IEC-61400-24风力涡轮发电机系统-雷电保护(中文版)

TECHNICALREPORT

IECTR61400-24第1版2002-07风力涡轮发电机系统–第24部分:雷电防护目 录序 4绪论 5范围 6定义 7雷电和风力涡轮机 闪电的特性 雷电泄放形式和电学参数 云对地闪击 12云对地负闪击 12云对地雷电正闪击 14向上发生的闪电 15风力涡轮机的雷电防护—常见问题 17现有涉及到防雷的IEC标准和技术报告 18雷电损坏统计 20风力发电机机遭雷击损坏数据 20损坏统计 20损坏事故频率 20风力发电机各部件损坏情况 21风力发电机功率大小与出厂年限分析 22损坏的维护费用 234.2.6雷击事故分布的季节性 25数据库的优点和缺点 264.3.1概要 264.3.2丹麦 264.3.3德国 274.3.4瑞典 27结论和建议 274.4.1结论 274.4.2数据库的完善 28５风力发电机遭雷击损坏的风险分析 285.1引言 285.2 风力发电机遭雷击频率的评估 295.3IEC61024-1-1标准的应用 305.4IEC61662的应用 32叶片防雷保护系统成本的分析 34关于风力发电机控制系统防雷保护成本的分析 35风力发电机叶片的防雷保护 36叶片结构 36叶片损害机制 38风力涡轮机叶片的防雷保护 38一般性的问题 38叶片表面或嵌入叶片表面的接闪系统 39胶粘金属带和分段分流器 39内部引下系统 40表面传导材料 40拦截效率 40材料规格 41碳化塑料(CRP) 43叶片内部配线 44轴承与齿轮箱的防护 44交流、直流电流对轴承造成的损害 44雷电流对轴承造成的损害 44实验研究 45雷击损坏齿轮箱 45轴承与齿轮箱零件的雷电防护 45电气系统和控制系统的防护 468.1介绍 46电气设备配置 47电气系统 47控制系统 48防雷分区 498.3.10区 50其他区域 50分区边界 51保护区域要求 52浪涌耦合机制 528.4.1传导 52电容性耦合 52磁场耦合 53等电位和屏蔽 54等电位 548.5.2屏蔽 55浪涌防护 56一般的浪涌保护 57电气设备的浪涌防护 57信号电路的浪涌保护 57浪涌保护器的安装位置 588.7总结 589 接地 59单个风机涡轮机的防雷接地装置 59A型接地 599.1.1B型接地 59风电场的防雷接地装置 61人身安全 62一般规定 6210.1.1机舱 6210.1.2塔体 62地平面 62人员的指导 63总结及对进一步工作的建议 64TR61400-24TR61400-24IEC:2002(E)PagePAGEPagePAGE3of65国际电工委员会风力涡轮机发电机系统–第24章:雷电防护序IEC(国际电工委员会)是世界性标准化组织，其所有成员为国家电工委员会。它致力于促进在电气和电子领域内所有关于标准化问题的国际合作。为着本目标及其他相关活动，IEC发行公布国际标准。前期工作委托给技术委员会；任何IEC组成成员如对该问题感兴趣，可参与准备工作。与IEC有交往的国际性的、政府间的、以及民间组织也可参与该工作。IEC与ISO在两组织已达成的协议条件下保持着密切合作。IEC关于技术问题的正式决定或协议，尽可能地表述为相关的国际公认标准。因每一技术委员会拥有来自代表各国利益的各国委员会的代表。为方便国际间合作、产生的文件以各国委员会易接受的形式印发，如：标准、技术规格、技术报告或指南形式等。为促进国际间的统一化，IEC成员致力于在其各自国家和地区最大可能地应用IEC国际标准。IEC标准和对应的国家或地区标准的任何分歧均在后面清晰指明。IEC不提供声明同意等程序，不对任何声称符合其某一标准的设备负责。本国际标准的一些要件可能为某一专利权所属，此点需注意，对此类专利的确认IEC不负任何责任。IEC国际电工委员会的主要责任是制定国际标准.然而,当技术委员会收集到有异于通常的国际标准的资料时有可能会发表一份技术报告，例如目前的工艺发展水平。当技术报告被修订组认为不在有用或者有效时将不再对其进行审查和校订。IEC6140024,是由国际电工委员会88小组所编制的一份技术报告:风力发电系统。此标准的正文基于下列文件:征求意见稿表决报告88/128/CDV88/142/RVC关于表决通过此标准的全部信息在上表的表决报告可以找到.此公布是根据ISO/IEC指示第3部分起草的.这份文件,只是纯粹的资料,并不能把它认做为一份国际标准.委员会决定此公布的内容将不作变更直至2007.此公示将重新确认;撤消;由修订版代替修正.绪论在过去的几年中雷击对风车的损害已经被认为是一个日益严重的问题.涡轮机的数量日益增多，其安装高度导致雷击损坏已经超出了预期的维修费用所能接受的水平.风力涡轮机雷击故障可靠性运行能力变得和如何增大涡轮机以及涡轮机运行能力一样被关注.所以尤其是当多个大型风力涡轮机在一个风电场一起工作时，可能会由于一次雷击而造成多次损害，这样的情况是难以承受的.不同于其他电气设施，如架空线路，变电站和发电厂,保护导体是安装在设备的周围还是在上方也在探究中,由于它的实际大小和自然情况的不同，风力涡轮机碰到了不同的雷电防护问题.典型的风力涡轮机通常有两个或者三个叶片，距地面的高度达到100m或者100m以上。此外，还有广泛使用绝缘复合材料，如玻璃纤维增强塑料，作为承载零件.雷电防护系统已经被纳入到风力涡轮机中各个的部分，以确保所有可能被雷击点能够承受雷电电流的冲击，并且在不造成损害和干扰的情况下将雷电电流从雷击点安全引导入地.最后这份技术报告是用来告知在不同国家和地区的设计师、用户、经销商、认证机构关于风力涡轮机雷电防护的安装程序.风力涡轮机发电机系统第24部分:雷电防护范围最近几年,各大风力发电机制造商为雷电防护系统做出了不懈努力,一些新的经验和设计不断出现.所以选择一个比较好的时间来考虑和编写一个适合大部分制造商和运营商的关于风力涡轮机雷电防护的标准。基于以上背景，以下工作是组成一个新的工作小组，具体目标是准备一份技术报告,然后再考虑开发完全符合的标准:确定常见的与风力涡轮机雷电防护相关的问题;收集和整理现有的旧的和新的关于风力涡轮机设计方案;用合适的方法评估风力涡轮机雷电损害风险，从而尽可能地作出可靠的雷电防护成本效益评估;说明和叙述适当的风力涡轮机雷电防护系统组成，考虑到风力涡轮机在特殊自然情况和广泛应用时所使用的复合材料;编写一份技术报告阐述现在碰到的问题和解决方案，工作组需要确定和找出那些地方需要进一步研究和进行标准化工作.本技术报告的结构如下:第3章给出最新的雷击对风力发电系统的影响;第4章列出不同国家风力发电系统雷击损害数据;第5章描述风险评估;第6-10章讨论防止雷击损害的适当方法;第11章确定进一步研究的范围.TR61400-24TR61400-24IEC:2002(E)PagePAGEPagePAGE10of65定义为达到本标准的目的，应使用下列定义可接受的的雷电闪击频率acceptedlightningflashfrequencyNc)公认的每年最大的平均所能造成损害的雷电闪击频率。接闪器air-terminationsystem外部雷电防护系统LPS的一部分。连接导体bondingconductor将分开的装置的各个部分互相连接使他们的电位相等连接排bondingbar将金属装置、电力线路、电信线路和其他电缆与LPS连接的金属排危险火花dangeroussparking由导致受保护建筑物实体损害的雷击引起的电气放电建筑物直接雷击频率directlightningflashfrequencytoastructureNd)建筑物预期平均每年可能遭受的直接雷击的的次数引下线down-conductorsystemLPS的一部分，用于将雷电电流由接闪器引入接地体的装置向下闪击downwardflash在云和地表面之间由于向下引导发生的雷击。