)力發(fā)電機的高度通常超過60m，超越了標(biāo)準(zhǔn)的范圍。然而，高度超過60m的建筑物將在IEC610241的第二版中找到解決辦法。一般而言，這個標(biāo)準(zhǔn)沒有給出可能和風(fēng)力發(fā)電機有關(guān)下列項目：配電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、車輛和海上設(shè)施。IEC6102411介紹的方法是評估雷擊對普通建筑物的危害和選擇一個保護標(biāo)準(zhǔn)，可以人為的把雷擊造成的損壞降到可接受的水平。IEC610241-2就是如何對普通建筑物進行防雷設(shè)計保護的指南。IEC613121為電氣和電子系統(tǒng)提供基本保護，防止雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖感應(yīng)電流和本身的雷電電流。這個標(biāo)準(zhǔn)不涉及運輸工具和在海上的設(shè)備。有關(guān)電氣和電子系統(tǒng)通過屏蔽、等電位連接、浪涌保護器（SPD）和接地裝置所做的雷電電磁脈沖防護的更多的細節(jié)和應(yīng)用實例，在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC613122、IEC613123IEC613124IEC61312-5（4）中進行了闡述。技術(shù)報告IEC61662中列出了由于雷擊引起的損害的風(fēng)險評估的詳細的方法。它包含了從可靠性和經(jīng)濟性上的考慮，從而補充了IEC61024-11標(biāo)準(zhǔn)。IEC616631和IEC61663-2用于通訊系統(tǒng)的防雷保護。最后，技術(shù)報告IEC61819（見表4），給出了基本參數(shù)，用于在實驗室環(huán)境下，模擬測試防雷保護系統(tǒng)部件（包括SPD）所遭受的雷擊影響。報告特別關(guān)注對于防雷保護系統(tǒng)部件的測試，例如風(fēng)葉保護系統(tǒng)。表4—IECTC81發(fā)展過程（2001中期）注： 表4并不是最新的國際標(biāo)準(zhǔn)，請參考IEC網(wǎng)站上發(fā)布的最新標(biāo)準(zhǔn)。出版號標(biāo)題IEC61024-1Ed.2.0建筑物的防雷保護—第1部分：通過LPS防止物理損壞和生命危險，ADISIEC61312-3-am1TSEd.1.0IEC61312-3標(biāo)準(zhǔn)的修正：建筑物中SPD的配合應(yīng)用，ACDVIEC61662Ed.2.0雷擊風(fēng)險的管理，ACDVIEC61819TREd.1.0模擬防雷保護系統(tǒng)（L.P.S）部件影響的測試參數(shù)，APUB雷電損壞統(tǒng)計風(fēng)力發(fā)電機機遭雷擊損壞數(shù)據(jù)風(fēng)力發(fā)電機數(shù)據(jù)庫由歐洲幾個國家提供，其中包含了超過4000臺風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)通常由風(fēng)力發(fā)電機的所有者和操作者以月報的形式提供出來，或者自愿提供或者國家有需要并通過專門的資助來提供。基于政府或通過資助的形式，組織機構(gòu)把這些月報表或年報表整理到一起。從這些數(shù)據(jù)中把雷擊引起的事故或損害編輯匯總，并在這里提供出來，有助于識別雷擊的風(fēng)險。這有助于風(fēng)力發(fā)電機制造商和其用戶評估和說明其防雷保護系統(tǒng)。損壞統(tǒng)計損壞事故頻率在報告人記錄的數(shù)據(jù)庫中風(fēng)力發(fā)電機損害的事故，主要是由雷電造成的直接和間接的損害。表5是德國、丹麥和瑞典三國，這些事故的匯總表。包括由雷擊導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機損壞，由每100臺每年39次上升到8次。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)上顯示，在北歐的風(fēng)力發(fā)電機組中，每100臺每年有4-8臺遭受雷擊而損壞。表5-雷擊損壞頻率表國家日期風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量容量（MW）渦輪/年度雷擊事故每100臺/年損壞量德國1991-1998149835292047388丹麥1990-19982839698220008513.9瑞典1992-19984281781487865.8這些統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，當(dāng)然也受很多變化的因素的影響，其中包括當(dāng)?shù)乩纂娀钴S程度、風(fēng)力發(fā)電機的整體高度、風(fēng)力發(fā)電機的保護程度（在雷擊事件中，如風(fēng)力發(fā)電機被很好的保護，并沒有受到傷害，這種情況在數(shù)據(jù)庫中是不會出現(xiàn)的）和所處的地形。受當(dāng)?shù)氐匦魏偷赜蝻L(fēng)險的影響情況見表6（德國）表6-受地域影響的雷擊損壞統(tǒng)計表（德國）地理位置發(fā)電機組數(shù)量o量MW渦輪機數(shù)量雷擊事故每100臺/年損壞量直擊雷損害率感應(yīng)雷損害率沿海區(qū)域61617840182235.633.6%65.9%北部低地5198832132397.423.4%76.6%較低山區(qū)36386197327714.030.3%69.3%總計149835292047398.029.1%70.6%主要是由感應(yīng)雷造成的設(shè)備損害，由于有外部防雷裝置，不易遭受直擊雷。從上表可知，風(fēng)力發(fā)電機安裝在較低山區(qū)（每100臺/年損壞量）比安裝在沿海地區(qū)遭雷擊損壞風(fēng)險更高。（更多細節(jié)請參考4.4）風(fēng)力發(fā)電機各部件損壞情況詳細分析風(fēng)力發(fā)電機的各部件遭雷擊損壞的情況，為雷擊風(fēng)險評估程序提供了條件（見第5條）。圖7的棒狀圖中顯示了幾種部件遭雷擊損壞的關(guān)系，數(shù)據(jù)來源于德國。圖8用相同的圖分析了丹麥的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。值得注意：雖然損害部件是不相同的，但在所有報告的雷擊損害部件中占40-50%的是控制系統(tǒng)部件。故障率% 故障總數(shù)：1032403020100控電發(fā)齒葉制氣電輪片系系機箱統(tǒng) 統(tǒng) 動器

