風電機組葉片雷電損傷機理及防護方法研究

文 | 周家東，韓敏，黃虎

雷電是自然界中的強放電現(xiàn)象，據(jù)估計，全球每年大約發(fā)生10億次雷暴，地球上每時每刻有2000個雷暴云存在。在我國，根據(jù)最近幾年雷電監(jiān)測網(wǎng)的資料顯示，每年大約要發(fā)生1300萬次左右的云地閃電。在現(xiàn)代生活中，閃電仍然威脅著人類生命財產(chǎn)的安全，對航空、航天、通信、風電、建筑、石油化工等國防和國民經(jīng)濟的許多部門都有著重大的影響。風力發(fā)電機組屬于高大建筑物，并且常常安裝在雷擊比較頻繁的高原、沿海以及海上，因此，更容易遭受雷擊，造成葉片、機械部件以及電氣控制系統(tǒng)的損傷。

目前，風電機組葉片進行雷電防護的主要機理是防雷。葉片防雷主要是通過在葉片表面上加防護材料，同時在接地區(qū)加強接地，讓雷電流擊中防護材料并盡快將雷電流傳導到大地，避免對被防護部件本身造成雷擊損傷。然而，目前風電行業(yè)對雷電損傷機理還不是很清楚，不清楚不同的雷電流損傷機理對葉片損傷的影響，不知道該在葉片設計時如何選擇防護方法以及選擇什么樣的防護材料以達到標準規(guī)定的雷電防護要求。

本文主要通過對風電機組葉片雷電流（10/350波形）損傷機理進行分析，介紹了幾種不同防雷機理所對應的防雷方法，以便在不同防雷需求條件下選擇最合適防雷方法。同時，對目前國內(nèi)新興的碳纖維葉片，也給出了防雷方案以及該方案需要考慮的工藝問題。

風電機組雷電損傷機理分析

自然界真實的雷電放電是一個高電壓和大電流同時存在的過程，高電壓會尋找葉片上的最“薄弱環(huán)節(jié)”，在空氣間隙與葉片“薄弱環(huán)節(jié)”之間形成放電通道，然后大電流的能量施加于葉片，造成葉片損傷。所以，雷電高電壓只是提供一個路線，真正造成葉片損傷的是雷電大電流。雷電流是一個電流源，與雷電損傷以及雷電防護系統(tǒng)設計有關的4個雷電流參數(shù)是：峰值雷電流（I）、比能（W/R）、電荷轉(zhuǎn)移（Q）和雷擊電流脈沖陡度（di/dt）。通常正雷擊有較高的I、Q和W/R，而負雷擊有最高的di/dt。根據(jù)IEC61400-24標準的規(guī)定，一個標準的雷電流波形一般由短時沖擊電流波形和后續(xù)長雷擊電流波形所組成，如圖1和圖2所示。IEC61400-24和IEC62305-1規(guī)定的風電機組雷電最嚴苛的一級雷電防護參數(shù)是200kA，10MJ/Ω，300C，200kA/μs。其中，短時沖擊電流的峰值電流為200kA，作用積分為10MJ/Ω，電荷轉(zhuǎn)移量為100C，半峰值時間T2小于2ms；后續(xù)長雷擊持續(xù)電流為200C，持續(xù)時間Tlong一般小于1s，所以總的電荷轉(zhuǎn)移量為300C。

圖1 短時沖擊電流波形

圖2 長雷擊持續(xù)電流波形

風電機組雷電直接效應損傷主要是由峰值電流、作用積分以及庫倫量三個參數(shù)共同決定的，而間接效應損傷是由雷擊電流脈沖陡度（di/dt）所決定的。本文所討論的主要是雷電對風電葉片的直接雷電效應損傷。

本文基于葉片雷電流試驗與仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，雷電流的直接效應損傷有沖擊波效應、電磁力效應、電阻熱效應和電弧熱效應等。葉片遭遇雷擊的典型后果是葉片分層、開裂、爆裂、撕裂，復合材料表面灰化以及雷擊點的燒蝕、熔化或者穿孔。

