風電機組葉片防雷相似性對比研究

文 | 曾明伍，付斌，劉孟，杜鳴心，姚威

由于所處位置較高以及結構的特殊性（尖銳的后緣和葉尖），葉片容易形成雷電上行先導，存在嚴重的雷擊威脅。為降低葉片雷擊損失，風電行業實施葉片防雷認證，確保葉片防雷系統的有效性和可靠性。目前，葉片防雷認證主要通過需要制作葉片樣件的雷電試驗進行，不僅周期長、費用高，而且存在同一設計理念需要重復驗證的弊端，不利于新型號葉片的開發和項目投標。IEC61400-24：2019標準中提及了葉片相似性對比的防雷系統考核評估方法，主要從長度、尖部區域特征尺寸、材料體系、防雷設計依據、接閃器布局等方面進行對比和差異性驗證，可以縮短防雷系統驗證周期。

針對同一公司設計的兩款葉片，如果以上相似性條件完全滿足，一款葉片通過防雷認證后，可以利用相似性對另一款葉片進行防雷認證；但如果個別技術條件不滿足，應對差異進行詳細評估，確保被比較葉片的防雷功能滿足要求或更優。大多數情況下，即使捕風能力相差不大的兩款葉片，以上各方面的技術條件也很難完全滿足。因此，相似性防雷認證的關鍵是對差異性進行評估。

從防雷設計角度來看，葉片防雷系統的評估主要考慮整個系統的有效性和可靠性，目前行業內的驗證內容包括可能雷擊點和閃絡路徑、熱效應、沖擊效應、電磁力幾個方面。由于參與防雷相似性對比的兩款葉片，具有相同的防雷設計理念以及相同的熱效應、沖擊效應以及電磁力應對措施，因此差異性評估的主要內容為可能雷擊點和閃絡路徑。目前，行業內除了雷電試驗的評估方法之外，計算機仿真技術也有較多應用，采用雷電感應模型可以模擬雷電初始先導階段葉片表面的電場分布，根據電勢差異確定可能的雷電初始附著區域和閃絡路徑。綜合以上分析，兩款葉片防雷系統的相似性認證應先按照IEC61400-24：2019標準的技術要求進行相似性對比，然后分析超過偏差的內容，必要時通過雷電試驗或仿真進行進一步評估，認證思路如圖1所示。本文根據IEC相關標準，結合雷電仿真分析和試驗，研究了通過相似性對比驗證葉片防雷系統方法的可行性。

葉片相似性對比

一、相似性匯總

圖1 相似性防雷認證思路

表1 葉片相似性對比結果

本文研究的對象為東方電氣的兩款葉片，其中A葉片長度56m，葉片表面積約270m2，額定功率2MW，于2017年完成IEC61400-24：2010防雷認證；B葉片為新設計葉片，長度61m，葉片表面積和額定功率與A葉片相同。以A葉片為參考，對新設計的B葉片進行長度、尖部區域特征尺寸、材料體系、防雷設計依據、接閃器布局等方面的差異進行對比，結果見表1。

二、差異性分析

兩款葉片在尖部區域的翼型厚度、寬度、接閃器數量方面存在較大差異。從葉片防雷角度來看，翼型的厚度主要影響葉片接閃系統的雷電接閃。一般情況下，較厚的葉片翼型具有更大的內腔間隙，能夠提升雷擊從殼體至內部引下線的擊穿電壓，使得接閃系統更易接閃雷電。從以上分析來看，B葉片翼型厚度小，相比A葉片，防雷系統接閃性能可能下降。

葉片的寬度主要影響接閃系統的布局。一般來說，葉片的后緣是容易遭受雷擊的區域，接閃器應盡可能布置在此區域，提升接閃效率。但隨著葉片寬度的增加，接閃系統為兼顧葉片前緣的防護，通常布置在距前、后緣適中的位置。B葉片比A葉片更窄，葉片接閃器布置更靠近后緣，接閃器效率更高。

葉片接閃器的數量主要依據葉片長度和適用環境而定，根據國內的葉片防雷研究，目前比較可行的方法是通過仿真計算進行布局設計，原則上葉片越長，接閃器數量應該越多。B葉片比A葉片具有更大的長度，增加2組接閃器，葉片雷電接閃能力更佳，防雷系統將更有效。

綜合以上分析，與A葉片相比，雖然B葉片具有對防雷系統不利的翼型厚度，但接閃器布置更靠后緣，且數量更多，防雷系統效果的差異無法直接評估，因此，下文將進行雷電仿真計算分析。

差異性的仿真評估

一、仿真原理

仿真計算采用多臺HP Z840專業數值工作站。仿真工具主要應用COMSOL Multiphysics軟件，滿足整機及系統級雷電電流瞬態或頻域問題以及復雜電磁環境問題的求解。仿真計算用到以下物理公式：

（1）安培定律

（2）電流守恒定律

（3）固體傳熱方程

（4）電磁傳熱方程

以上各式中，為磁矢量；Je為外加電流源；為導體的速度，此處為零；V為電勢；ρ為密度；CP為常壓熱容；為速度場；T為溫度；為熱通量矢量；Q為熱源；Qted為熱電阻尼；Qe為電磁熱源；k為導熱系數；J為電流密度；為電場強度。

