IEC-61400-24风力涡轮发电机系统-雷电保护(中文版).docx

TECHNICALREPORTIECTR61400-24第1版2002-07风力涡轮发电机系统-第24部分:雷电防护序4绪论51 范围62 定义73雷电和风力涡轮机H3.1 闪电的特性113.2 雷电泄放形式和电学参数H3.3 云对地闪击123.3.1 云对地负闪击123.3.2 云对地雷电正闪击143.4 向上发生的闪电153.5 风力涡轮机的雷电防护一常见问题173.6 现有涉及到防雷的IEC标准和技术报告184雷电损坏统计204.1 风力发电机机遭雷击损坏数据204.2 损坏统计204.2.1 损坏事故频率204.2.2 风力发电机各部件损坏情况214.2.3 风力发电机功率大小与出厂年限分析224.2.4 损坏的维护费用234.2.6 雷击事故分布的季节性254.3 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274.4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295.3 IEC61024-1-1标准的应用305.4 IEC61662的应用325.5 叶片防雷保护系统成本的分析345.6 关于风力发电机控制系统防雷保护成本的分析356风力发电机叶片的防雷保护366.1 叶片结构366.2 叶片损害机制386.3 风力涡轮机叶片的防雷保护386.3.1 一般性的问题386.3.2 叶片表面或嵌入叶片表面的接闪系统396.3.3 胶粘金属带和分段分流器396.3.4 内部引下系统406.3.5 表面传导材料406.4 拦截效率406.5 材料规格416.7 碳化塑料(CRP)436.8 叶片内部配线447轴承与齿轮箱的防护447.1 交流、直流电流对轴承造成的损害447.2 雷电流对轴承造成的损害447.3 实验研究457.4 雷击损坏齿轮箱457.5 轴承与齿轮箱零件的雷电防护458电气系统和控制系统的防护468.1 介绍468.2 电气设备配置478.2.1 电气系统478.2.2 控制系统488.3 防雷分区491.1.1 3.1O区501.1.2 其他区域501.1.3 分区边界511.1.4 保护区域要求528.4浪涌耦合机制521.1.1 4.1传导521.1.2 电容性耦合521.1.3 磁场耦合538.5 等电位和屏蔽548. 5.1等电位549. 5.2屏蔽558.6 浪涌防护568.6.1 一般的浪涌保护578.6.2 电气设备的浪涌防护578.6.3 信号电路的浪涌保护578.6.4 浪涌保护器的安装位置588.7 总结589接地599.1 单个风机涡轮机的防雷接地装置591 .1.1A型接地599 .L1B型接地599.2 风电场的防雷接地装置6110人身安全6210.1 一般规定6210.1.1 机舱6210.1.2 2塔体6210.1.3 地平面6210.1.4 人员的指导6311总结及对进一步工作的建议64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1) 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IEe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在两组织己达成的协议条件下保持着密切合作。2) 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。3) 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。4) 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。5) IEC不提供声明同意等程序，不对任何声称符合其某标准的设备负责。6) 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。IEC61400-24,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IS0/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己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1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；6-10章讨论防止需击损害的适当方法；第11章确定进一步研究的范围.2定义为达到本标准的目的，应使用下列定义2.1 可接受的的雷电闪击频率acceptedlightningflashfrequency(Ne)公认的每年最大的平均所能造成损害的雷电闪击频率。2.2 接闪器air-terminationsystem外部雷电防护系统LPS的一部分。2.3 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2.4 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2.5 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2.6 建筑物直接雷击频率directlightningflashfrequencytoastructureGVd)建筑物预期平均每年可能遭受的直接雷击的的次数弓I下线down-conductorsystem1.PS的一部分，用于将雷电电流由接闪器引入接地体的装置2.7 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2.8 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-terminationsystem1.PS的一部分用于引导和疏散雷电电流到地2.9 有效高度effectiveheight()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2.10 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2.11 等效截收面积equivalentcollectionarea(Ae)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2.12 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。2.13 闪电电荷flashcharge(Qtiash)在整个雷击闪电过程中雷击电流对时间的积分2.14 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2.15 直接雷击损害频率frequencyofdamagebydirectlightningflashes建筑物雷击平均每年实体损害次数2.16 地闪密度groundflashdensity(Ng)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2.17 拦截效率interceptionefficiency(Ei)接闪器拦截雷击的几率2.18 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2.19 雷击防护系统Hghtningprotectionsystem(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。2.20 雷击电流Iighmingcurrent(02.21 流过雷击点的电流2.22 1.PS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1.PS部件的项或多项功能2.23 峰值电流peakvalue(/)雷击电流的最大值2.24 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。2.25 雷击lightningstroke对地雷电闪击中的单个放电2.26 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。2.27 雷击防护区lightningprotectionzone(LPZ)雷击电磁环境被定义和规定的区域2.28 长冲击IOngStrOke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I(M数值的时间)典型的为大于2ms且小于Is(见.IEC61024-1)2.29 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2.30 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50InS2.31 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。2.32 保护等级protectionlevel根据其功效对一个LPS系统进行的分类2.33 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)。2.34 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2.35 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)2.36 分级效率sizingefficiency(Es)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2.37 比能specificenergy(WR)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。