偏液傳驅(qū)輪結(jié)航壓感動轂構(gòu)系系器機件統(tǒng)統(tǒng)車圖7—遭雷擊損壞部件圖（德國）故障率% 故障總數(shù)：1017 40200控電發(fā)齒葉機偏液軸塔整其制氣電輪片械航壓承筒個它系系機箱制系系風(fēng)統(tǒng)統(tǒng)動器統(tǒng)統(tǒng)機圖8—遭雷擊損壞部件圖（丹麥）瑞典的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表7。數(shù)據(jù)表明，雷擊損壞部件中43%是控制系統(tǒng)，平均每100臺/年有5.8臺因遭雷擊而損壞。應(yīng)該注意的，在這個統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，在配置頂端制動的風(fēng)力發(fā)電機中葉片損害占47%。類型臺/年雷擊故障100/故障率系統(tǒng)故障100年/次葉片控制系統(tǒng)電源系統(tǒng)其它頂端制動586437.30.73.12.41.2非頂端制動901434.80.32.21.30.9總計1487865.80.42.61.71.0表7—雷擊事故統(tǒng)計表（瑞典）風(fēng)力發(fā)電機功率大小與出廠年限分析評估某功率風(fēng)力發(fā)電機的各部件遭雷擊的損害情況是必要的。從它可以看出，新近安裝的風(fēng)力發(fā)電機都是高度更高和功率更大，防雷保護效果更好。由于這個原因，450kW以上的風(fēng)力發(fā)電機被認(rèn)為是最近修建的。這些風(fēng)力發(fā)電機組也反映出其防雷保護系統(tǒng)在逐步改善。在圖9（德國）和圖10（丹麥）中用450kW作為分界，顯示了新建和過去建設(shè)的風(fēng)力發(fā)電機各部件的雷擊損害情況?？仉姲l(fā)傳葉機偏液傳傳主結(jié)制氣電動片械導(dǎo)壓感動軸構(gòu)系系機箱制系系器系件統(tǒng)統(tǒng)動統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)圖9—遭雷擊損壞部件圖（德國）值得注意的是，新生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機和舊的風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊損害的模式是不同的。舊的風(fēng)力發(fā)電機最常見的損害是控制系統(tǒng)，而較新生產(chǎn)的風(fēng)力發(fā)電機最常見的損害的是風(fēng)葉。這表明近年來控制系統(tǒng)的防雷保護已取得明顯的改善。控電發(fā)齒葉機偏液軸塔整其制氣電輪片械航壓承筒個它系系機箱制系系風(fēng)統(tǒng)統(tǒng)動器統(tǒng)統(tǒng)機圖10—遭雷擊損壞部件圖（丹麥）損壞的維護費用來自德國的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在表11中顯示了平均每個遭雷擊的部件的維修費用（用馬克計算）。這來自于更換和維修費用的報告，其中包括人工費、部件費和吊裝費等等。到目前為止，葉片損壞的維修費用最昂貴，較大功率的風(fēng)力發(fā)電機大部分部件維修費用都是最高的。輪葉發(fā)電傳控齒機驅(qū)液偏結(jié)轂片電氣感制輪械動壓航構(gòu)機系器系箱制機系系件統(tǒng)統(tǒng)動車統(tǒng)統(tǒng)器圖11—不同功率風(fēng)力發(fā)電機的部件維修費用（德國）對發(fā)電量的影響風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊損壞后，由于故障損害的分析和后續(xù)的維修，會有一段時間的停工期。由這個停工期會造成發(fā)電量的損失，繼而減少了發(fā)電機所有者經(jīng)濟上的收入。圖12顯示了這種故障的平均停工期，分別以各部件損害的情況來統(tǒng)計（數(shù)據(jù)來源于德國）電機和葉片的損壞造成了很長的停工期，這可能是由于部件的訂貨期和運輸期造成的。令人驚訝的是，控制系統(tǒng)的維修也造成了較長的停工期。輪葉發(fā)電傳控齒機驅(qū)液偏結(jié)轂片電氣感制輪械動壓航構(gòu)機系器系箱制機系系件統(tǒng)統(tǒng)動車統(tǒng)統(tǒng)器圖12—不同功率風(fēng)力發(fā)電機部件維修的平均停工期（德國）這里還有一個令人關(guān)注的，就是由雷擊損害和其他故障造成的設(shè)備停止工作時電力損失的比較。在表8中列出了這個比較的數(shù)據(jù)（1992-1997年，丹麥）。毫無疑問，雷擊故障比平均其它故障造成的停機影響都大。表8與其它故障相比較所造成的電力的損失和停機時間故障雷擊事件數(shù)量平均風(fēng)力發(fā)電機組停機時間平均電力損失kW/hDKDKDK所有故障10192912249雷擊故障4611103200與平均故障的差異率—+20.8%+42.3%雷擊事故分布的季節(jié)性這個報告無論拿到何處去討論，都包含雷擊行為的季節(jié)性。雷電的活躍性和雷擊事件都隨季節(jié)和年度而變化。圖13顯示風(fēng)力發(fā)電機雷擊事故與每年雷暴日天數(shù)的關(guān)系（麥）。圖13—年雷電活動的變化和遭成的損害（丹麥）在丹麥和德國的數(shù)據(jù)（圖14和圖15）中，顯示了這種一年之中的雷擊損害事故的變化?？梢钥闯鰞蓚€國家冬天的雷電造成相對較多的雷擊事故，而在雷電活動頻繁的夏季卻造成較少的雷擊事故。圖14—一年內(nèi)雷擊造成的事故（丹麥1990-1998）圖15—一年內(nèi)雷擊造成的事故（德國1991-1998）數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點和缺點在裝機數(shù)量眾多的瑞典、丹麥和德國，這些風(fēng)力發(fā)電機操作和維護的數(shù)據(jù)是很有用的。