一个向下闪击含有一个首次短冲击，可随后发生后续短冲击，在一个长冲击之后可能随有一个或多个短冲击接地极earthelectrode接地装置的一部分或一组，用以直接与地面接触疏导雷电电流到大地接地系统earth-terminationsystemLPS的一部分用于引导和疏散雷电电流到地有效高度effectiveheight(h)风力涡轮机所能达到的最大高度，也就是从中心点的高度再加上叶片半径雷电防护系统效率efficiencyofLPS(E)平均每年直接雷击而没有造成损失与直接雷击的次数的比值。雷电防护系统效率（E）能够用拦截效率(Ei)和分级效率(Es)的乘积来表示，用来表示LPS雷电防护系统对直接雷击的防护能力等效截收面积equivalentcollectionareaAe)建筑物等效截收面积是指与建筑物具有相同直接雷击频率的大地上一个平面的面积外部的雷电防护系统externallightningprotectionsystem它由接闪器系统、引下线系统和接地系统构成。闪电电荷flashcharge(Qflash)在整个雷击闪电过程中雷击电流对时间的积分基础接地体foundationearthelectrode作为接地体的嵌入建筑物混凝土地基的钢筋或附加导体直接雷击损害频率frequencyofdamagebydirectlightningflashes建筑物雷击平均每年实体损害次数地闪密度groundflashdensityNg)关于建筑物所处地区，平均每年每平方公里所遭受的对地雷电闪击的次数拦截效率interceptionefficiencyEi)接闪器拦截雷击的几率内部防雷系统internallightningprotectionsystem在外部防雷保护系统下提及的所有的附加措施，包括等电位连接、适当的安全距离和减小雷击受保护的建筑物时引起的电磁干扰雷击防护系统lightningprotectionsystem(LPS)为减少雷电闪击对建筑物的实体损害所用的整个系统，它也包括建筑物外部和内部的防护系统。雷击电流lightningcurrenti)流过雷击点的电流LPS的天然组成部分“natural”componentsofLPS被安装的并不专用于雷电防护的导体部分，除可以用于LPS外，一些情况下，还可提供LPS部件的一项或多项功能峰值电流peakvalue(I)雷击电流的最大值雷电等电位连接lightningequipotentialbonding将分离的金属部件连接到LPS，这种直接的导电连接或通过浪涌保护器的连接使得雷击电流造成的电位差减少。雷击lightningstroke对地雷电闪击中的单个放电对地雷击闪电lightningflashtoearth在云和地表面之间源于大气的放电，它包括一次或多次闪击。雷击防护区lightningprotectionzone(LPZ)雷击电磁环境被定义和规定的区域长冲击longstroke在雷击闪电中对应一个脉冲电流的部分。此持续电流的维持时间Tlong(从达到10%数值至尾迹为10%数值的时间)典型的为大于2ms且小于1s(见.IEC61024-1)金属装置metalinstallations受保护建筑物内可能形成雷电流路径的扩展金属件，如：机舱底板、铁塔、金属梯子、电梯导轨、导线和互相连接的加固钢筋等多次雷击multiplestrokes平均由3-4次冲击组成的雷电闪击,典型的时间间隔为50ms雷击点pointofstrike雷击点为雷击闪电落在的地面上的一个建筑物或雷电防护系统的位置。保护等级protectionlevel根据其功效对一个LPS系统进行的分类损害风险riskofdamage建筑物由于雷击每年可能造成的损失（包括人身和财物）。安全距离safetydistance被保护的建筑物内两个电气连接导体之间允许的不发生火花击穿的最小距离短冲击shortstroke在雷击闪电中对应一个脉冲电流的部分。此电流的半值时间T2典型的为小于2ms(见IEC61024-1)分级效率sizingefficiencyEs)指雷击闪电被建筑物外部防雷设施截获且没有造成实体损害的概率比能specificenergyW/R)在整个雷击闪电过程雷击电流的平方对时间的积分；它表示雷击电流在一个单位电阻上能量的耗损。电涌放电器surgearrester用于保护电气设备防止瞬态高电压以及限制和阻断后续电流.术语“电涌保护器”包括所有外部串联的间隙，它安装的本质目的是为设备的正常运作服务的，而不论它是否作为设备的一个完整部件供应。浪涌保护器surgeprotectivedevice(SPD)为限制过电压并转移浪涌电流所用的器件，它至少含有一个非线形元件。雷暴日thunderstormdays(Td)在雷暴日地图上获得的每年雷暴日的数量。向上闪击upwardflash由向上先导发起的一个接地的结构对云层的闪击。一个向上闪击至少包含一个上面叠加或无叠加短时雷击的首次长时间雷击，其后可能有多次后续短时雷击并可能含有一次或多次长时间雷击。雷电和风力涡轮机闪电的特性一次雷电闪击可以看作是一个电流源。一次雷电冲击所记录的闪电电流的最大值在300KA左右。同样地，所记录的电荷转移和比能的最大值分别是400库仑和20MJ/Ώ。这种情况在全世界产生的几率很小。一般情况下峰值电流的大约是30KA，其电荷转移和比能的中值分别是5.2库仑和55KJ/Ώ。另外，雷击的电特性随着电闪的种类和地理位置而不同。雷电泄放形式和电学参数雷电在云层中的电荷分离之后产生，该过程在一系列出版物中已详述[11[2][3电荷被释放到地面或是附近云层时就会发生雷击。这一章是关于这些放电的开始过程，电荷在雷雨云和地面之间的转移。—次闪电放电通常由几个部分组成。通过同一电离路径的整个放电过程被称为闪电，其持续时间不超过一秒。闪电中的个别的放电过程叫做一次冲击。闪电放电有两种基本类型，向下发起的或者是向上发起的。向下发起的放电开始于雷云，朝向地面。相反地，向上发起的放电开始于地面的无遮蔽地点（如山顶）或是高建筑物的顶点，朝向雷云。通常，这些基本类型被分别叫做“云对地闪击”或“下击闪电”和“地对云闪击”或“上击闪电”。所有的闪电类型根据雷雨云的电荷极性被更加细分。负极性放电使负电荷由雷雨云流向地面。正极性放电使正电荷从雷雨云迁移至地面。大多数闪电放电是负极性放电，在所有的云对地闪击中，大约有90%是负极性的，而剩余的10％是正极性的。通常后者会出现更高的电学参数。每次雷击都由于雷雨云的自然变化而不同。例如，我们不能预知下次雷击的详细参数如峰值电流的大小。但我们可以总结出雷击电参数的概率分布图。雷电的参数的概率分布图过去习惯于在高塔采取直接测量的方法来获得[33][34]。而现在则是参考国家和全球已有的报告资料。这些报告资料中记录了已经发生的雷击的详细参数。雷电参数的概率分布图中记录了不同的闪电类型（上击闪电/下击闪电和正闪击/击）中雷击的电参数。在下文中给出了各种典型放电波形以及概率分布。给定的概率水平指出了在一次雷击过程中的电参数超过列表值的概率。依据经验去估算雷电参数超过特定值的概率的方法存在[4]。云对地闪击云对地闪击（向下发起的放电）最初成形是来自于云层内部的预击穿。现阶段物理学对这个过程还没有完全了解。而对发生在云层下部的电流释放过程部分了解得更多。云对地负闪击在负闪击情况下，阶梯先导从云层朝地面下来，每个阶梯约长几十米，间隔约50us。