近期，受強(qiáng)對(duì)流天氣影響，南方大范圍地區(qū)遭到暴雨、大風(fēng)和雷電襲擊。高高的建筑物非常容易遭受雷擊，這是小學(xué)期間學(xué)到的常識(shí)。大家可能不禁要問，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)那么高，那豈不是閃電眼中的“活靶子”？確實(shí)是這樣。

　　那風(fēng)力發(fā)電機(jī)上會(huì)裝避雷針嗎？它們是如何防雷擊的呢？

　　可不要小瞧閃電，最大電壓能達(dá)十億伏特！

　　“我抓住了閃電！”

　　1752年5月，在雷鳴電閃的波士頓，本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）緊握系著風(fēng)箏線的鐵鑰匙對(duì)兒子威廉大聲喊到。富蘭克林借用風(fēng)箏成為了第一個(gè)觸摸到閃電的人，但后來(lái)的物理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)，風(fēng)箏不可能受到雷擊，否則富蘭克林會(huì)被當(dāng)場(chǎng)擊斃，他只是幸運(yùn)地摸到了風(fēng)箏感應(yīng)生成的環(huán)境電荷。事實(shí)上，目前認(rèn)為，富蘭克林的風(fēng)箏實(shí)驗(yàn)很可能只是一個(gè)故事，并沒有確鑿的資料予以支撐。

　　富蘭克林的風(fēng)箏閃電實(shí)驗(yàn)| benjamin-franklin-history

　　雖然富蘭克林觸摸到的很可能不是閃電（雷電），但閃電確實(shí)是自然界中的常客，全球范圍內(nèi)平均每天會(huì)發(fā)生8百萬(wàn)次閃電。其中，委內(nèi)瑞拉的卡塔通博（Catatumbo）河口每年平均就有297天會(huì)出現(xiàn)閃電，可謂是“雷神”在地球上的第二故鄉(xiāng)。

　　閃電不僅發(fā)生次數(shù)多，攜帶的電壓也非常大，目前統(tǒng)計(jì)到的閃電中最大電壓高達(dá)10億伏特，相當(dāng)于串聯(lián)了10000只皮卡丘（單只皮卡丘的電壓是10萬(wàn)伏特）。閃電發(fā)生頻率高，強(qiáng)度大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在雷雨天氣將會(huì)面臨什么，我們可想而知。

　　皮卡丘施放技能：十萬(wàn)伏特| https://pokemon.fandom.com/wiki/Thunderbolt

　　又高又尖的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，堪比閃電眼中的“活靶子”

　　大氣中各種帶電粒子分布極其混亂，雷電往往呈現(xiàn)出蜿蜒曲折的姿態(tài)。當(dāng)其距離地面一百多米時(shí)，它會(huì)逐漸受到地面環(huán)境的影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有纖細(xì)高聳的身軀，葉尖高度甚至超過了200米，它們通常位于開闊的荒漠、草原、淺海、丘陵等區(qū)域，毫無(wú)疑問，它們很容易就成為閃電眼中的“活靶子”。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)旁邊的閃電| windpowerengineering

　　隨著雷云逼近、雨水降臨，雷電會(huì)慢慢伸出魔爪，首當(dāng)其沖的就是葉片。實(shí)際上，任何物體的表面都附著一定的靜電電荷，我們?cè)诙焐钣畜w會(huì)，脫個(gè)毛衣都會(huì)伴有“噼啪”作響的小火花。

　　晴天時(shí)的葉片中只存在有少量電荷，而雷雨前則會(huì)在表面富集大量電荷。當(dāng)雨水浸潤(rùn)葉片，被水膜包裹的葉片就變?yōu)榱丝涨粻顚?dǎo)體，在大氣電場(chǎng)的擾動(dòng)下，葉片內(nèi)部的引下導(dǎo)線會(huì)感應(yīng)出正電荷。為保持靜電平衡，葉片殼體內(nèi)層產(chǎn)生等電量的負(fù)電荷，這又使葉片外表面的水膜層感應(yīng)出正電荷。隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，存儲(chǔ)著正電荷的水膜也隨之移動(dòng)。此時(shí)，一旦雷云激發(fā)出雷電，它就可以對(duì)臨近的葉片進(jìn)行精準(zhǔn)打擊。

　　高速攝像機(jī)拍攝到的風(fēng)電葉片被雷擊的瞬間| weatherguardwind

　　沒有避雷針，怎么扛得住上億伏特的雷擊？

　　凡是高層建筑，都裝有肉眼可見的避雷針，它的保護(hù)范圍呈傘狀，在建筑最高點(diǎn)能有效地避免裸露在大氣中的設(shè)施遭受雷擊。早在1754年，避雷針就已經(jīng)在歐洲問世并開始應(yīng)用，此后迅速擴(kuò)展到全世界，成為了高層建筑的必需品。

　　避雷針利用尖端放電的特性，能吸引附近的雷電流，通過引下導(dǎo)線將其導(dǎo)入大地。因此，避雷針的“避”雷實(shí)際上是“引”雷。當(dāng)然，避雷針只是民間通俗的說法，“接閃器”這個(gè)名字更接近于它的作用原理。在專業(yè)領(lǐng)域，避雷針是最常見的一種接閃器。