這些數(shù)據(jù)用在解釋雷擊損害數(shù)據(jù)上，既有優(yōu)點，也有缺點。概要上述三個國家數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可能是不同的，主要由于下列因素所造成的：風(fēng)力發(fā)電機高度的不同；風(fēng)力發(fā)電機的防雷保護水平不同(發(fā)電機或特定的場地)；當(dāng)?shù)氐墓╇娤到y(tǒng)對雷電流的傳導(dǎo)特性(如架空線)；當(dāng)?shù)乩纂姀姸鹊牟煌虻匦蔚牟町?；實際報告中的誤差和報告可信度的差異?！卫讚艨赡軙斐啥喾N部件故障。這些雖包括在數(shù)據(jù)處理之中，操作者怎樣報告損害事故卻是十分不確定的。同時，這些數(shù)據(jù)庫本身僅僅是一個問題或故障被報告（如果風(fēng)力發(fā)電機不能自動重新啟動）。結(jié)果，對于保護完善的發(fā)電機遭受直擊雷或感應(yīng)雷卻沒有報告。因此用這些數(shù)據(jù)來量化雷擊風(fēng)險有被低估的趨勢，尤其是近期安裝的風(fēng)力發(fā)電機組（其防雷保護更好）。丹麥在丹麥安裝的5000臺風(fēng)力發(fā)電機組中，2/3有著相當(dāng)全面的操作和維護記錄。這些風(fēng)力發(fā)電機記錄是由下面機構(gòu)維護的：EnergiogMiljoedataNielsJernesVej10DK9220Aalborg，Denmark這在windstat雜志上經(jīng)常有報道。德國德國的雷擊事件數(shù)據(jù)來自于"250MW-Wind"項目，同時伴隨有科學(xué)的度量與評估項目WMEP)。此項目由下列機構(gòu)來操作：InstitutfürSolareEnergieversorgungstechnike.v.(ISET)Kǒnigstor59D-34119Kassel,Germany所有的風(fēng)力發(fā)電機操作者在這個項目的資助下，在為期10年內(nèi)必須把發(fā)生維護和修理的報告，以最短的時間發(fā)送給ISET組織。這些報告內(nèi)容中包含需要填寫風(fēng)力發(fā)電機事的案例，包括假定是由雷擊造成的事故。由于參加WMEP項目并受到資助的操作者的職責(zé)，在正在運行的項目中始終保持?jǐn)?shù)據(jù)的核對，因此這些數(shù)據(jù)有著相對較高的可靠性。瑞典瑞典風(fēng)力發(fā)電機的所有者必須每月遞交維修及生產(chǎn)進度報告，這個瑞典的數(shù)據(jù)庫由如下單位維護：SwedPowerAB,VindstatistikP.O.Box527S-16216Stockholm,Sweden結(jié)論和建議結(jié)論以上數(shù)據(jù)著重強調(diào)了改進對風(fēng)力發(fā)電機組的防雷保護的必要性。這些報告中的數(shù)據(jù)顯示：北歐國家的風(fēng)力發(fā)電機組，每100臺/年遭受了48次雷擊事故。在德國的較低的山區(qū)安裝的風(fēng)力發(fā)電機，出現(xiàn)每100臺/年遭受高達14次雷擊事故。在所有的雷擊事故中葉片損壞的占7%-10%。在所有的雷擊事故中控制系統(tǒng)損壞的占4351%。在所有的雷擊事故中電源系統(tǒng)損壞的占2032%。與發(fā)電機的平均其他故障相比較，雷擊故障造成40%以上電力損失及20%以上的停機時間。盡管葉片損壞是維修費用最高的損壞類型，但到目前為止最常見還是對控制系統(tǒng)的損壞。然而，有一些相關(guān)的數(shù)據(jù)還是應(yīng)該引起注意的。下面舉一些例子：當(dāng)?shù)乩讚纛l率有很大的差異，甚至在同一個國家或地區(qū)。對于防雷保護很好的風(fēng)力發(fā)電機，在遭遇雷擊（直擊雷和感應(yīng)雷）后，如果沒有故障，在此數(shù)據(jù)庫中是不會顯示的。這些統(tǒng)計的數(shù)據(jù)還受風(fēng)力發(fā)電機高度的不同，防雷保護水平的不同，和當(dāng)?shù)氐匦尾煌挠绊憽嶋H報告中誤差也影響這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果。數(shù)據(jù)庫的完善為了更好地理解各種損傷機制的影響，在風(fēng)力發(fā)電機所有者的報告中包括更多的成本信息將是非常有益的，這并非總是可行，但是在可能的情況下還是會提倡的。附錄A是一個推薦的雷擊損害調(diào)查表，用這個推薦的調(diào)查表能使各個國家的維護數(shù)據(jù)以相同的報告形式匯總。５風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊損壞的風(fēng)險分析引言任何防雷保護系統(tǒng)的設(shè)計，都應(yīng)把雷擊的風(fēng)險和/或?qū)ㄖ锏膿p壞作為問題來考慮。任何建筑物遭雷擊的風(fēng)險都是一個有關(guān)建筑物高度、當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況以及當(dāng)?shù)氐睦纂娀钴S程度的函數(shù)。雷擊損害可能是以跨步/接觸電壓對人的危害或由雷擊引起的爆炸和火災(zāi)的形式。雷電損害還可能對建筑物或其內(nèi)部造成物理性的損壞。在盡可能的情況下應(yīng)該收集當(dāng)?shù)氐睦纂娀顒拥挠嘘P(guān)信息（例如冬季的雷電對高緯度地區(qū)有著特殊威脅）。所有的防雷保護系統(tǒng)的目的都是將雷擊損害減少到可承受的水平?？沙惺艿乃绞且杂嘘P(guān)人身安全可接受的風(fēng)險為基礎(chǔ)。如果不需考慮人身安全，或者這種損害風(fēng)險比對人身可接受的風(fēng)險還要低，那么任何分析都是只從經(jīng)濟性上考慮的。這只需要通過評估防雷系統(tǒng)的成本和所能預(yù)防的雷災(zāi)損失的費用對比來分析。國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61024-1-1和技術(shù)報告IEC61662這兩者都包括關(guān)于建筑物雷擊風(fēng)險評估的一些資料。在這些出版物的資料中囊括了針對風(fēng)力發(fā)電機的雷擊風(fēng)險的重要結(jié)論。然而這些標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)報告對雷擊風(fēng)險的分析都是有局限的，還不能夠作為實際應(yīng)用的例子，應(yīng)該參考全部的標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)報告來分析。風(fēng)力發(fā)電機遭雷擊頻率的評估任何關(guān)于雷擊風(fēng)險評估的第一階段都是雷擊頻率的評估。IEC6102411標(biāo)準(zhǔn)提供了怎樣評估雷擊頻率的指南。評估建筑物的雷擊頻率需要收集當(dāng)?shù)氐睦讚裘芏龋∟g）的詳細資料。國家的有關(guān)機構(gòu)也許能提供此類信息。如果沒有雷擊密度的資料，可通過下面的關(guān)系式來估算：N0.04*T1.25