每个阶梯在极短时间内（典型为1us）能让电流高于1KA。先导通道经过充分的发展，电荷总量可以达到10C，甚至更多。通道直径达到十几米范围。阶梯先导的持续周期为十几微秒，这些微弱的先导通道凭肉眼是看不见的。在先导结束时，尖端可能有10MV电压，先导尖端接近地面会在陆地表面产生高压电场，当这个电场电压大于空气的击穿电压，那么地面或者地面的建筑物就会“回应”（上放电）先导发射电荷。这些上移先导一般称为连接先导。连接先导在确定目标的雷击点上起着非常重要的作用。当下降的阶梯先导遇到上移连接先导时，云到地的连续通道便形成了。这些电荷堆积在先导通道，向地面放电，电流波行在电离通道传播速度可达到1/3光速。这个过程叫做首次回击。首次回击的峰值电流可能达到几百千安培，持续时间也在几百微秒。整个过程见图1。图1—云对地雷电闪击形成过程随后，更多的先导/回击都会继续通过首次回击的的通道。这些后续先导叫做并发回击，在导杆的前端并发的回击闪电不会停止而会更快（持续时间为几毫秒）。这些连续回击中间间隔10ms到几百毫秒。通常平均来说，一次雷击包含3到4次回击（包括首次回击），这些回击组成了雷击的可见部分。在这之后回击闪电中的持续电流仍然通过原来的电离通道。回击闪电的持续电流具有很短的持续时间，和很高的振幅：平均电流振幅达数百安培，而持续时间可能只有数百毫秒。持续电流直接从云层传输大量的电荷到地面。大约一半的云对地闪电包含持续电流分量。图2展示的是一个典型云对地雷电负闪击图在阶梯先导和连接先导接触之后，第一个回击产生（在地面）一股持续数百微秒的高振幅冲击电流。电流峰值在几千安到100千安之间，中值大约是30（1）个回击之后，可能发生并发回击和持续电流。尽管通常并发回击的电流峰值比第一次回击低，持续时间比第一次回击短，但一般它们的电流上升速度更快。云对地雷电负闪击可以由以上提到的不同电流分量的多种结合而组成，图3中已示范。-i图2–典型云对地雷电负闪击图(没有按比率)表1–云对地雷电闪击参数变量闪击类型概率等级95%50%5%峰值电流kA首次负闪击143090后续负闪击4,61230正闪击4,635250总电荷aC首次负闪击1,15,224后续负闪击0,21,411正闪击2080350能比bkJ/首次负闪击6,055550后续负闪击0,556,052正闪击2565015000最大值di/dtkA/s首次负闪击9,12465后续负闪击1040162正闪击0,22,432a Qi(t)b Ei2(t第一个回击第一个回击和持续电流c）第一个回击和并发回击第一个回击和并发回击及持续电流图3——负极云对地闪电的典型外形（没有按照比例）云对地雷电正闪击与负极性闪电相反，云对地的正闪击由持续向下传播的先导产生，该先导并不显示清楚的阶梯。连接先导和回击相位与在3.3.1中描述的过程相似。云对地雷电正闪击通常只由一个回击组成，该回击之后可能有持续电流。云对地雷电正闪击所采用的雷电防护办法是相当重要的，因为电流峰值，电荷转移总数和比能都比负极闪电大得多。与负极首次回击相比，后续回击往往具有更低的电流上升速率。图4显示了正极云对地闪电的典型电流外形。典型电参数和负极放电的参数在表格1中都加以总结。图4——典型云对地正闪击图向上发生的闪电雷云中的电荷引起地球表面电场的上升，但通常不足以产生上移先导。尽管如此，电场可能在山地，置于高地的物体或者在高塔之类的高建筑物或者风力涡轮机上明显增强。在这些位置，电场强度可以增大到足以产生一次从地面向雷云的上移先导。高度超过周围地形100米以上的建筑物（如现代风力涡轮机）尤其容易受到向上发起的闪电。一个向上发动的闪击具有一个连续的电流相位。持续脉冲电流变成阶梯形（见图5）。连续的电流会随着并发回击在同样的通道内传播。在云对地闪击中，这些回击和并发回击非常类似（33）。向上发动的闪击和云对地首次回击的组成不同，向上闪击连接建筑物的位置与向上先导形成的位置是同一地点。图5——典型向上雷电负闪击图向上发起的雷电闪击参数一般在在易于发生雷击的高大物体上测量。例如加拿大的多伦多城市的CN塔，每年至少遭到50次这样的雷击。在[6][7]的报告中也详细记录了德国巴伐利亚的佩森堡电讯塔上产生的向上雷电闪击的形成和电参数。下面的这些资料中也涉及了向上负闪击，因为据观测，向上雷电正闪击实在是太罕见了。虽然当前大约10千安的峰值相对来说较低，但是在连续雷击的持续电流所转移的电荷高达如表格2所示的300库仑。向上发起放电同样也由上面提到的不同电流分量的多种组合物组成，图6所示。表格2——向上发动闪电电流分量变量最大值电荷转移C300总持续时间s0,5-1,0峰值电流kA20平均电流上升速度kA/s20电流冲击次数50只有（最初的）持续电流最初的持续电流加上叠加冲击c-d)最初持续电流加上叠加冲击和并发回击。最初的持续电流加上阶梯冲击并发正回击加持续电流6—不同形式的向上负闪击（不按比例）风力涡轮机的雷电防护—常见问题现代风力发电机的防雷问题通常不同于其他建筑物。需要解决下列问题：风力发电机的高度通常超过150m；风力发电机所在的位置通常易遭受雷击；风力发电机暴露在最外面的组件叶片和引擎盖通常由复合材料所制成不能承受直接雷击或传导雷电电流；叶片和引擎盖在旋转；闪电电流必须通过风力发电机组件传导至地面，在这里闪电电流的有效部分会直接通过或临近通过几乎所有风力发电机的组件；风场的风力发电机之间采取电气连接，并且通常安装位置的接地条件不是很好。众所周知，高大建筑物本身会影响雷击闪电的发生过程。建筑物高度超过60m时，会发生侧击，这时顶部雷击的少许百分比被侧击代替。这样的侧击也涉及到了风力发电机，即使做了防雷保护还是可能会使发电机的叶片雷击损坏。此外，部分向上闪击会随着高度的增加而加强，当建筑物高度超过100m时就会变成强雷击。风力发电机经常位于疾风区，例如象沿海地区，丘陵上或者山脊上。这样的位置经常是强雷击地区。由于风力发电机适宜安装得比周遭地区高同时远离其它高物体，它们更易于受到雷电袭击。安装在山丘和山脊的风力发电机的另一问题是接地问题。该地的土地传导性能相对来说通常较差。现代风力发电机的巨大风片通常是复合原料制造的，例如玻璃钢或者压缩木材。由这些材料构成的叶片很容易遭受雷击破坏，因为这些材料的导电性很差。因此，对风片采取防雷措施是非常必要的。一些引擎盖也是由玻璃钢构成的，因此也要防止直接雷击。事实上风力发电机的旋转电机引出了特殊的问题。由于叶片不停地旋转，使得叶片的多个点和多个叶片上有很大的风险遭受雷击。因为雷击是由几个分离电流脉冲组成的，持续时间达1s。这段时间足够多个风片遭受雷击（例如3叶片风力发电机的旋转速度为20rpm，风片的速度为120°/s）。当雷击叶片时，电流会通过整个风力发电机流入地面。包括轴承，中心和主轴承，传动装置，发电机轴承，台板，偏轴承和塔。雷电电流经过传动装置和轴承可能造成损坏，当然，在转轴和转轴道或者传动齿轮之间有润滑层。防雷技术在电气系统的利用和描述在标准IEC61024IEC61312中有详细记述。对于如下说明的事实必须作出特别考虑，与建筑物的电气装置相比，通过风力发电机的闪电电流将更接近电气系统，这也是一个关于人身安全的问题，因为它不太可能达到标准IEC610241.的最低安全距离的要求.现有涉及到防雷的IEC标准和技术报告表3所列的这些涉及防雷的标准和技术报告是IEC已经发行了的，同样，表4中列出的标准和技术报告发展不完善。这些标准中没有直接提到风力发电机的防雷，可是，这些原理可以在研究风力发电机的防雷措施中借鉴和参考。注意：表4的内容不是最新的。如有需要请参考IEC网站上的最新文档。