　　風(fēng)電葉片是捕獲風(fēng)能的關(guān)鍵部件，它氣動(dòng)外形的好壞直接影響發(fā)電量的大小，但我們卻并未發(fā)現(xiàn)避雷針，葉片到底是如何防雷的呢？原來(lái)為了在不改變外形的前提下進(jìn)行防雷保護(hù)，葉片并沒有安裝避雷針，而是采用了隱秘的保護(hù)措施，埋入了金屬葉尖以及多組圓柱狀接閃器。要說有多隱秘，接閃器的外部端面會(huì)與光滑的葉片表面平齊，甚至人眼距離葉片1米遠(yuǎn)都難以發(fā)現(xiàn)它們的存在。

　　葉尖的接閃器（圓形）| weatherguardlightning

　　金屬葉尖和接閃器并非是一種具有某種神奇原理的元件，與避雷針類似，它們只是一塊具有良好的導(dǎo)電性的純金屬（鋁、銅等），

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷有多難？壞了可能都修不起

　　但安裝了接閃器是否就能高枕無(wú)憂了呢？

　　發(fā)生在城市上空的閃電|中國(guó)氣象科普公眾號(hào)

　　實(shí)際上，沒有任何接閃器能保證100%成功地?cái)r截雷電，葉片防雷則需要面臨更多的挑戰(zhàn)，接閃器的有效性還會(huì)受到各方面的影響。葉片遭受雷擊的概率與風(fēng)向有關(guān)，理論上來(lái)講，迎風(fēng)面更容易“遭雷劈”，但早期葉片的雷擊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，葉片背面往往被閃電擊中。這是由于早期葉片的制造工藝導(dǎo)致的，葉片內(nèi)部的引向?qū)Ь€靠近在背風(fēng)面，在一定程度上限制了接閃器準(zhǔn)確“引”雷的能力。此外，與靜止的建筑物不同，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，葉片會(huì)持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，這會(huì)對(duì)接閃的有效性造成顯著影響。

　　而一旦雷電直接打在葉片上，則會(huì)產(chǎn)生多種破壞現(xiàn)象，輕則使葉片表面焦化，形成孔洞，重則使葉片膨脹炸裂等。在大多數(shù)情況下，雷擊會(huì)在葉片表面留下肉眼難以發(fā)現(xiàn)的小孔洞，雖然沒有直接危害，但日積月累仍舊會(huì)影響葉片的性能。即使是運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)了雷擊產(chǎn)生的黑斑，也并不會(huì)及時(shí)維修，因?yàn)槿~片的維修任務(wù)實(shí)在過于昂貴。

　　被閃電擊斷的葉片(左)，被焦化的葉片（右）| weatherguardwind

　　除了閃電直接擊中風(fēng)力機(jī)葉片產(chǎn)生破壞之外，雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流、接地體在雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬間高電位“反擊”也都會(huì)使電器設(shè)備受損。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狹小的機(jī)艙內(nèi)裝有發(fā)電機(jī)、變頻器等電力設(shè)備，閃電是它們的致命威脅。雷電蘊(yùn)含著的巨大能量，并且其破壞方式復(fù)雜多樣。風(fēng)電機(jī)組的防雷保護(hù)涉及多種雷擊損傷方式，因此進(jìn)行雷電分區(qū)，綜合規(guī)劃防雷保護(hù)措施，創(chuàng)建一個(gè)穩(wěn)定的電磁兼容性環(huán)境十分有必要。

　　摸著石頭過河，葉片防雷面臨諸多挑戰(zhàn)

　　葉片防雷在目前以及未來(lái)的風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，早期的葉片主要由歐美發(fā)達(dá)國(guó)家主導(dǎo)開發(fā)，這些地區(qū)的雷電活動(dòng)并不頻繁。而我國(guó)風(fēng)電的裝機(jī)區(qū)域涉及的地質(zhì)地貌復(fù)雜多樣，各區(qū)域雷暴活動(dòng)差異大，國(guó)外成熟的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)面臨著水土不服的問題。隨著機(jī)組高度和葉片長(zhǎng)度的不斷增加，葉片防雷迫在眉睫。

　　技術(shù)攻克路上不乏難關(guān)，但科技始終是突破困局的堅(jiān)實(shí)力量，風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正如潮氣蓬勃的青年人，他正邁開矯健的步伐不斷追逐著朝陽(yáng)，而偶爾出現(xiàn)在路途旁的荊棘，則為風(fēng)電的創(chuàng)新發(fā)展提供了更多的可能。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]Weather Guard Lightning Tech | We Protect Wind Turbines (weatherguardwind.com)

　　[2]Preparing turbines for lightning strikes

　　(windpowerengineering.com)

　　[3]Damage control: Effects of near-lightning strikes on turbine blades (windpowerengineering.com)

　　[4]Lightning Protection System for Wind Turbines: What You Should Know About it

　　[5]How are blade materials and manufacturing changing to keep up with larger turbines? (windpowerengineering.com)


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