(1)g d在這里Ng 為每平方公里年平均雷擊密度；Td 為年雷暴日數(shù)，來自于雷暴分布圖（通常是國家氣象組織提供的有效數(shù)據(jù)）建筑物的年平均遭受的直擊雷頻率可由下式估算：NdNg

*

*106

(2)在這里Nd 為建筑物所遭受的年平均直接雷擊數(shù)量；Ng 為建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度；Ad 與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積；Cd 為環(huán)境因數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機在平地上安裝時適合取Cd=1，在山地或山坡上安裝時適合取Cd=2。建筑物的雷擊等效截收面積定義為具有和建筑物同樣年平均雷閃頻率的地表面積。對于孤立建筑物，等效截收面積為，從建筑物的最高點按1：3的斜率做一條直線與地表面成交點，并圍繞建筑物旋轉(zhuǎn)一周，在地表面所包圍的區(qū)域。建議所有的風(fēng)力發(fā)電機的模型都用與風(fēng)葉轉(zhuǎn)軸高度相同的桿塔再加上葉輪半徑來模擬。這對配置任何類型的葉片包括非導(dǎo)電材料如玻璃鋼制成葉片的風(fēng)力發(fā)電機都成立。圖16顯示了一個置于平地的風(fēng)力發(fā)電機機的等效截收面積。很明顯這是一個3倍于風(fēng)力發(fā)電機高度的圓。圖16—風(fēng)力發(fā)電機的等效截收面積在估算安裝在平地上的風(fēng)力發(fā)電機的年平均雷擊次數(shù)時，可以使用下列等式。NdNg9πh2×10-6 (3)在這里h為風(fēng)力發(fā)電機的有效高度（單位：米）IEC6102411標(biāo)準(zhǔn)提供了在風(fēng)力發(fā)電機安裝于復(fù)雜地形或接近其他的建筑物時的評估指南。5.3IEC61024-1-1標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用在建筑物的雷擊頻率估算出來之后，就應(yīng)當(dāng)為其選擇一個合適的防雷系統(tǒng)。一個設(shè)計失敗的防雷系統(tǒng)將會導(dǎo)致眾所周知的危險事件，例如可能會導(dǎo)致人身傷亡，可根據(jù)國家或當(dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)或權(quán)威機構(gòu)的要求，設(shè)定允許的年平均危險事件數(shù)量。如果雷擊造成的損失僅為純經(jīng)濟性的，可由建筑物的所有者來設(shè)置允許的年平均雷擊危險事件數(shù)量。被允許的危險事件數(shù)量通常是變化的，這由建筑物的使用類型、位置、結(jié)構(gòu)以及在一定的給定時間的建筑物內(nèi)部或附近人員的平均數(shù)量來決定。IEC6102411標(biāo)準(zhǔn)闡述了被允許的危險事件數(shù)(Nc)必須大于或等于建筑物年平均直接雷數(shù)量(Nd1減防雷系統(tǒng)的效率（E）的乘積。Nc≥Nd×(1E) (4)在這里E 為防雷系統(tǒng)的效率；Nd 為建筑物年平均遭受直擊雷數(shù)量；Nc 為年允許的危險事件數(shù)量。根據(jù)IEC610241的概念，避雷系統(tǒng)的效率為兩個獨立的效率：攔截效率（攔截雷擊的能力）和分流效率（傳導(dǎo)雷電流的能力）的乘積。最小的防雷系統(tǒng)的效率可根據(jù)下式定義：E1NcNd

(5)注：在新版本的IEC61024－1中，E的定義如下：E1/在這里Rd 為雷擊損壞風(fēng)險概率；

(6)Ra 為可接受的雷擊損壞風(fēng)險概率IEC610241定義了從I級到IV級四個雷電防護系統(tǒng)等級。在表9中列出了這些級別的效率。表9雷電防護等級防護等級攔截效率Ei分流效率Es效率E=Ei×EsI0.990.990.98II0.970.980.95III0.910.970.90IV0.840.970.80基本上，越有效的防雷系統(tǒng)引下線的直徑越大，接地系統(tǒng)越大（為改善其分流效率）且設(shè)計時將要增加材料的量和/或減小交叉點的間距（為改善其攔截效率）。表10中列出了各級別防雷系統(tǒng)所對應(yīng)的雷電峰值電流、比能、電流上升率以及傳遞電荷量。表10各雷電保護水平對應(yīng)的雷電參數(shù)的最大值防護等級峰值電流kA比能KJΩ-1平均電流上升率kA/us總傳輸電荷CI20010000200300II1505600150225III1002500100150IV例如，一個Ⅰ級的雷電防護系統(tǒng)必須能夠承受峰值為200kA的雷電流而不受損害。例如：一個轉(zhuǎn)軸高度為60m，葉輪直徑60m的風(fēng)力發(fā)電機，安裝在雷擊大地密度為每年每平方公里0.2次的平坦地區(qū)。被允許的年危險事件幾率為1/100000（在英國應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)）。由于風(fēng)力發(fā)電機不會包含超過1％的針對工作人員的危險事件，其允許的危險事件數(shù)可以改為1/1000（100000乘以11去除）。首先需要確定估計的雷擊頻率。 (7)雷電防護系統(tǒng)(LPS)的效率必須是保證每年發(fā)生危險事件的幾率不超過1/1000。因此，可確定要求的LPS的效率。 (8)因此在這種場所，需要安裝一個LPS效率為978%的，雷電防護等級為Ⅰ級的防雷防護系統(tǒng)。IEC61662的應(yīng)用IEC6102411允許為一特別的對象提供防雷保護系統(tǒng)等級的評估，如需要對建筑物的雷電防護系統(tǒng)的要求進行更精密的分析，可通過使用技術(shù)報告IEC61662來完成。IEC61662允許在安全或費用方面對直接雷擊和間接雷擊（電磁耦合、傳導(dǎo)過電壓等）損害進行風(fēng)險評估。用和IEC6102411類似方式去計算建筑物的雷擊風(fēng)險水平，并和可接受的風(fēng)險水平相比較。如果計算出的風(fēng)險水平超過可接受的風(fēng)險水平，尤其是當(dāng)這種風(fēng)險會危及人身安全的時候，建筑物的防雷系統(tǒng)必須改進。避雷系統(tǒng)最大的花費可以根據(jù)每年安裝的防雷系統(tǒng)的費用和每年因此而減少的雷災(zāi)造成損失的費用相比較來確定。這類分析可以在人身安全風(fēng)險為零或低于可承受的風(fēng)險時進行。出于對風(fēng)力發(fā)電機保護的目的，可采用下面的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機遭受直擊雷損害時，可能出現(xiàn)一種或多種破壞形式：由于過高的跨步或接觸電壓導(dǎo)致的人身傷害或死亡、擊壞設(shè)備、或發(fā)生爆炸和火災(zāi)；內(nèi)部金屬部件的火花引起的火災(zāi)/爆炸;風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部電子器件的過電壓損害；對葉片的雷擊損害2這類損害已經(jīng)添加到計算中了，但在技術(shù)報告IEC61662中沒有出現(xiàn)。一個修改該標(biāo)準(zhǔn)來計算這類損害的方法已經(jīng)闡述了。直接雷擊損害總是與正被討論的建筑物接收的雷擊頻率成比例的。相反,當(dāng)雷擊附近的物體或地面時會發(fā)生間接雷擊損害。這是由下列情況引起：由入戶設(shè)施引發(fā)的火花引起的火災(zāi)/爆炸入戶設(shè)施的電勢升高導(dǎo)致的過電壓損害；磁場的耦合導(dǎo)致的風(fēng)力發(fā)電機內(nèi)部電勢升高引起的火災(zāi)/爆炸以及過電壓損害。間接雷損害的頻率根據(jù)附近的雷擊數(shù)量和入戶設(shè)施遭受感應(yīng)雷擊的數(shù)量而變化。如果總的雷電損害的頻率高于可接受的水平，必須采用更好的措施，比如安裝更好的避雷系統(tǒng)。一旦導(dǎo)致人身損失的雷電損害頻率減少到低于可接受的頻率，就可以執(zhí)行以費用為中心的分析。每年在避雷設(shè)施投入的費用，不應(yīng)超過年雷擊造成損失的費用（雷電損害的頻率乘以它的成本）。如下式：(9)這里Ftotal為年雷擊造成損失的頻率closses為每次雷擊損失事件的平均成本。IEC61662給出了風(fēng)力發(fā)電機避雷系統(tǒng)的每年投入費用，可用下面的公式（10）來計算。這個等式涉及了風(fēng)力發(fā)電機防雷系統(tǒng)的總成本Cpm、包括在風(fēng)力發(fā)電機的壽命周期中每年分?jǐn)偝杀镜谋嚷?a)、利率(i)以及維護率(m)。把式（10）代入式（9）中，得出式（11），從而可計算出在風(fēng)力發(fā)電機的防雷保護系統(tǒng)中可經(jīng)濟性地投入的最大費用。(10)(11)在這里cpm為風(fēng)力發(fā)電機避雷系統(tǒng)的總費用；a為每年分?jǐn)偝杀颈嚷?；i為利率；m為維護率此計算方法未考慮可接受的風(fēng)險水平的因素，只是純粹從經(jīng)濟性上來分析。由于葉片的損壞的費用和控制系統(tǒng)的損壞的費用不同，因此建議把防雷保護的成本分解為葉片防雷系統(tǒng)成本和控制系統(tǒng)防雷系統(tǒng)成本兩部分。這兩者中，由于年雷擊損壞頻率不同，因此預(yù)期的損失費用也不同，下面給出了這種分析的例子。葉片防雷保護系統(tǒng)成本的分析用前面提到的轉(zhuǎn)軸高60m，葉輪直徑為60m的風(fēng)力發(fā)電機來舉例。年預(yù)計雷擊次數(shù)為0.046次/年。假定風(fēng)力發(fā)電機遭受的雷擊風(fēng)力發(fā)電機收到的所有雷閃都和葉片有關(guān)。對于一個沒有防雷保護的風(fēng)力發(fā)電機，我們假定每次雷擊都造成葉片嚴(yán)重損壞到需要更換的程度。如果我們能增加防雷系統(tǒng)的安裝，每增加1%都會導(dǎo)致雷電災(zāi)害損失數(shù)額的減少，通過下式可以計算：在這里：Np為的葉片防雷系統(tǒng)效率的1%所能預(yù)防的年發(fā)生雷擊損害葉片的預(yù)計數(shù)量。每1%防雷系統(tǒng)效率的增加都將會導(dǎo)致年雷擊造成損失的減少。這里有一個成本與相關(guān)節(jié)約費用的關(guān)系式。在這里Csaved為由年雷擊損害率下降所節(jié)省的費用；Cdamage為由于雷擊損壞更換葉片的成本。葉片的損壞的成本可以用風(fēng)力發(fā)電機成本的百分比來替代。如果單個葉片的成本為風(fēng)力發(fā)電機成本的5%，那么上面的等式可以重寫為下式：在這里Cturbine為風(fēng)力發(fā)電機的成本。只有在風(fēng)力發(fā)電機的壽命周期內(nèi)，每年在安裝葉片防雷系統(tǒng)投入的費用小于安裝防雷系統(tǒng)后節(jié)約的費用時才是經(jīng)濟的。從前面的描述的式子，可以得出：舉一個a=4%，i=8%，m=1%的例子。其中Csaved使用前面得出的表達式：現(xiàn)在得出了葉片防雷保護系統(tǒng)效率的1%對應(yīng)的最大成本與風(fēng)力發(fā)電機整體造價之間的函數(shù)關(guān)系的表達式。該表達式可以更進一步簡化：這個表達式表明了風(fēng)力發(fā)電機的細節(jié)，葉片防雷系統(tǒng)效率的1%所對應(yīng)的最大成本是風(fēng)力發(fā)電機總成本0018%。我們可以說,在一個相對低的年雷擊大地密度為0.2次/km2的地區(qū)，按照第二類防雷建筑物(效率為95%)安裝的風(fēng)力發(fā)電機葉片防雷系統(tǒng)的造價可達風(fēng)力發(fā)電機總成本的1.7%(950018=17%)。