随后是这些标准相对于风力发电机的适用性和缺点的总结。表3—IEC颁布的标准和技术报告标准号名称IEC61024-1Ed.1.0建筑物的雷电防护–第一部分:总则IEC61024-1-1Ed.1.0建筑物的雷电防护–第一部分:总则–A:防雷击系统保护等级的选择IEC61024-1-2Ed.1.0建筑物的雷电防护–第1-2部分:总则–导则B–防雷击系统保护的设计、安装、维护、检测IEC61312-1Ed.1.0雷电电磁脉冲的防护–第1部分:通则IEC/TS61312-2Ed.1.0雷电电磁脉冲的防护(LEMP2部分:建筑物的屏蔽、内部等电位连接及接地IEC/TS61312-3Ed.1.0雷电电磁脉冲的防护–第3部分:浪涌保护器的要求IEC/TS61312-4Ed.1.0雷电电磁脉冲的防护–第4部分:现有建筑物的保护IEC/TR261662Ed.1.0雷击损害风险评估IEC/TR261662-am1Ed.1.0雷击损害风险评估.修正No.1IEC61663-1Ed.1.0雷电防护–通信线路–第1部分:光缆IEC61663-1Corr.1勘误表1IEC61663-2Ed.1雷电防护–通信线路–第2部分:金属导线IEC610241详述了最大高度到60m的普通建筑物的防雷的基本原理和定义，它规定了建筑物防雷保护的设计，安装，检查和维护的有效的方法，当然，保护做得好坏主要还是在人的身上。但现在的风力发电机的高度通常超过60m，超越了标准的范围。然而，高度超过60m的建筑物将在IEC610241的第二版中找到解决办法。一般而言，这个标准没有给出可能和风力发电机有关下列项目：配电系统、发电系统、通讯系统、车辆和海上设施。IEC6102411介绍的方法是评估雷击对普通建筑物的危害和选择一个保护标准，可以人为的把雷击造成的损坏降到可接受的水平。IEC610241-2就是如何对普通建筑物进行防雷设计保护的指南。IEC613121为电气和电子系统提供基本保护，防止雷击产生的电磁脉冲感应电流和本身的雷电电流。这个标准不涉及运输工具和在海上的设备。有关电气和电子系统通过屏蔽、等电位连接、浪涌保护器（SPD）和接地装置所做的雷电电磁脉冲防护的更多的细节和应用实例，在国际标准IEC613122、IEC613123IEC613124IEC61312-5（4）中进行了阐述。技术报告IEC61662中列出了由于雷击引起的损害的风险评估的详细的方法。它包含了从可靠性和经济性上的考虑，从而补充了IEC61024-11标准。IEC616631和IEC61663-2用于通讯系统的防雷保护。最后，技术报告IEC61819（见表4），给出了基本参数，用于在实验室环境下，模拟测试防雷保护系统部件（包括SPD）所遭受的雷击影响。报告特别关注对于防雷保护系统部件的测试，例如风叶保护系统。表4—IECTC81发展过程（2001中期）注： 表4并不是最新的国际标准，请参考IEC网站上发布的最新标准。出版号标题IEC61024-1Ed.2.0建筑物的防雷保护—第1部分：通过LPS防止物理损坏和生命危险，ADISIEC61312-3-am1TSEd.1.0IEC61312-3标准的修正：建筑物中SPD的配合应用，ACDVIEC61662Ed.2.0雷击风险的管理，ACDVIEC61819TREd.1.0模拟防雷保护系统（L.P.S）部件影响的测试参数，APUB雷电损坏统计风力发电机机遭雷击损坏数据风力发电机数据库由欧洲几个国家提供，其中包含了超过4000台风力发电机的数据。原始数据通常由风力发电机的所有者和操作者以月报的形式提供出来，或者自愿提供或者国家有需要并通过专门的资助来提供。基于政府或通过资助的形式，组织机构把这些月报表或年报表整理到一起。从这些数据中把雷击引起的事故或损害编辑汇总，并在这里提供出来，有助于识别雷击的风险。这有助于风力发电机制造商和其用户评估和说明其防雷保护系统。损坏统计损坏事故频率在报告人记录的数据库中风力发电机损害的事故，主要是由雷电造成的直接和间接的损害。表5是德国、丹麦和瑞典三国，这些事故的汇总表。包括由雷击导致风力发电机损坏，由每100台每年39次上升到8次。从统计数据上显示，在北欧的风力发电机组中，每100台每年有4-8台遭受雷击而损坏。表5-雷击损坏频率表国家日期风力发电机数量容量（MW）涡轮/年度雷击事故每100台/年损坏量德国1991-1998149835292047388丹麦1990-19982839698220008513.9瑞典1992-19984281781487865.8这些统计的数据，当然也受很多变化的因素的影响，其中包括当地雷电活跃程度、风力发电机的整体高度、风力发电机的保护程度（在雷击事件中，如风力发电机被很好的保护，并没有受到伤害，这种情况在数据库中是不会出现的）和所处的地形。受当地地形和地域风险的影响情况见表6（德国）表6-受地域影响的雷击损坏统计表（德国）地理位置发电机组数量o量MW涡轮机数量雷击事故每100台/年损坏量直击雷损害率感应雷损害率沿海区域61617840182235.633.6%65.9%北部低地5198832132397.423.4%76.6%较低山区36386197327714.030.3%69.3%总计149835292047398.029.1%70.6%主要是由感应雷造成的设备损害，由于有外部防雷装置，不易遭受直击雷。从上表可知，风力发电机安装在较低山区（每100台/年损坏量）比安装在沿海地区遭雷击损坏风险更高。（更多细节请参考4.4）风力发电机各部件损坏情况详细分析风力发电机的各部件遭雷击损坏的情况，为雷击风险评估程序提供了条件（见第5条）。图7的棒状图中显示了几种部件遭雷击损坏的关系，数据来源于德国。图8用相同的图分析了丹麦的统计数据。值得注意：虽然损害部件是不相同的，但在所有报告的雷击损害部件中占40-50%的是控制系统部件。故障率% 故障总数：1032403020100控电发齿叶制气电轮片系系机箱统 统 动器

偏液传驱轮结航压感动毂构系系器机件统统车图7—遭雷击损坏部件图（德国）故障率% 故障总数：1017 60 40200控电发齿叶机偏液轴塔整其制气电轮片械航压承筒个它系系机箱制系系风统统动器统统机图8—遭雷击损坏部件图（丹麦）瑞典的统计数据见表7。数据表明，雷击损坏部件中43%是控制系统，平均每100台/年有5.8台因遭雷击而损坏。应该注意的，在这个统计数据中，在配置顶端制动的风力发电机中叶片损害占47%。类型台/年雷击故障100/故障率系统故障100年/次叶片控制系统电源系统其它顶端制动586437.30.73.12.41.2非顶端制动901434.80.32.21.30.9总计1487865.80.42.61.71.0表7—雷击事故统计表（瑞典）风力发电机功率大小与出厂年限分析评估某功率风力发电机的各部件遭雷击的损害情况是必要的。从它可以看出，新近安装的风力发电机都是高度更高和功率更大，防雷保护效果更好。由于这个原因，450kW以上的风力发电机被认为是最近修建的。这些风力发电机组也反映出其防雷保护系统在逐步改善。在图9（德国）和图10（丹麦）中用450kW作为分界，显示了新建和过去建设的风力发电机各部件的雷击损害情况。控电发传叶机偏液传传主结制气电动片械导压感动轴构系系机箱制系系器系件统统动统统统图9—遭雷击损坏部件图（德国）值得注意的是，新生产的风力发电机和旧的风力发电机遭雷击损害的模式是不同的。旧的风力发电机最常见的损害是控制系统，而较新生产的风力发电机最常见的损害的是风叶。这表明近年来控制系统的防雷保护已取得明显的改善。