2.38 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。2.39 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。2.40 雷暴日thunderstormdays(d)在雷暴日地图上获得的每年雷暴日的数量。2.41 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。3雷电和风力涡轮机3.1 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/Q。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'。另外，雷击的电特性随着电闪的种类和地理位置而不同。3.2 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23。当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3334。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/负闪击）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。3.3 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。3.3.1 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Ius）能让电流高于IKAC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IOMV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”（向上放电）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1一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IOms到几百毫秒。通常平均来说，一次雷击包含3至M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亳秒。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30千安（表格1）。在第一个回击之后，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。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U5,224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/dtkAs首次负闪击9,12465后续负闪击1040162正闪击0,22,432aQ=i(t)dtbE=+j2力a）第一个回击b）第一个回击和持续电流c）第一个回击和并发回击d）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）3. 3.2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3.4 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）O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（见3.3）o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67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kAs20电流冲击次数50a） 只有(最初的)持续电流b） 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。e）最初的持续电流加上阶梯冲击并发正回击加持续电流图6不同形式的向上负闪击（不按比例）3.5 风力涡轮机的雷电防护一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100nl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Iso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IEC61024和标准IEC61312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IEC61024-1,的最低安全距离的要求.3.6 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3IEC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-第一节:导则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(LEMP)-第2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IECTR261662-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IEC61024-1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IEC61024-1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。IEC61024-1-1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。IEC61024-1-2就是如何对普通建筑物进行防雷设计保护的指南。IEC61312-1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IEC61312-2、IEC61312-3、IEC61312-4和IEC61312-5（见表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IEC61024-1-1标准。IEC61663-1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4IECTC81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建筑物的防雷保护一第1部分：通过LPS防止物理损坏和生命危险，ADISIEC61312-3-am1TSEd.1.0IEC613123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，APUB4雷电损坏统计4.1 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。4.2 损坏统计4.2.1 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3.9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）4.2.2 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：103240气电轮片械航压感动毂系机箱制系系器机统动统统车器图7一遭雷击损坏部件图（德国）故障率先故障总数：101760图8一遭雷击损坏部件图（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/年雷击故障每100台/年故障率系统故障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）4.2.3 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，45OkW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。图旧式450kW. 909故障岗新式450kW, 123故障电气系统控制系统毕发电机一结构件 点主轴 一传动系统 l传感器 颁液压系统 偏导系统 I机械制动 叶片 Kl传动箱图9一遭雷击损坏部件图（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。故障6040系统.电气系统发电机齿轮箱叶片制动器偏航系统系统整个风机.其它20图10一遭雷击损坏部件图（丹麦）4.2.4 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。平均维护成本，DEM40 00030 00020 00010 000B 旧式 <450 kWS 新式 >450 kWI结构件 I偏航系统 液压系统 I驱动机车 I机械制动器 齿轮箱 I控制系统 I传感器 电气系统 I发电机 叶片轮毂图11一不同功率风力发电机的部件维修费用（德国）4.2.5 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