關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)防雷保護成本的分析與風(fēng)力發(fā)電機葉片雷擊損壞不同的是，雷擊對控制系統(tǒng)的損害有很多直接或間接的因素。由于風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)具有分散性和各異性，這使得對風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)的雷擊防護成本的分析變得更加難以完成。用前面討論過的風(fēng)力發(fā)電機舉一個例子。風(fēng)力發(fā)電機每年會遭受0046次直擊雷，而風(fēng)力發(fā)電機會遭受感應(yīng)雷擊的數(shù)量則更多。風(fēng)力發(fā)電機安裝地的土壤電阻率為250Ωm，電力線纜及SCADA系統(tǒng)的金屬線纜從渦輪機延伸至1km以外的變電所。IEC61662標(biāo)準(zhǔn)中表明這些設(shè)備都可能被一定數(shù)量的雷擊所影響。年雷擊影響輸入設(shè)施的平均值Nk，可以根據(jù)下列式子進行估算：在這里Ak是設(shè)備受到影響的區(qū)域，單位為km2，包括設(shè)備本身的等效截收面積和應(yīng)該考慮到的所有連接到該設(shè)備的臨近建筑物的等效截收面積。IEC61662中給出了一個估算Ak值的程序。在給出的例子中，電力線纜將會受005平方公里區(qū)域內(nèi)的雷擊影響，而數(shù)據(jù)線纜將會受1平方公里區(qū)域內(nèi)的雷擊影響。因此影響這些輸入設(shè)施的所有雷擊數(shù)分別為電力線纜每年001次，數(shù)據(jù)線纜每年0.2次。與估算的年雷擊頻率0046相比，很明顯數(shù)據(jù)線纜受雷電影響大約是風(fēng)力發(fā)電機本身的4倍。如果使用一條沒有金屬屏蔽光纜的話，雷擊次數(shù)對數(shù)據(jù)線纜的影響值將減少到零。在IEC61662（修正1）中提到了關(guān)于磁場耦合造成更多損害的原理。結(jié)論是雷擊對風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)的損害幾率遠大于對葉片本身損害的幾率。早期的有關(guān)葉片損害的分析顯示，防雷保護投入的成本是與設(shè)備損壞費用和頻率是成比例的。風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)的損壞率比葉片的損害率將會增加，但是這種損失的費用將下降。從經(jīng)濟角度來說，風(fēng)力發(fā)電機控制系統(tǒng)的防雷保護系統(tǒng)效率的1%所能起到的最大成效，取決于風(fēng)力發(fā)電機的準(zhǔn)確配置，有一些超過了此報告所討論的范圍。風(fēng)力發(fā)電機葉片的防雷保護葉片結(jié)構(gòu)現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電機的葉片是由合成材料制造成的巨大的中空結(jié)構(gòu)，例如玻璃鋼GRP、木材、壓合木板、碳化塑料CRP等，CRP是一種典型的用于加強葉片的結(jié)構(gòu)或特殊的部件，例如帶頂端剎車（安裝在頂端的剎車機構(gòu)）的葉片軸承系統(tǒng)。某些部件和分散的部件，例如法蘭裝置，平衡校正,折頁，軸承，電力配線，彈簧和固定裝置等都是金屬制成的。在過去有一部分觀點認(rèn)為非導(dǎo)電材料制成的葉片不會遭受雷擊，但是實踐中顯然證明這種觀點是錯誤的。雷電確確實實擊在了沒有任何金屬成分的葉片上，并且無論何時，一個雷電弧對葉片內(nèi)部都會造成的嚴(yán)重的損壞。葉片的兩面或者葉片的外殼，通常由采用玻璃纖維或者其它合成材料片沿著葉片頂端到邊緣粘合在一起的，葉片的內(nèi)部承重結(jié)構(gòu)是采用玻璃纖維制成。在葉片內(nèi)部，沿著葉片的表層、內(nèi)部直至葉片的全長都分布著許多巨大的空氣填充的孔狀結(jié)構(gòu)。依據(jù)控制和制動系統(tǒng)的不同，葉片分為幾種型式。圖17中是主要的四種型式。A型在葉片前端使用了一個副翼作為減速裝置。對于A型的葉片，雷擊點經(jīng)常出現(xiàn)在副翼的金屬鉸鏈上，并且由于操作副翼的金屬控制線不足以傳導(dǎo)雷電流，因此經(jīng)常造成葉片的嚴(yán)重的損壞。圖17風(fēng)力發(fā)電機葉片的類型B型葉片是借助離心力來控制彈簧來調(diào)整葉片的頂端制動，從而降低過快的轉(zhuǎn)動速度。對B型葉片來說，雷擊點主要在葉片的最遠端幾十厘米的范圍內(nèi)，或者在離葉片軸最遠端位置的葉片邊緣。從雷擊點開始，一個電弧在離葉片軸的最遠端區(qū)域的葉尖內(nèi)部形成放電，而且，在其他葉片尖端到葉片底部的金屬法蘭，也會在葉尖遠端形成電弧。這些內(nèi)部形成的電弧常常會造成葉片災(zāi)難性的損壞。A型和B型葉片通常被使用在一些早期生產(chǎn)的如100KW這樣的風(fēng)力發(fā)電機上。C型是一種采用金屬線控制頂端制動的新型葉片。C型葉片遭受雷擊點主要在從葉片最遠端起幾十厘米處，或者在葉片軸承的外部邊緣部位。對C型葉片和B型葉片，由于雷擊，在葉片內(nèi)部從雷擊點到轉(zhuǎn)軸處葉片的外邊緣之間會產(chǎn)生電弧，并導(dǎo)致葉片嚴(yán)重損壞。對C型葉片而言，常見的主葉片雷擊損壞，是由于內(nèi)部鋼質(zhì)線不能承受雷擊電流造成的。當(dāng)考慮到被用來承載雷電流時，對于長17m的葉片，內(nèi)部鋼質(zhì)線的最小直徑應(yīng)該選用10mm到12mm。這種金屬線可以承受大部分的雷擊電流，因而可以保護葉片免遭雷擊損壞（對于所用材料尺寸的深入討論見6.5）。D型葉片完全采用非導(dǎo)電材料制成。這類型的葉片，雷擊點主要集中在接近葉片尖端的部位。與其它類型的葉片相比較，D型葉片的雷擊點有時也會隨機地出現(xiàn)在沿著葉片長度的其它部位。雷電打擊在非傳導(dǎo)材料制成的葉片上的事實至少可以部分地被解釋為是因為隨著時間的推移，葉片上附著的塵污和水會使得葉片產(chǎn)生一定的傳導(dǎo)性。高壓實驗室試驗證明電弧發(fā)生在噴了鹽水的非傳導(dǎo)葉片上面，葉片就仿佛是金屬的[9]。