控电发齿叶机偏液轴塔整其制气电轮片械航压承筒个它系系机箱制系系风统统动器统统机图10—遭雷击损坏部件图（丹麦）损坏的维护费用来自德国的统计数据，在表11中显示了平均每个遭雷击的部件的维修费用（用马克计算）。这来自于更换和维修费用的报告，其中包括人工费、部件费和吊装费等等。到目前为止，叶片损坏的维修费用最昂贵，较大功率的风力发电机大部分部件维修费用都是最高的。轮叶发电传控齿机驱液偏结毂片电气感制轮械动压航构机系器系箱制机系系件统统动车统统器图11—不同功率风力发电机的部件维修费用（德国）对发电量的影响风力发电机遭雷击损坏后，由于故障损害的分析和后续的维修，会有一段时间的停工期。由这个停工期会造成发电量的损失，继而减少了发电机所有者经济上的收入。图12显示了这种故障的平均停工期，分别以各部件损害的情况来统计（数据来源于德国）电机和叶片的损坏造成了很长的停工期，这可能是由于部件的订货期和运输期造成的。令人惊讶的是，控制系统的维修也造成了较长的停工期。轮叶发电传控齿机驱液偏结毂片电气感制轮械动压航构机系器系箱制机系系件统统动车统统器图12—不同功率风力发电机部件维修的平均停工期（德国）这里还有一个令人关注的，就是由雷击损害和其他故障造成的设备停止工作时电力损失的比较。在表8中列出了这个比较的数据（1992-1997年，丹麦）。毫无疑问，雷击故障比平均其它故障造成的停机影响都大。表8与其它故障相比较所造成的电力的损失和停机时间故障雷击事件数量平均风力发电机组停机时间平均电力损失kW/hDKDKDK所有故障10192912249雷击故障4611103200与平均故障的差异率—+20.8%+42.3%雷击事故分布的季节性这个报告无论拿到何处去讨论，都包含雷击行为的季节性。雷电的活跃性和雷击事件都随季节和年度而变化。图13显示风力发电机雷击事故与每年雷暴日天数的关系（麦）。图13—年雷电活动的变化和遭成的损害（丹麦）在丹麦和德国的数据（图14和图15）中，显示了这种一年之中的雷击损害事故的变化。可以看出两个国家冬天的雷电造成相对较多的雷击事故，而在雷电活动频繁的夏季却造成较少的雷击事故。图14—一年内雷击造成的事故（丹麦1990-1998）图15—一年内雷击造成的事故（德国1991-1998）数据库的优点和缺点在装机数量众多的瑞典、丹麦和德国，这些风力发电机操作和维护的数据是很有用的。这些数据用在解释雷击损害数据上，既有优点，也有缺点。概要上述三个国家数据的分析结果可能是不同的，主要由于下列因素所造成的：风力发电机高度的不同；风力发电机的防雷保护水平不同(发电机或特定的场地)；当地的供电系统对雷电流的传导特性(如架空线)；当地雷电强度的不同或地形的差异；实际报告中的误差和报告可信度的差异。—次雷击可能会造成多种部件故障。这些虽包括在数据处理之中，操作者怎样报告损害事故却是十分不确定的。同时，这些数据库本身仅仅是一个问题或故障被报告（如果风力发电机不能自动重新启动）。结果，对于保护完善的发电机遭受直击雷或感应雷却没有报告。因此用这些数据来量化雷击风险有被低估的趋势，尤其是近期安装的风力发电机组（其防雷保护更好）。丹麦在丹麦安装的5000台风力发电机组中，2/3有着相当全面的操作和维护记录。这些风力发电机记录是由下面机构维护的：EnergiogMiljoedataNielsJernesVej10DK9220Aalborg，Denmark这在windstat杂志上经常有报道。德国德国的雷击事件数据来自于"250MW-Wind"项目，同时伴随有科学的度量与评估项目WMEP)。此项目由下列机构来操作：InstitutfürSolareEnergieversorgungstechnike.v.(ISET)Kǒnigstor59D-34119Kassel,Germany所有的风力发电机操作者在这个项目的资助下，在为期10年内必须把发生维护和修理的报告，以最短的时间发送给ISET组织。这些报告内容中包含需要填写风力发电机事的案例，包括假定是由雷击造成的事故。由于参加WMEP项目并受到资助的操作者的职责，在正在运行的项目中始终保持数据的核对，因此这些数据有着相对较高的可靠性。瑞典瑞典风力发电机的所有者必须每月递交维修及生产进度报告，这个瑞典的数据库由如下单位维护：SwedPowerAB,VindstatistikP.O.Box527S-16216Stockholm,Sweden结论和建议结论以上数据着重强调了改进对风力发电机组的防雷保护的必要性。这些报告中的数据显示：北欧国家的风力发电机组，每100台/年遭受了48次雷击事故。在德国的较低的山区安装的风力发电机，出现每100台/年遭受高达14次雷击事故。在所有的雷击事故中叶片损坏的占7%-10%。在所有的雷击事故中控制系统损坏的占4351%。在所有的雷击事故中电源系统损坏的占2032%。与发电机的平均其他故障相比较，雷击故障造成40%以上电力损失及20%以上的停机时间。尽管叶片损坏是维修费用最高的损坏类型，但到目前为止最常见还是对控制系统的损坏。然而，有一些相关的数据还是应该引起注意的。下面举一些例子：当地雷击频率有很大的差异，甚至在同一个国家或地区。对于防雷保护很好的风力发电机，在遭遇雷击（直击雷和感应雷）后，如果没有故障，在此数据库中是不会显示的。这些统计的数据还受风力发电机高度的不同，防雷保护水平的不同，和当地地形不同的影响。实际报告中误差也影响这些数据统计的结果。数据库的完善为了更好地理解各种损伤机制的影响，在风力发电机所有者的报告中包括更多的成本信息将是非常有益的，这并非总是可行，但是在可能的情况下还是会提倡的。附录A是一个推荐的雷击损害调查表，用这个推荐的调查表能使各个国家的维护数据以相同的报告形式汇总。５风力发电机遭雷击损坏的风险分析引言任何防雷保护系统的设计，都应把雷击的风险和/或对建筑物的损坏作为问题来考虑。任何建筑物遭雷击的风险都是一个有关建筑物高度、当地的地质情况以及当地的雷电活跃程度的函数。雷击损害可能是以跨步/接触电压对人的危害或由雷击引起的爆炸和火灾的形式。雷电损害还可能对建筑物或其内部造成物理性的损坏。在尽可能的情况下应该收集当地的雷电活动的有关信息（例如冬季的雷电对高纬度地区有着特殊威胁）。所有的防雷保护系统的目的都是将雷击损害减少到可承受的水平。可承受的水平是以有关人身安全可接受的风险为基础。如果不需考虑人身安全，或者这种损害风险比对人身可接受的风险还要低，那么任何分析都是只从经济性上考虑的。这只需要通过评估防雷系统的成本和所能预防的雷灾损失的费用对比来分析。国际标准IEC61024-1-1和技术报告IEC61662这两者都包括关于建筑物雷击风险评估的一些资料。在这些出版物的资料中囊括了针对风力发电机的雷击风险的重要结论。然而这些标准或技术报告对雷击风险的分析都是有局限的，还不能够作为实际应用的例子，应该参考全部的标准或技术报告来分析。风力发电机遭雷击频率的评估任何关于雷击风险评估的第一阶段都是雷击频率的评估。IEC6102411标准提供了怎样评估雷击频率的指南。评估建筑物的雷击频率需要收集当地的雷击密度（Ng）的详细资料。国家的有关机构也许能提供此类信息。如果没有雷击密度的资料，可通过下面的关系式来估算：N0.04*T1.25

(1)g d在这里Ng 为每平方公里年平均雷击密度；Td 为年雷暴日数，来自于雷暴分布图（通常是国家气象组织提供的有效数据）建筑物的年平均遭受的直击雷频率可由下式估算：NdNg

*

*106