一、機械效應損傷

雷電流的機械效應損傷主要包括聲壓效應和電磁壓效應，在電流峰值作用時，機械效應會導致材料的斷裂、分層和撕裂。首先，在雷電電弧擊穿空氣間隙的過程中，由于風電機組直擊雷的短時沖擊電流200kA、10MJ/Ω的能量等級導致空氣受熱膨脹，爆炸主要是由于電弧通道內(nèi)溫度的迅速升高，電弧通道內(nèi)的溫度可在幾微秒內(nèi)達到幾萬攝氏度。如圖3所示，閃電通道爆炸產(chǎn)生巨大的聲沖擊波，稱為“聲壓”，聲壓會沿電弧方向不斷傳播，當聲壓被葉片表面阻擋，就會對葉片產(chǎn)生很大的破壞力，導致葉片斷裂。同時，環(huán)流產(chǎn)生的電磁力也會對電弧柱及材料內(nèi)部產(chǎn)生明顯的機械效應，電弧的內(nèi)部壓力由于環(huán)流產(chǎn)生的電磁力的“箍縮”效應而增強，當這種增強的內(nèi)部壓力撞擊葉片復合材料表面，會產(chǎn)生額外的機械壓力，稱為“磁壓”。最后，由于葉片復材結(jié)構(gòu)件的迅速溫升會產(chǎn)生膨脹效應，也會產(chǎn)生一個額外的機械壓力。

葉片機械效應造成的最嚴重損傷形式是當雷電流通過葉片內(nèi)表面并在葉片內(nèi)部形成高能電弧時，電弧可能會在葉片內(nèi)部的空腔、復合材料層間，或者沿著葉片內(nèi)表面形成。當雷電流在葉片復合材料層間或其內(nèi)表面?zhèn)鲗r，由于復材層間或葉片內(nèi)表面含有一些潮氣，潮氣由于受熱膨脹產(chǎn)生較大的沖擊壓力，沖擊壓力不易擴散可能會導致葉片爆炸、葉片分層或者沿著葉片前后緣和內(nèi)部承載梁之間將葉片撕裂。

二、熱效應損傷

葉片的熱效應損傷主要有電阻熱（焦耳熱）效應損傷和電弧熱效應損傷。對于風電機組雷電而言，焦耳熱效應主要與短時沖擊電流有關，是由雷電流作用積分和材料本身電阻所決定的。對于金屬結(jié)構(gòu)，由于材料具有高電導率、電阻比較小，因此，焦耳熱比較小。而對復合材料而言，由于復合材料的電導率低、電阻大，碳纖維復合材料的電阻是金屬電阻的1000倍，玻璃纖維的電阻更大。因此，對于同樣的雷電流等級，例如200kA、10MJ/Ω，雷電流在葉片復材上產(chǎn)生的焦耳熱是金屬的1000倍以上。同時，復合材料的熱導率比較低，熱量不容易散失。因此，對于不防護的風電機組葉片，一旦葉片被雷電擊中，焦耳熱效應所造成的損傷將是巨大的。

電弧熱效應是由短時沖擊雷電和持續(xù)電流共同決定的。熱效應在持續(xù)電流作用階段尤為明顯，熱效應會導致材料表面溫度急劇升高，進而導致材料結(jié)構(gòu)的熔化或擊穿。有研究者發(fā)現(xiàn)，電弧熱效應損傷的尺寸與總的電荷轉(zhuǎn)移量有關，基本符合線性關系。

雷電流熱效應損傷的主要能量源是直接的等離子電弧熱流（通過傳導、電子或離子的重構(gòu)以及輻射流）和材料內(nèi)部的焦耳熱。對于電弧熱，其熱效應損傷區(qū)域主要集中在雷電附著點附近，而對于電阻熱，其熱效應損傷在整個結(jié)構(gòu)件區(qū)域，如果雷電傳導截面積足夠，其損傷在電弧入點和接地區(qū)域，如果雷電傳導截面積不夠，則會造成整個傳導路徑上都會有損傷。

圖3 雷擊附著點處各種直接效應損傷

風電機組葉片常用雷電防護方法介紹

目前，高大建筑物進行雷電防護的主要方法有三個：避雷法、引雷法和防雷法。避雷法主要是通過在易遭受雷擊物體表面進行防護，抑制上行雷電先導的產(chǎn)生，從而避免雷擊的發(fā)生。引雷法則主要通過避雷針或者其他方法將雷電引到其他地方，從而防止雷電擊中被保護物體。防雷則主要是通過在被保護部件上加防護材料，將雷電流通過防護材料傳導到大地，避免對被防護部件本身造成雷擊損傷。然而對于風電機組葉片而言，避雷法和引雷法不僅防護效果達不到要求，而且防護成本還高，因此逐漸被棄用。現(xiàn)在對于風電機組葉片而言，防雷法成為其雷電防護的主要方法。對于傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片，雷電防護的主要方法有以下幾種：