解釋的另外一部分是：雷擊渦輪機最簡單的途徑是通過葉片，另外，沿著一個表面形成放電比通過擊穿空氣形成放電要較為容易。無論如何，事實證明，非傳導(dǎo)材料制成的葉片（型號D）發(fā)生嚴(yán)重的雷擊事故是非常普遍的。葉片損害機制雷擊葉片的典型的損害類型是合成材料的斷裂或者燒毀，或者是作為雷擊點的金屬部件的發(fā)熱、熔化。風(fēng)力渦輪機葉片最嚴(yán)重的損害是由于雷電在葉片內(nèi)部形成電弧所導(dǎo)致的，在葉片內(nèi)部的空氣腔體或者是其內(nèi)表面都有可能形成電弧。葉片另外一種可以見到的損害是由于雷電流或部分雷電流在復(fù)合材料的層與層之間的傳導(dǎo)造成的，大概是由于這樣的材料層之間保持了些水氣。內(nèi)部的電弧會引起壓力沖擊波使葉片爆炸，沿著葉片的邊緣和內(nèi)部的加強桿撕裂葉片的外覆層。從表面破裂到葉片全部瓦解，所有的等級的破壞都可以見得到。在某些情況下，壓力波會從被雷擊的葉片通過Hub，并且傳播到其它的葉片，導(dǎo)致其它葉片的損壞。內(nèi)部的電弧經(jīng)常形成在葉片的頂端的雷擊點和葉片內(nèi)部的導(dǎo)體部分之間。對C型葉片來說，破壞一般都限于頂端部分，葉片的主體部分是沒有損壞的。對C型葉片主體部分的破壞一般都是當(dāng)電弧在主葉片內(nèi)部形成時，尤其是當(dāng)控制頂端剎車系統(tǒng)的金屬線是不足以傳導(dǎo)從轉(zhuǎn)軸到輪轂的雷電流時候。而對于A型葉片，通常都是主葉片被毀壞。風(fēng)力渦輪機葉片嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象的原因是，由于雷電在葉片內(nèi)部引起的電弧周圍形成了一個壓力沖擊波。當(dāng)雷電弧形成在葉片外部，或者當(dāng)雷電流通過橫截面積不足夠的金屬部分傳導(dǎo)的時候可能會發(fā)生輕微的損壞。風(fēng)力渦輪機葉片的防雷保護一般性的問題風(fēng)力渦輪機葉片的雷擊保護的一般原理是，將雷擊電流從雷擊點安全地傳導(dǎo)到輪轂，用這種辦法，可以避免雷擊電弧在葉片內(nèi)部的形成，可以使用固定在葉片表面或者葉片內(nèi)部的金屬導(dǎo)體，來達到使雷擊電流從雷擊點沿著表面轉(zhuǎn)移到葉片根部的目的。另外一個辦法是在葉片表面材料上增加一層導(dǎo)電材料，這樣使得葉片有充足的導(dǎo)電能力，來安全地把雷電流傳導(dǎo)到葉片的根部。這兩種辦法的衍生辦法已經(jīng)被應(yīng)用在風(fēng)力渦輪機的葉片上（間圖18）。葉片表面或嵌入葉片表面的接閃系統(tǒng)在葉片表面，被用來作為接閃器或引下線的金屬導(dǎo)體，，必須有足夠的橫截面積，以能夠承受直接雷擊，并且導(dǎo)走全部的雷擊電流，除此之外,金屬導(dǎo)體尺寸不能太大，以便能夠可靠的固定在葉片的表面。鋁材的最小截面積是50mm2，要把這樣的金屬材料可靠的固定在葉片表面，可能有些問題。此外,安裝在葉片表面的金屬物可能會影響葉片的空氣動力功能，或者產(chǎn)生討厭的噪音[10][11]。葉片內(nèi)嵌的傳導(dǎo)材料，是由鋁或銅制成金屬線或者金屬編織帶。在參考文獻中，講述了不同的保護系統(tǒng)，連接到葉片底部的金屬導(dǎo)體沿著葉片的邊緣被放置在葉片的表面，或者被嵌入在葉片的邊緣。某些葉片（C型）既有沿著葉片軸線的金屬導(dǎo)體也有沿著葉片邊緣的金屬導(dǎo)體。另外有些情況下，在葉片的表面的不同位置環(huán)繞葉片設(shè)置了一些金屬分流器，它們中的每一個都連接到葉片邊緣的導(dǎo)體上（11、12、131415）。膠粘金屬帶和分段分流器在幾項研究中，將膠粘鋁帶粘在葉片的表面，然而，這些金屬帶會在幾個月內(nèi)脫落（12、16）。如果這個問題被解決，膠粘金屬帶可能會是一種被廣泛注意的保護辦法，尤其是對于現(xiàn)在沒有被保護的葉片。然而，應(yīng)該指出，閃電在葉片表面附近產(chǎn)生的巨大的壓力波可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。最近，已經(jīng)進行了一些關(guān)于分段分流條的有前景的試驗（17、18）。一些分段分流條已經(jīng)被應(yīng)用在了航空器雷達罩，因為它們因為它不會干擾雷達信號。然而，沒有分段分流條用在風(fēng)力渦輪機的葉片的報道。金屬帶和分段分流條可能會用在風(fēng)機上作為一次性保護器件，在雷擊后需要更換。內(nèi)部引下系統(tǒng)關(guān)于導(dǎo)體安裝在葉片表面上的問題的一個解決方案是將導(dǎo)體放置在葉片內(nèi)部，導(dǎo)體的金屬固定裝置穿透葉片外殼和作為離散的雷電接閃器。這樣的保護系統(tǒng)被應(yīng)用在了航空器上。[10]現(xiàn)在制造的許多葉片（A型和B型）的防雷系統(tǒng)在葉尖有離散的雷電接閃器，葉片內(nèi)部的引下系統(tǒng)將雷電流從葉尖接閃器傳導(dǎo)到葉片根部。對于有葉尖制動器的葉片，金屬線被作為了下引導(dǎo)體使用（A型）。如果葉片沒有葉尖制動器，一條沿著內(nèi)部支柱放置的銅線被作為下引導(dǎo)體（B型）。在最近幾年，數(shù)千個帶有防雷保護系統(tǒng)的葉片被生產(chǎn)。像20m長的葉片的雷擊保護系統(tǒng)的早期經(jīng)驗是依然可以使用的[19]，然而，更長的葉片在生產(chǎn)的方面的經(jīng)驗是不足的。表面?zhèn)鲗?dǎo)材料在葉片表面安裝雷電接閃系統(tǒng)的一個替代的辦法是使得葉片表面自身能夠?qū)щ?。在飛機制造業(yè)，玻璃、碳纖維合成材料制成的機翼以及暴露在雷電中的表面的防雷是通過在外層增加導(dǎo)電材料來完成的。這樣可以將損壞減少在雷擊點的小范圍之內(nèi)。導(dǎo)電材料可以是噴涂在葉片表面的金屬層、在合成材料外層的金屬纖維層、附在合成材料外層的金屬網(wǎng)、或者只是被嵌入在葉片表面下的金屬網(wǎng)[10][1521]and20]?，F(xiàn)在制造的風(fēng)力渦輪機葉片的防雷保護已經(jīng)開始在葉片兩側(cè)面的膠層下面放置金屬網(wǎng)(figureD)。有時葉片的頂端也是用金屬制成或者覆蓋金屬層。攔截效率使用在葉片表面安裝離散的接閃系統(tǒng)的防雷保護方法的攔截效率是一個問題。實心導(dǎo)體、葉片表面的分段分流器以及離散的接閃器，必須以特定的方法來安裝，使得葉片表面沒有保護的區(qū)域在受雷擊的可能性減低到一個可以接受的水平。