(2)在这里Nd 为建筑物所遭受的年平均直接雷击数量；Ng 为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度；Ad 与建筑物截收相同雷击次数的等效面积；Cd 为环境因数。风力发电机在平地上安装时适合取Cd=1，在山地或山坡上安装时适合取Cd=2。建筑物的雷击等效截收面积定义为具有和建筑物同样年平均雷闪频率的地表面积。对于孤立建筑物，等效截收面积为，从建筑物的最高点按1：3的斜率做一条直线与地表面成交点，并围绕建筑物旋转一周，在地表面所包围的区域。建议所有的风力发电机的模型都用与风叶转轴高度相同的杆塔再加上叶轮半径来模拟。这对配置任何类型的叶片包括非导电材料如玻璃钢制成叶片的风力发电机都成立。图16显示了一个置于平地的风力发电机机的等效截收面积。很明显这是一个3倍于风力发电机高度的圆。图16—风力发电机的等效截收面积在估算安装在平地上的风力发电机的年平均雷击次数时，可以使用下列等式。NdNg9πh2×10-6 (3)在这里h为风力发电机的有效高度（单位：米）IEC6102411标准提供了在风力发电机安装于复杂地形或接近其他的建筑物时的评估指南。5.3IEC61024-1-1标准的应用在建筑物的雷击频率估算出来之后，就应当为其选择一个合适的防雷系统。一个设计失败的防雷系统将会导致众所周知的危险事件，例如可能会导致人身伤亡，可根据国家或当地的法规或权威机构的要求，设定允许的年平均危险事件数量。如果雷击造成的损失仅为纯经济性的，可由建筑物的所有者来设置允许的年平均雷击危险事件数量。被允许的危险事件数量通常是变化的，这由建筑物的使用类型、位置、结构以及在一定的给定时间的建筑物内部或附近人员的平均数量来决定。IEC6102411标准阐述了被允许的危险事件数(Nc)必须大于或等于建筑物年平均直接雷数量(Nd1减防雷系统的效率（E）的乘积。Nc≥Nd×(1E) (4)在这里E 为防雷系统的效率；Nd 为建筑物年平均遭受直击雷数量；Nc 为年允许的危险事件数量。根据IEC610241的概念，避雷系统的效率为两个独立的效率：拦截效率（拦截雷击的能力）和分流效率（传导雷电流的能力）的乘积。最小的防雷系统的效率可根据下式定义：E1NcNd

(5)注：在新版本的IEC61024－1中，E的定义如下：E1/在这里Rd 为雷击损坏风险概率；

(6)Ra 为可接受的雷击损坏风险概率IEC610241定义了从I级到IV级四个雷电防护系统等级。在表9中列出了这些级别的效率。表9雷电防护等级防护等级拦截效率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，越有效的防雷系统引下线的直径越大，接地系统越大（为改善其分流效率）且设计时将要增加材料的量和/或减小交叉点的间距（为改善其拦截效率）。表10中列出了各级别防雷系统所对应的雷电峰值电流、比能、电流上升率以及传递电荷量。表10各雷电保护水平对应的雷电参数的最大值防护等级峰值电流kA比能KJΩ-1平均电流上升率kA/us总传输电荷CI20010000200300II1505600150225III1002500100150IV例如，一个Ⅰ级的雷电防护系统必须能够承受峰值为200kA的雷电流而不受损害。例如：一个转轴高度为60m，叶轮直径60m的风力发电机，安装在雷击大地密度为每年每平方公里0.2次的平坦地区。被允许的年危险事件几率为1/100000（在英国应用的标准）。由于风力发电机不会包含超过1％的针对工作人员的危险事件，其允许的危险事件数可以改为1/1000（100000乘以11去除）。首先需要确定估计的雷击频率。 (7)雷电防护系统(LPS)的效率必须是保证每年发生危险事件的几率不超过1/1000。因此，可确定要求的LPS的效率。 (8)因此在这种场所，需要安装一个LPS效率为978%的，雷电防护等级为Ⅰ级的防雷防护系统。IEC61662的应用IEC6102411允许为一特别的对象提供防雷保护系统等级的评估，如需要对建筑物的雷电防护系统的要求进行更精密的分析，可通过使用技术报告IEC61662来完成。IEC61662允许在安全或费用方面对直接雷击和间接雷击（电磁耦合、传导过电压等）损害进行风险评估。用和IEC6102411类似方式去计算建筑物的雷击风险水平，并和可接受的风险水平相比较。如果计算出的风险水平超过可接受的风险水平，尤其是当这种风险会危及人身安全的时候，建筑物的防雷系统必须改进。避雷系统最大的花费可以根据每年安装的防雷系统的费用和每年因此而减少的雷灾造成损失的费用相比较来确定。这类分析可以在人身安全风险为零或低于可承受的风险时进行。出于对风力发电机保护的目的，可采用下面的标准。当风力发电机遭受直击雷损害时，可能出现一种或多种破坏形式：由于过高的跨步或接触电压导致的人身伤害或死亡、击坏设备、或发生爆炸和火灾；内部金属部件的火花引起的火灾/爆炸;风力发电机内部电子器件的过电压损害；对叶片的雷击损害2这类损害已经添加到计算中了，但在技术报告IEC61662中没有出现。一个修改该标准来计算这类损害的方法已经阐述了。直接雷击损害总是与正被讨论的建筑物接收的雷击频率成比例的。相反,当雷击附近的物体或地面时会发生间接雷击损害。这是由下列情况引起：由入户设施引发的火花引起的火灾/爆炸入户设施的电势升高导致的过电压损害；磁场的耦合导致的风力发电机内部电势升高引起的火灾/爆炸以及过电压损害。间接雷损害的频率根据附近的雷击数量和入户设施遭受感应雷击的数量而变化。如果总的雷电损害的频率高于可接受的水平，必须采用更好的措施，比如安装更好的避雷系统。一旦导致人身损失的雷电损害频率减少到低于可接受的频率，就可以执行以费用为中心的分析。每年在避雷设施投入的费用，不应超过年雷击造成损失的费用（雷电损害的频率乘以它的成本）。如下式：(9)这里Ftotal为年雷击造成损失的频率closses为每次雷击损失事件的平均成本。IEC61662给出了风力发电机避雷系统的每年投入费用，可用下面的公式（10）来计算。这个等式涉及了风力发电机防雷系统的总成本Cpm、包括在风力发电机的寿命周期中每年分摊成本的比率(a)、利率(i)以及维护率(m)。把式（10）代入式（9）中，得出式（11），从而可计算出在风力发电机的防雷保护系统中可经济性地投入的最大费用。(10)(11)在这里cpm为风力发电机避雷系统的总费用；a为每年分摊成本比率；i为利率；m为维护率此计算方法未考虑可接受的风险水平的因素，只是纯粹从经济性上来分析。由于叶片的损坏的费用和控制系统的损坏的费用不同，因此建议把防雷保护的成本分解为叶片防雷系统成本和控制系统防雷系统成本两部分。这两者中，由于年雷击损坏频率不同，因此预期的损失费用也不同，下面给出了这种分析的例子。叶片防雷保护系统成本的分析用前面提到的转轴高60m，叶轮直径为60m的风力发电机来举例。年预计雷击次数为0.046次/年。假定风力发电机遭受的雷击风力发电机收到的所有雷闪都和叶片有关。对于一个没有防雷保护的风力发电机，我们假定每次雷击都造成叶片严重损坏到需要更换的程度。如果我们能增加防雷系统的安装，每增加1%都会导致雷电灾害损失数额的减少，通过下式可以计算：在这里：Np为的叶片防雷系统效率的1%所能预防的年发生雷击损害叶片的预计数量。每1%防雷系统效率的增加都将会导致年雷击造成损失的减少。这里有一个成本与相关节约费用的关系式。在这里Csaved为由年雷击损害率下降所节省的费用；Cdamage为由于雷击损坏更换叶片的成本。叶片的损坏的成本可以用风力发电机成本的百分比来替代。如果单个叶片的成本为风力发电机成本的5%，那么上面的等式可以重写为下式：在这里Cturbine为风力发电机的成本。只有在风力发电机的寿命周期内，每年在安装叶片防雷系统投入的费用小于安装防雷系统后节约的费用时才是经济的。