一、接閃器及引下線防雷法

接閃器及引下線防雷法的機理為接閃器定點接閃雷電流、引下線傳導雷電流。雷擊是空氣中的電擊穿，電場強度是空氣能否擊穿的主要量度，當雷電下行先導到達雷擊高度后，接閃器作為金屬導體，會產(chǎn)生大量的感應電荷，從而使接閃器成為電荷密度最大的部位，從而在雷電下行先導和接閃器之間形成的電場強度最強。接閃器產(chǎn)生上迎先導和雷電下行先導匯合，從而形成雷擊。該方法避免了雷擊葉片本體而造成葉片損傷。

二、接閃器及引下線絕緣防雷法

傳統(tǒng)的接閃器及引下線防雷系統(tǒng)，經(jīng)常存在雷電直接擊穿葉片造成葉片損壞的事故。因此，在原有的接閃器及引下線防雷系統(tǒng)基礎上，對于容易產(chǎn)生上行先導，造成雷電流擊穿的引下線或者其他金屬結(jié)構(gòu)件，進行雷電先導的抑制。如在引下線、接閃器支架、引下線和接閃器連接部位進行相應的絕緣設計，消除絕緣薄弱環(huán)節(jié)，抑制感應電荷的產(chǎn)生，抑制上行先導的產(chǎn)生。使所有的雷電都發(fā)生在裸露的葉尖接閃器和葉身接閃器上。

三、片段式雷電導流條防雷法

片段式導流條的工作原理是雷電使相鄰金屬片間發(fā)生電離，從而使金屬片上方的空氣變?yōu)榈入x子體，雷電電壓足夠高達到導流條的擊穿電壓時，所有獨立的等離子區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，相互連接在一起，在導流條上方形成一條等離子體通道，雷電流通過這個通道傳導到引下線，最終泄放到大地。

然而，以上三種方法都只能應用于傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片，無法解決除冰葉片和碳纖維葉片遭受雷擊的問題。因此，需要開發(fā)可對導電材料進行雷電防護的新方法。

碳纖維葉片防雷法——雷電防護金屬網(wǎng)

延性雷電防護金屬網(wǎng)是為了解決碳纖維葉片和除冰葉片防雷問題而開發(fā)的新方法。隨著碳纖維復合材料在葉片上的應用，由于碳纖維也是導體，會成為雷電附著點，因此，碳纖維葉片遭雷擊的風險遠大于玻璃纖維葉片，并且碳纖維復合材料葉片遭受雷擊后的損傷效果也遠大于玻璃纖維葉片。為了對碳纖維葉片進行有效的雷電防護，常在碳纖維材料的表面鋪設防雷金屬網(wǎng)來接閃和傳導雷電流。

中國風電機組葉片雷電防護采用了GB/T 33629—2017和IEC 61400-24—2000標準，其10μs/350μs波形和航空工業(yè)使用的SAE ARP 5416、GJB 3567的6.4μs/69μs以及美國IEEE標準的8μs/20μs都不相同。在同樣的電流峰值200kA下，GB/T 33629—2017和IEC 61400-24—2000標準規(guī)定的首次短雷擊10μs/350μs波形雷電流作用積分為10MJ/Ω，庫侖量為100C，遠大于軍工行業(yè)2MJ/Ω的防雷等級。并且風電機組葉片比飛機更易遭受雷擊，一般飛機整個飛行周期內(nèi)最多遭受兩次雷擊，而風電機組葉片整個運行周期內(nèi)僅200kA的雷電流就會有3~5次，總的雷擊次數(shù)可達幾十到幾百次。因此，風電行業(yè)的雷電防護等級是要遠高于軍工行業(yè)的，風電行業(yè)所用金屬網(wǎng)的防雷能力遠高于軍工行業(yè)。