給出了攔截效率的離散接閃器的間隔等于實心導(dǎo)體的一種理論間隔，在這個間隔上沿著葉片表面的閃絡(luò)電壓應(yīng)小于葉片外層的擊穿電壓。實踐中，葉片外層的的擊穿電壓和表面的閃絡(luò)電壓的變化是很難確定的，這是由于使用了不同的合成材料，同時材料的老化、破裂、潮濕和污垢的影響必須考慮。此外，分段分流器和離散的接閃器的攔截效率，也會被葉片內(nèi)部傳導(dǎo)材料的存在影響[10]。例如，在飛機雷達罩上，實心導(dǎo)體以30cm到60cm的間隔距離被安裝在了表面，然而，這個的攔截效率也不是100%的，被保護的飛機雷達罩也偶爾會發(fā)生穿洞。安裝在雷達罩內(nèi)部的導(dǎo)體由于機械原因，導(dǎo)體要每隔15cm固定一次，固定器升出外面同時作為接閃器來使用。對于長度在20m以內(nèi)的葉片，似乎葉片頂端的接閃器是足夠的了，而對于更長的葉片，要獲得理想的攔截效率，可能需要不止一個接閃器。對于超過20m的風(fēng)力渦輪機的葉片的雷電接閃系統(tǒng)的實踐經(jīng)驗文件和進一步的研究也是必要的。材料規(guī)格被用作風(fēng)力渦輪機葉片的雷電保護系統(tǒng)的材料應(yīng)該可以承受通雷擊電流引起的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)，用于雷電接閃器和下引導(dǎo)體的最小尺寸見表11。(見IEC61024-1).表11–雷擊保護系統(tǒng)材料的最小尺寸材料接閃器2mm引下線2mm銅3516鋁7025鐵5050此外，考慮到電氣效應(yīng)和電動力效應(yīng)以及可預(yù)見的偶然壓力，IECTC81對于材料尺寸的建議如表12所示（或者見IEC61024-1)。表12–防雷保護系統(tǒng)材料建議的最小尺寸材料結(jié)構(gòu)最小截面積2mm實心帶50銅實心圓導(dǎo)體多股線5050用作避雷針的實心圓導(dǎo)體200實心帶70鋁實心圓導(dǎo)體50多股線50實心帶50鋁合金實心圓導(dǎo)體多股線5050用作避雷針的實心圓導(dǎo)體200實心帶505050200實心圓導(dǎo)體熱鍍鋅鋼多股線用作避雷針的實心圓導(dǎo)體terminationrods實心帶607870200實心圓導(dǎo)體不銹鋼多股線用作避雷針的實心圓導(dǎo)體terminationrods負載下的組件，例如葉尖制動器的鋼線可能不得不更可靠，因為如果材料的溫度升高，那么它的機械強度就會減小。有一些經(jīng)驗證明，葉尖制動控制用的鋼絲線由于雷電流會斷掉或者融化，甚至是直徑達到10mm的金屬線（截面積78mm2）。承載雷電流的導(dǎo)體的溫度可以由下面的公式計算出來（見IEC61819）。建造者必須考慮所有部件在遭受全部或部分雷電流時的溫度上升，并確保這些組件有足夠的強度在雷擊過后能夠立即履行其職能。公式19溫升計算公式這里：0– 導(dǎo)體的溫升(K);0 電阻的溫度系數(shù)(1/K);W/R電流脈沖的能比(J/);0 導(dǎo)體在環(huán)境溫度下的電阻率(m);0q 導(dǎo)體的橫截面積(m2); 材料密度(kg/m3);cw 熱容量(J/kgK).表13是一般材料的公式的輸入表，表14顯示了不同導(dǎo)體的溫度上升。應(yīng)該注意的是在導(dǎo)線預(yù)計負荷的情況下并不是溫度上升到熔點時才會導(dǎo)致其實效的。表13–使用在雷擊保護系統(tǒng)的典型材料的物理特性單位材料銅鋁低碳鋼不銹鋼a0m17,810–92910–912010–90,710–61/K3,9210–34,010–36,510–30,810–3kg/m38920270077008000S (熔點)°C108065815301500csJ/kg209103397103272103–cwJ/kgK385908469500a奧氏體非磁性mm2材料l鋁鋼銅不銹鋼能比MJ能比MJ能比MJ能比MJ2,55,6102,55,6102,55,6102,55,6104––––––––––––10564–––––169542––––16146454–1120––56143309–––2552132283211913–225198940––5012285237962115122219046094010037129203713545100190表14–不同導(dǎo)體作為能比函數(shù)的溫升[K]葉片到輪轂的連接在葉片根部，引下線系統(tǒng)一般連接到葉片的安裝法蘭或者是輪轂。如果葉片是斜度可調(diào)節(jié)型（D型），雷擊電流或者是被允許不受控制地通過軸承，或者是通過某種連接裝置跨接于軸承，例如像是一個滑動觸點或者一根允許做傾斜運動的有足夠裕度的柔性連接電纜?？缃虞S承的柔韌連接可以與葉片內(nèi)部下引導(dǎo)體在內(nèi)部結(jié)合。在有葉尖制動系統(tǒng)的葉片（C型），帶動控制線的液壓系統(tǒng)必須被保護。標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸，通常很容易被活塞桿和缸體之間的閃絡(luò)電弧損壞。通常，液壓缸的保護是通過一條性連接線將缸體和活塞桿連接起來導(dǎo)走雷電流，連接線要足夠松弛以允許活塞運動。另外一個有滑動空氣間隙構(gòu)造的方法已經(jīng)介紹過（24）。必須注意，柔性連接帶的應(yīng)盡量減小松弛度，因為松弛導(dǎo)線上的感應(yīng)電壓可能會很高，這將會導(dǎo)致對缸體的保護性能降低。碳纖維強化塑料(CRP)碳纖維強化塑料(CRP)廣泛地應(yīng)用在了葉尖軸，有些情況下也用于加強葉片。CRP的使用是希望可以將葉片變得更大。CRP材料的導(dǎo)電率非常依賴于纖維的方向。盡管碳化纖維是導(dǎo)電的，CRP材料，碳化纖維層是矩陣結(jié)構(gòu)，傳導(dǎo)率大約比鋁要低10002521]。因此，碳化纖維傳導(dǎo)電流時熱阻抗是很高的，當(dāng)矩陣在200度時會產(chǎn)生蒸汽，蒸汽的壓力會導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斷裂或者斷層，更具體的說，在雷擊點附近的CRP甚至?xí)粺苫覡a[21]。對于使用了CRP的航天器，可能受到雷擊的或者傳導(dǎo)雷電流的CRP組件，