从前面的描述的式子，可以得出：举一个a=4%，i=8%，m=1%的例子。其中Csaved使用前面得出的表达式：现在得出了叶片防雷保护系统效率的1%对应的最大成本与风力发电机整体造价之间的函数关系的表达式。该表达式可以更进一步简化：这个表达式表明了风力发电机的细节，叶片防雷系统效率的1%所对应的最大成本是风力发电机总成本0018%。我们可以说,在一个相对低的年雷击大地密度为0.2次/km2的地区，按照第二类防雷建筑物(效率为95%)安装的风力发电机叶片防雷系统的造价可达风力发电机总成本的1.7%(950018=17%)。关于风力发电机控制系统防雷保护成本的分析与风力发电机叶片雷击损坏不同的是，雷击对控制系统的损害有很多直接或间接的因素。由于风力发电机控制系统具有分散性和各异性，这使得对风力发电机控制系统的雷击防护成本的分析变得更加难以完成。用前面讨论过的风力发电机举一个例子。风力发电机每年会遭受0046次直击雷，而风力发电机会遭受感应雷击的数量则更多。风力发电机安装地的土壤电阻率为250Ωm，电力线缆及SCADA系统的金属线缆从涡轮机延伸至1km以外的变电所。IEC61662标准中表明这些设备都可能被一定数量的雷击所影响。年雷击影响输入设施的平均值Nk，可以根据下列式子进行估算：在这里Ak是设备受到影响的区域，单位为km2，包括设备本身的等效截收面积和应该考虑到的所有连接到该设备的临近建筑物的等效截收面积。IEC61662中给出了一个估算Ak值的程序。在给出的例子中，电力线缆将会受005平方公里区域内的雷击影响，而数据线缆将会受1平方公里区域内的雷击影响。因此影响这些输入设施的所有雷击数分别为电力线缆每年001次，数据线缆每年0.2次。与估算的年雷击频率0046相比，很明显数据线缆受雷电影响大约是风力发电机本身的4倍。如果使用一条没有金属屏蔽光缆的话，雷击次数对数据线缆的影响值将减少到零。在IEC61662（修正1）中提到了关于磁场耦合造成更多损害的原理。结论是雷击对风力发电机控制系统的损害几率远大于对叶片本身损害的几率。早期的有关叶片损害的分析显示，防雷保护投入的成本是与设备损坏费用和频率是成比例的。风力发电机控制系统的损坏率比叶片的损害率将会增加，但是这种损失的费用将下降。从经济角度来说，风力发电机控制系统的防雷保护系统效率的1%所能起到的最大成效，取决于风力发电机的准确配置，有一些超过了此报告所讨论的范围。风力发电机叶片的防雷保护叶片结构现代的风力发电机的叶片是由合成材料制造成的巨大的中空结构，例如玻璃钢GRP、木材、压合木板、碳化塑料CRP等，CRP是一种典型的用于加强叶片的结构或特殊的部件，例如带顶端刹车（安装在顶端的刹车机构）的叶片轴承系统。某些部件和分散的部件，例如法兰装置，平衡校正,折页，轴承，电力配线，弹簧和固定装置等都是金属制成的。在过去有一部分观点认为非导电材料制成的叶片不会遭受雷击，但是实践中显然证明这种观点是错误的。雷电确确实实击在了没有任何金属成分的叶片上，并且无论何时，一个雷电弧对叶片内部都会造成的严重的损坏。叶片的两面或者叶片的外壳，通常由采用玻璃纤维或者其它合成材料片沿着叶片顶端到边缘粘合在一起的，叶片的内部承重结构是采用玻璃纤维制成。在叶片内部，沿着叶片的表层、内部直至叶片的全长都分布着许多巨大的空气填充的孔状结构。依据控制和制动系统的不同，叶片分为几种型式。图17中是主要的四种型式。A型在叶片前端使用了一个副翼作为减速装置。对于A型的叶片，雷击点经常出现在副翼的金属铰链上，并且由于操作副翼的金属控制线不足以传导雷电流，因此经常造成叶片的严重的损坏。图17风力发电机叶片的类型B型叶片是借助离心力来控制弹簧来调整叶片的顶端制动，从而降低过快的转动速度。对B型叶片来说，雷击点主要在叶片的最远端几十厘米的范围内，或者在离叶片轴最远端位置的叶片边缘。从雷击点开始，一个电弧在离叶片轴的最远端区域的叶尖内部形成放电，而且，在其他叶片尖端到叶片底部的金属法兰，也会在叶尖远端形成电弧。这些内部形成的电弧常常会造成叶片灾难性的损坏。A型和B型叶片通常被使用在一些早期生产的如100KW这样的风力发电机上。C型是一种采用金属线控制顶端制动的新型叶片。C型叶片遭受雷击点主要在从叶片最远端起几十厘米处，或者在叶片轴承的外部边缘部位。对C型叶片和B型叶片，由于雷击，在叶片内部从雷击点到转轴处叶片的外边缘之间会产生电弧，并导致叶片严重损坏。对C型叶片而言，常见的主叶片雷击损坏，是由于内部钢质线不能承受雷击电流造成的。当考虑到被用来承载雷电流时，对于长17m的叶片，内部钢质线的最小直径应该选用10mm到12mm。这种金属线可以承受大部分的雷击电流，因而可以保护叶片免遭雷击损坏（对于所用材料尺寸的深入讨论见6.5）。D型叶片完全采用非导电材料制成。这类型的叶片，雷击点主要集中在接近叶片尖端的部位。与其它类型的叶片相比较，D型叶片的雷击点有时也会随机地出现在沿着叶片长度的其它部位。雷电打击在非传导材料制成的叶片上的事实至少可以部分地被解释为是因为随着时间的推移，叶片上附着的尘污和水会使得叶片产生一定的传导性。高压实验室试验证明电弧发生在喷了盐水的非传导叶片上面，叶片就仿佛是金属的[9]。解释的另外一部分是：雷击涡轮机最简单的途径是通过叶片，另外，沿着一个表面形成放电比通过击穿空气形成放电要较为容易。无论如何，事实证明，非传导材料制成的叶片（型号D）发生严重的雷击事故是非常普遍的。叶片损害机制雷击叶片的典型的损害类型是合成材料的断裂或者烧毁，或者是作为雷击点的金属部件的发热、熔化。风力涡轮机叶片最严重的损害是由于雷电在叶片内部形成电弧所导致的，在叶片内部的空气腔体或者是其内表面都有可能形成电弧。叶片另外一种可以见到的损害是由于雷电流或部分雷电流在复合材料的层与层之间的传导造成的，大概是由于这样的材料层之间保持了些水气。内部的电弧会引起压力冲击波使叶片爆炸，沿着叶片的边缘和内部的加强杆撕裂叶片的外覆层。从表面破裂到叶片全部瓦解，所有的等级的破坏都可以见得到。在某些情况下，压力波会从被雷击的叶片通过Hub，并且传播到其它的叶片，导致其它叶片的损坏。内部的电弧经常形成在叶片的顶端的雷击点和叶片内部的导体部分之间。对C型叶片来说，破坏一般都限于顶端部分，叶片的主体部分是没有损坏的。对C型叶片主体部分的破坏一般都是当电弧在主叶片内部形成时，尤其是当控制顶端刹车系统的金属线是不足以传导从转轴到轮毂的雷电流时候。而对于A型叶片，通常都是主叶片被毁坏。风力涡轮机叶片严重的结构损坏现象的原因是，由于雷电在叶片内部引起的电弧周围形成了一个压力冲击波。当雷电弧形成在叶片外部，或者当雷电流通过横截面积不足够的金属部分传导的时候可能会发生轻微的损坏。风力涡轮机叶片的防雷保护一般性的问题风力涡轮机叶片的雷击保护的一般原理是，將雷击电流从雷击点安全地传导到轮毂，用这种办法，可以避免雷击电弧在叶片内部的形成，可以使用固定在叶片表面或者叶片内部的金属导体，来达到使雷击电流从雷击点沿着表面转移到叶片根部的目的。另外一个办法是在叶片表面材料上增加一层导电材料，这样使得叶片有充足的导电能力，来安全地把雷电流传导到叶片的根部。这两种办法的衍生办法已经被应用在风力涡轮机的叶片上（间图18）。叶片表面或嵌入叶片表面的接闪系统在叶片表面，被用来作为接闪器或引下线的金属导体，，必须有足够的横截面积，以能够承受直接雷击，并且导走全部的雷击电流，除此之外,金属导体尺寸不能太大，以便能够可靠的固定在叶片的表面。铝材的最小截面积是50mm2，要把这样的金属材料可靠的固定在叶片表面，可能有些问题。此外,安装在叶片表面的金属物可能会影响叶片的空气动力功能，或者产生讨厌的噪音[10][11]。