在葉片上應用雷電防護金屬網(wǎng)時，需要考慮雷電防護金屬網(wǎng)的選擇、雷電防護金屬網(wǎng)的應用工藝選擇等問題。目前，碳纖維葉片主要用于海上風電場，海上葉片安裝成本高，后期維護難。海上碳纖維葉片防雷要選擇防雷可靠性高、后期維修少的防雷方案。因此，要選擇的雷電防護金屬網(wǎng)要滿足以下要求：金屬網(wǎng)能夠接閃雷并且電流金屬網(wǎng)的損傷很小，雷擊后金屬網(wǎng)不需要修復或少修復；金屬網(wǎng)能夠傳導雷電流，沿著電流傳導方向不會出現(xiàn)由于金屬網(wǎng)的熔斷造成雷電流沒有泄放通道而發(fā)生葉片炸裂。圖4是ABEMMAL135-650防雷鋁網(wǎng)在200kA、10MJ/Ω作用下的雷電流損傷結(jié)果，圖4（a）是防雷鋁網(wǎng)試驗時的雷電流波形圖，峰值電流為-193.644kA，能量為9358.09kJ/Ω，電荷量為103.61A·s（C），滿足IEC61400-24標準規(guī)定的雷電流要求；圖4（b）、（c）顯示，雷電流引弧區(qū)域金屬網(wǎng)損傷較小，并且雷電流傳導區(qū)域金屬網(wǎng)無損傷。結(jié)果表明ABEMMAL135-650防雷鋁網(wǎng)可有效地對復合材料進行雷電流防護。

圖5是ABEMM-Cu820-100防雷銅網(wǎng)在200kA、10MJ/Ω作用下的雷電流損傷，如圖5（a）所示，引弧區(qū)域該防雷銅網(wǎng)基本沒有損傷，證明該型號銅網(wǎng)能夠承受200kA的沖擊雷電流作用不發(fā)生損傷。但在雷電流的傳導區(qū)域，金屬網(wǎng)出現(xiàn)整個界面斷裂的情況，說明100mm寬度的ABEMM-Cu820銅網(wǎng)的截面積不足以傳導200kA的雷電流。ABEMM-Cu820防雷銅網(wǎng)，要傳導200kA雷電流需增加金屬網(wǎng)的寬度。

除了金屬網(wǎng)本身，金屬網(wǎng)的應用工藝也會對防雷效果產(chǎn)生很大的影響。雷電防護金屬網(wǎng)的應用工藝包含金屬網(wǎng)的鋪設工藝、金屬網(wǎng)的搭接工藝、金屬網(wǎng)的接地工藝。圖6（a）顯示金屬網(wǎng)進行搭接時，對接間隙小于1cm的搭接工藝搭接區(qū)金屬網(wǎng)的損傷比較小，圖6（b）顯示金屬網(wǎng)進行搭接時，對接間隙大于1cm的搭接工藝搭接區(qū)金屬網(wǎng)和復合材料的損傷都比較大。圖7則顯示了接地工藝對金屬網(wǎng)損傷的影響，圖7（a）顯示采用螺釘接地的接地工藝接地區(qū)金屬網(wǎng)的損傷比較小，圖7（b）顯示采用無螺釘?shù)慕拥毓に嚱拥貐^(qū)金屬網(wǎng)的損傷比較大。

圖4 ABEMM-AL135-650防雷鋁網(wǎng)200kA、10μs/350μs雷電流作用下?lián)p傷

圖5 ABEMM-Cu820-100防雷銅網(wǎng)在200kA、10μs/350μs雷電流作用下?lián)p傷

圖6 搭接工藝對防雷銅網(wǎng)防護效果的影響

因此，在碳纖維葉片和除冰葉片上應用金屬網(wǎng)時，不僅要選擇合適的金屬網(wǎng)，也要選擇合適的金屬網(wǎng)應用工藝，才能做好葉片的雷電防護。

圖7 接地工藝對防雷銅網(wǎng)防護效果的影響

結(jié)論

通過對風電機組雷電損傷機理的研究，我們發(fā)現(xiàn)對風電機組葉片損傷影響最大的兩個因素分別是作用積分和庫侖量，風電機組雷電作用積分的最高等級是10MJ/Ω，會在風電機組葉片上產(chǎn)生很大的電阻熱，尤其是在雷電流的入點和出點造成比較大的損傷。而風電機組雷電庫侖量的最高等級會達到300C，最終會在葉片上燒蝕出很大的孔洞。因此，對于風電機組葉片雷電防護，要比飛機雷電防護更加困難。

風電機組雷電防護的三種方法：接閃器及引下線防雷法、接閃器及引下線絕緣防雷法以及片段式雷電導流條防雷法，都有其各自的優(yōu)點。將三種方法結(jié)合起來使用，可以有效解決傳統(tǒng)玻璃纖維葉片雷電防護的問題。金屬網(wǎng)則是碳纖維葉片和除冰葉片防雷的重要方法，金屬網(wǎng)的選擇以及金屬網(wǎng)的應用工藝都會對金屬網(wǎng)的防雷效果產(chǎn)生決定性的影響。

攝影：吳振華