本仿真為三維電磁數值仿真，選用穩定性較好的自由四面體為基本網格單元對仿真體進行網格設計，圖2 為基本網格單元示意圖。

二、建模說明

圖2 四面體網格單元

圖3 葉片雷擊附著點仿真模型設計

如圖3所示 ，葉片雷擊附著點仿真需要建立葉片的雷電感應仿真模型。將葉片放置在平板電極模擬的雷電環境中，平板電極的中心位置位于葉片模型中心位置的垂直上方，葉片與接地平板存在θ夾角。IEC61400-24：2019中規定雷電測試時θ的取值為10°、30°和90°，仿真計算考慮葉片實際旋轉時葉尖豎直朝上的極限情況和葉片與水平面夾角最小的雷電接閃嚴苛條件，主要評估θ為5°和90°的情況。仿真時，葉片放置方式有迎風面對地、背風面對地、前緣對地和后緣對地四種情況。

三、仿真結果

為考察葉片表面電場強度的差異，將場強較高區域以紅色表示，圖4 、圖5 為極端情況下的數據處理結果。由圖可以看出，B葉片葉根至葉尖第二接閃器范圍內的葉片表面電場強度與A葉片葉根至葉尖第一接閃器范圍內的葉片表面電場強度相同，具有相同的雷電初始附著風險。

圖4 θ=5°時的葉片部分姿態電場分布

圖5 θ=90°時的葉片整體電場分布

圖6 葉尖前12.5m處的電勢分布

為了更深一步評估兩款葉片防雷系統的差異，選取12.5m的尖部（A葉片葉身第一接閃器位置至葉尖的長度）進行電場強度對比，處理結果見圖6 。由圖可知，對于兩款葉片尖部12.5m區域，B葉片表面局部電勢比A葉片更低。根據實際仿真計算數據，θ=90°時B葉片表面電勢比A葉片低40%。因此，B葉片表面遭受雷擊的風險更低，接閃器布局更優。

由以上整體分析結果可知，葉片表面高電場區域主要在鋁葉尖和葉身接閃器附近。本研究接著對鋁葉尖和葉身接閃器及鄰近小范圍區域電場分布規律進行對比，兩款葉片葉身接閃器相同，鋁葉尖尺寸存在較大差異（B葉片為A葉片高度的1.9倍，寬度的0.7倍），仿真處理結果見圖7 。由圖可知，兩款葉片電場分布規律類似—接閃器和鋁葉尖邊緣均為葉片表面電場強度最高的區域，即接閃器易于接閃雷電，防雷系統防護效果相同。

雷電試驗驗證

除了雷電仿真分析之外，本研究依據IEC61400-24：2019規定的葉片雷電試驗方法對B葉片進行雷擊初始附著點試驗，使用高清相機捕捉電弧擊穿位置，表2為試驗結果匯總。

圖7 接閃器電場強度分布

表2 B葉片雷電試驗結果

圖8 30o迎風面對地負極性試驗

圖9 30o后緣對地負極性試驗

圖10 30°背風面對地負極性試驗

圖11 30o 前緣對地負極性試驗

按照IEC61400-24：2019的試驗方法，本研究的測試總計進行了54次，其中葉片在與地面夾角為10°和30°時，進行四種姿態（每種姿態正、負極性各3次）的測試；葉片在與地面夾角為90°時只進行一種姿態（正、負極性各3次）的測試。根據試驗測試結果，各種角度和姿態下，B葉片防雷系統均為葉片表面提供有效的雷電保護，其接閃器成為雷電初始先導附著點，尤其是葉片尖部雷電附著占比達80%以上（測試54次，接閃42次）。圖8－圖11 為30°時的部分接閃瞬間，尖部接閃器和鋁葉尖在迎風面對地、背風面對地、前緣對地、后緣對地四種情況下均成功接閃雷電，葉片玻璃鋼殼體表面無擊穿孔。

同時，這一試驗結果與仿真計算結果相一致。根據IEC61400-24：2019雷電防護標準，葉片的尖部一定長度是雷擊主要附著區域，因此，雷電試驗一般選取長度為葉片長度15%左右的尖部。但實際雷電防護設計時應考慮使用環境，例如，安裝在高原區域的風力發電機組，由于海拔高，葉片往往伸入雷云之中，根部和葉身面臨云間放電的雷電威脅，此時可以采用仿真計算分析，進行全尺寸的附著點評估。

結論

葉片是風力發電機組最易遭受雷擊的部件，其雷電防護系統的可靠性關系到整個機組的安全運行。隨著IEC61400-24：2019標準的發布，葉片防雷系統的可靠性和有效性驗證方法將更加完善。本文依據該雷電防護標準，對“防雷相似性對比―差異性分析―仿真差異性評估”這一葉片防雷系統驗證方式進行了研究。研究結果表明，該方法便捷、可靠，具有一定的推廣應用價值。

攝影：胡明生