隨著國內陸上及海上安裝的風機越來越多，雷電所導致的風機故障問題也越發凸顯。如何減少風機葉片遭受雷擊導致的故障損失，做到對風機葉片的可預測性維護？

近年來全球各地的學者和科研人員為我們提出了一些有益的建議,而其中為風機配備雷電監測系統，實現對危害風機的雷電流的有效監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風機防雷標準》[1]中增加對風機安裝雷電監測系統的推薦要求的目的。那么如何才能有效監測雷電流呢？

在全球眾多研究人員的探索中發現，我們需要關注下面一些方面：

1.在IEC 62305-1[2]中描述了雷電流的主要監測參數[3]。這些參數對建筑物（包括風力發電機組）的防雷保護措施的設計和選型具有決定性意義[4]。

其中上行閃電應該首先被關注。上行閃電一般發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導致電場強度超過了觸發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。如果出現上行閃電，必須考慮在放電開始時的初始連續電流（ICC）。這些連續電流可以被所謂的ICC沖擊電流疊加。在連續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測設備的風力發電機所遭受的雷擊事件進行了調查，結果在其報告[6]中進行了總結。報告分析了2008年至2013年期間的測量結果，而這個測量本身至今仍在持續?？傆嬘?32次閃電事件在給定的時間段內被記錄到。其中687次事件是可以評估雷電電流參數（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電流（ICC）的上行閃電。

在對奧地利Gaisberg地區電信塔的雷電監測中，監測結果[7]顯示在很大一部分上行閃電中連續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“僅含初始持續電流的放電”，簡稱“ICConly”放電。

科學研究中發現的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果。結果總結見下表，雷電流的幅值被用于進行分類，

此外根據研究觀測發現，上行閃電活動的形成可能會受冬季閃電活動以及風電場所在地當地的地形條件的影響。通過觀測發現，寒冷的季節會促進高層建筑上上行閃電的發生。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注的方面。通常認為下行閃電擊中建筑物時，會對建筑物產生非常大的負荷。下行閃電中包含10%左右的正極性閃電。風力發電機的防雷系統通常是根據IEC 61400-24[2]中雷電防護等級I（LPL I）進行設計的。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.通過研究發現其實雷電流轉移的電荷才是導致雷電接閃系統接閃點熔化的最主要原因。當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。而這正是風機葉片接收器的非常真實的工作場景。這一風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移的總的電荷量或是在一定時期內雷擊轉移的總的電荷量。在IEC61400-24風機防雷標準中也提到“需要考慮由于傳導電荷導致的接閃系統的表面腐蝕，這種損傷是可以累積的。

綜上所述，對現代兆瓦級風機而言，雷電監測系統應能夠安全地記錄雷電流≥200kA的幅值，最大測量范圍應達到+/-250kA。

為了能夠監測整個正極性下行閃電的電流波形，雷電監測系統應該有一個合適的頻率范圍，理想情況下，應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機上的雷電監測設施應既能夠測量極低電流幅值的“ICC only放電”，也能夠準確測量這類放電的轉移電荷量。先決條件是監測系統應具有很低的觸發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。雷電監測系統必須能夠記錄多次雷擊并處理累積的數據。

此外，它還必須能夠提供有關累積總電荷量的信息。

上行閃電的高轉移電荷量通常伴隨著超過IEC62305-1中規定的標準電流持續時間Tlong=0.5s的初始連續電流。如上所述，這需要記錄持續時間至少應>=1秒。在時間上也應該考慮到，在被記錄電流的至少10%到20%就有一個預觸發。

在風力發電機中，與所有防雷系統一樣，屬于接閃裝置（風機葉片的）和接地系統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等級的正極性先導雷電流的影響。如果風機的雷電監測系統除了能夠監測雷電流外，還能提供關于雷電流分布的信息，這將是該雷電監測系統的一個巨大優勢。

*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)，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.