叶片内嵌的传导材料，是由铝或铜制成金属线或者金属编织带。在参考文献中，讲述了不同的保护系统，连接到叶片底部的金属导体沿着叶片的边缘被放置在叶片的表面，或者被嵌入在叶片的边缘。某些叶片（C型）既有沿着叶片轴线的金属导体也有沿着叶片边缘的金属导体。另外有些情况下，在叶片的表面的不同位置环绕叶片设置了一些金属分流器，它们中的每一个都连接到叶片边缘的导体上（11、12、131415）。胶粘金属带和分段分流器在几项研究中，將胶粘铝带粘在叶片的表面，然而，这些金属带会在几个月内脱落（12、16）。如果这个问题被解决，胶粘金属带可能会是一种被广泛注意的保护办法，尤其是对于现在没有被保护的叶片。然而，应该指出，闪电在叶片表面附近产生的巨大的压力波可能导致结构损坏。最近，已经进行了一些关于分段分流条的有前景的试验（17、18）。一些分段分流条已经被应用在了航空器雷达罩，因为它们因为它不会干扰雷达信号。然而，没有分段分流条用在风力涡轮机的叶片的报道。金属带和分段分流条可能会用在风机上作为一次性保护器件，在雷击后需要更换。内部引下系统关于导体安装在叶片表面上的问题的一个解决方案是將导体放置在叶片内部，导体的金属固定装置穿透叶片外壳和作为离散的雷电接闪器。这样的保护系统被应用在了航空器上。[10]现在制造的许多叶片（A型和B型）的防雷系统在叶尖有离散的雷电接闪器，叶片内部的引下系统將雷电流从叶尖接闪器传导到叶片根部。对于有叶尖制动器的叶片，金属线被作为了下引导体使用（A型）。如果叶片没有叶尖制动器，一条沿着内部支柱放置的铜线被作为下引导体（B型）。在最近几年，数千个带有防雷保护系统的叶片被生产。像20m长的叶片的雷击保护系统的早期经验是依然可以使用的[19]，然而，更长的叶片在生产的方面的经验是不足的。表面传导材料在叶片表面安装雷电接闪系统的一个替代的办法是使得叶片表面自身能够导电。在飞机制造业，玻璃、碳纤维合成材料制成的机翼以及暴露在雷电中的表面的防雷是通过在外层增加导电材料来完成的。这样可以將损坏减少在雷击点的小范围之内。导电材料可以是喷涂在叶片表面的金属层、在合成材料外层的金属纤维层、附在合成材料外层的金属网、或者只是被嵌入在叶片表面下的金属网[10][1521]and20]。现在制造的风力涡轮机叶片的防雷保护已经开始在叶片两侧面的胶层下面放置金属网(figureD)。有时叶片的顶端也是用金属制成或者覆盖金属层。拦截效率使用在叶片表面安装离散的接闪系统的防雷保护方法的拦截效率是一个问题。实心导体、叶片表面的分段分流器以及离散的接闪器，必须以特定的方法来安装，使得叶片表面没有保护的区域在受雷击的可能性减低到一个可以接受的水平。给出了拦截效率的离散接闪器的间隔等于实心导体的一种理论间隔，在这个间隔上沿着叶片表面的闪络电压应小于叶片外层的击穿电压。实践中，叶片外层的的击穿电压和表面的闪络电压的变化是很难确定的，这是由于使用了不同的合成材料，同时材料的老化、破裂、潮湿和污垢的影响必须考虑。此外，分段分流器和离散的接闪器的拦截效率，也会被叶片内部传导材料的存在影响[10]。例如，在飞机雷达罩上，实心导体以30cm到60cm的间隔距离被安装在了表面，然而，这个的拦截效率也不是100%的，被保护的飞机雷达罩也偶尔会发生穿洞。安装在雷达罩内部的导体由于机械原因，导体要每隔15cm固定一次，固定器升出外面同时作为接闪器来使用。对于长度在20m以内的叶片，似乎叶片顶端的接闪器是足够的了，而对于更长的叶片，要获得理想的拦截效率，可能需要不止一个接闪器。对于超过20m的风力涡轮机的叶片的雷电接闪系统的实践经验文件和进一步的研究也是必要的。材料规格被用作风力涡轮机叶片的雷电保护系统的材料应该可以承受通雷击电流引起的电效应、热效应和电动力效应，用于雷电接闪器和下引导体的最小尺寸见表11。(见IEC61024-1).表11–雷击保护系统材料的最小尺寸材料接闪器2mm引下线2mm铜3516铝7025铁5050此外，考虑到电气效应和电动力效应以及可预见的偶然压力，IECTC81对于材料尺寸的建议如表12所示（或者见IEC61024-1)。表12–防雷保护系统材料建议的最小尺寸材料结构最小截面积2mm实心带50铜实心圆导体多股线5050用作避雷针的实心圆导体200实心带70铝实心圆导体50多股线50实心带50铝合金实心圆导体多股线5050用作避雷针的实心圆导体200实心带505050200实心圆导体热镀锌钢多股线用作避雷针的实心圆导体terminationrods实心带607870200实心圆导体不锈钢多股线用作避雷针的实心圆导体terminationrods负载下的组件，例如叶尖制动器的钢线可能不得不更可靠，因为如果材料的温度升高，那么它的机械强度就会减小。有一些经验证明，叶尖制动控制用的钢丝线由于雷电流会断掉或者融化，甚至是直径达到10mm的金属线（截面积78mm2）。承载雷电流的导体的温度可以由下面的公式计算出来（见IEC61819）。建造者必须考虑所有部件在遭受全部或部分雷电流时的温度上升，并确保这些组件有足够的强度在雷击过后能够立即履行其职能。公式19温升计算公式这里：0– 导体的温升(K);0 电阻的温度系数(1/K);W/R电流脉冲的能比(J/);0 导体在环境温度下的电阻率(m);0q 导体的横截面积(m2); 材料密度(kg/m3);cw 热容量(J/kgK).表13是一般材料的公式的输入表，表14显示了不同导体的温度上升。应该注意的是在导线预计负荷的情况下并不是温度上升到熔点时才会导致其实效的。表13–使用在雷击保护系统的典型材料的物理特性单位材料铜铝低碳钢不锈钢a0m17,810–92910–912010–90,710–61/K3,9210–34,010–36,510–30,810–3kg/m38920270077008000S (熔点)°C108065815301500csJ/kg209103397103272103–cwJ/kgK385908469500a奥氏体非磁性mm2材料l铝钢铜不锈钢能比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–不同导体作为能比函数的温升[K]叶片到轮毂的连接在叶片根部，引下线系统一般连接到叶片的安装法兰或者是轮毂。如果叶片是斜度可调节型（D型），雷击电流或者是被允许不受控制地通过轴承，或者是通过某种连接装置跨接于轴承，例如像是一个滑动触点或者一根允许做倾斜运动的有足够裕度的柔性连接电缆。跨接轴承的柔韧连接可以与叶片内部下引导体在内部结合。在有叶尖制动系统的叶片（C型），带动控制线的液压系统必须被保护。标准的液压缸，通常很容易被活塞杆和缸体之间的闪络电弧损坏。通常，液压缸的保护是通过一条性连接线將缸体和活塞杆连接起来导走雷电流，连接线要足够松弛以允许活塞运动。另外一个有滑动空气间隙构造的方法已经介绍过（24）。必须注意，柔性连接带的应尽量减小松弛度，因为松弛导线上的感应电压可能会很高，这将会导致对缸体的保护性能降低。碳纤维强化塑料(CRP)碳纤维强化塑料(CRP)广泛地应用在了叶尖轴，有些情况下也用于加强叶片。CRP的使用是希望可以將叶片变得更大。CRP材料的导电率非常依赖于纤维的方向。尽管碳化纤维是导电的，CRP材料，碳化纤维层是矩阵结构，传导率大约比铝要低10002521]。因此，碳化纤维传导电流时热阻抗是很高的，当矩阵在200度时会产生蒸汽，蒸汽的压力会导致叶片出现断裂或者断层，更具体的说，在雷击点附近的CRP甚至会被烧成灰烬[21]。对于使用了CRP的航天器，可能受到雷击的或者传导雷电流的CRP组