針對復雜環境的風電葉片防雷系統可靠性驗證研究

李成良 方致陽 丁惢 楊越

葉片作為風電機組雷電風險最高的部件，其雷電防護的可靠性，對機組能否在全生命周期中安全運行起到決定性作用。相關文獻表明，2012年美國風電機組保險索賠中，葉片雷擊損傷比例高達41.4%，每筆平均賠償金額約24萬美元，由此可知提高葉片防雷系統可靠性具有重要意義。

國際電工委員會（IEC）在關于風電機組的雷電防護標準IEC 61400-24中對如何驗證風電葉片防雷系統的可靠性給出了指導性要求。第三方認證機構也會根據測試結果對葉片防雷系統的效果進行認證評價。隨著風電開發地域的多樣化，運行在復雜環境（如易發生鹽霧腐蝕的海上及高海拔、高雷暴地區）中的葉片，會對防雷系統可靠性、適應性等提出更高要求。因此，針對國內復雜的雷暴環境進行適應性防雷系統認證方案設計，成為目前葉片防雷系統可靠性驗證研究的重點。

本文基于通用的認證方法，通過更加全面的測試方案，驗證葉片防雷系統在復雜環境中的可靠性。

防雷系統認證研究

葉片防雷系統的通用認證方法主要包括雷擊測試驗證以及相似性說明驗證。

一、雷擊測試認證

該認證包括2種高電壓測試和2種大電流測試。其中，高電壓測試包括高電壓初始先導測試與高電壓掃掠通道測試；大電流測試包括大電流電弧引入測試與大電流傳導測試。

自然界中雷電的形成，往往伴隨著超高的電壓以及超大的電流注入，但在實驗室模擬雷擊過程時，無法將雷電的電壓及電流同時耦合到一個測試波形中進行測試，因此，需要在雷擊測試中分別進行高電壓測試以及大電流測試。其中，大電壓測試主要驗證葉片雷擊附著點的區域；大電流測試主要驗證葉片接閃器成功接閃后能否將雷電流順利卸放。根據最新發布的IEC 61400-24―2019標準，相關測試的主要驗證內容如下：

（1）高電壓初始先導測試：主要驗證葉片在實際的接閃過程中可能出現的附著點。高電壓初始先導測試情況見圖1。

（2）高電壓掃掠通道測試：葉片由于自身旋轉，會遠離雷電通道，進而導致出現雷電流沿葉片表面爬行的情況。該項測試主要驗證葉片成功接閃后，在雷電爬行的過程中是否會出現擊穿葉片蒙皮的情況。高電壓掃掠通道測試情況見圖2。

（3）大電流電弧引入測試：主要驗證葉片接閃器成功接閃后能否承受相應的能量以及電荷傳遞量，而不會造成葉片結構層損傷。大電流電弧引入測試情況見圖3。

（4）大電流傳導測試：主要驗證葉片接閃器在成功接閃后，能否將注入能量以及電荷順利地通過引下系統傳導至接地系統，且不會由于引下系統負載能力不足，導致在雷電能量卸放過程中出現火花、引下線熔斷、電連接失效等現象。大電流傳導測試情況見圖4。

二、相似性說明認證

相似性評估是為了表征新開發型號葉片及其防雷系統設計方案，與經過雷擊測試驗證過的某款葉片及其防雷系統設計方案的接近程度。新產品與已完成驗證產品之間的相似性通過葉片設計方案及材料體系兩個維度評估認證：

（1）葉片設計相關相似性評估：共包含9項對比指標，主要從葉片外形、蒙皮結構、防雷系統t布置等方面進行評估。

（2）葉片材料相關相似性評估：共包含5項對比指標，主要從樹脂纖維體系、接閃器材料與等電位設置等方面進行評估。

所有相似性指標均滿足IEC標準后，方可獲得認證。

復雜環境可靠性測試驗證研究

基于對上述不同測試驗證方向的理解，復雜環境中葉片防雷系統的可靠性，可以通過高電壓初始先導測試進行驗證。本章節采用高電壓初始先導測試，先后對使用17.5kV熱縮管進行絕緣加強的防雷系統開展葉片防雷系統內部先導誘發情況、葉片防雷系統極限測試、葉片接閃器金屬腐蝕后的雷擊測試進行防雷系統雷電防護能力的可靠性驗證。另外，為驗證防雷系統連接可靠性，對葉片防雷系統力學性能進行測試并分析。

一、葉片防雷系統內部先導誘發情況分析

研究表明，對葉片防雷系統進行絕緣防護可以有效抑制葉片內部金屬出現先導現象。為了判斷使用的葉片防雷系統的絕緣強度是否滿足使用要求，需要了解葉片防雷系統內部先導的誘發情況，因此，以下針對葉片防雷系統（無葉片結構）進行測試研究。

方案布置參考高電壓初始先導測試。測試樣件由葉片變為葉片防雷系統本身，本次測試樣件長度為5m，在54次高電壓初始先導測試過程中，未發生防雷系統絕緣擊穿現象，但是在前緣對地第2次負極性測試中發現，在距離葉尖1.5m的位置，由引下線誘發了可見先導，見圖5。通過觀測可以發現，出現的先導較弱，不存在繼續發展的可能。因此，可以表明增加防雷系統的絕緣強度可大幅度降低葉片內部先導的發生，增強葉片防雷系統可靠性。

二、防雷系統極限測試驗證

基于國內復雜的雷暴環境，僅通過54次高電壓初始先導測試，不能保證葉片在高雷暴環境中的全生命周期安全運行。高雷暴環境往往位于高海拔地區，而在高海拔地區葉片會出現在雷云中運行的情況。同時，根據之前的測試研究發現，擊穿現象全部集中在負極性測試上。因此，本文在原有驗證要求基礎上增加對10°工況的負極性測試，形成可驗證模擬高海拔、高雷暴環境中防雷系統防護能力的兩輪極限測試。

第一輪測試為依據IEC 61400-24要求的54次高電壓初始先導測試。第二輪測試在原有測試樣件基礎上在10°工況對應的A、B、C、D 4個測試姿態，分別增加7次負極性雷擊測試，共計28次試驗。圖6為防雷系統測試情況。

兩輪極限測試均未發生擊穿現象。實驗結果證明葉片防雷系統的可靠性滿足高海拔、高雷暴環境條件的使用要求。

三、接閃器腐蝕后雷擊測試分析

海上掛機試驗表明海上葉片金屬接閃器會出現一定的腐蝕現象。而對于金屬腐蝕后對葉片防雷系統的接閃效率是否會出現影響，并沒有相關規范予以規定。因此，為了驗證腐蝕后的葉尖對防雷系統是否有較大影響，對葉尖進行鹽霧試驗。試驗參考標準ISO 12944《色漆和清漆―防護涂料體系對鋼結構的防腐蝕保護》中C5-M等級，達到該等級的主要指標要求為鹽霧試驗時間不低于1440h（鹽霧試驗詳細要求如表1所示），試驗符合GB/T 10125―2012/ISO 9227：2006要求。將完成鹽霧試驗的葉尖安裝到葉片雷擊測試樣件上，按照規范要求進行高電壓初始先導測試。

試驗結果表明，54次試驗均未發生擊穿現象，試驗全部通過。測試詳情見圖7。由此可知，防雷系統接閃器在經過鹽霧腐蝕后，對防雷系統的防護性能影響在可控范圍內。

四、葉片防雷系統力學性能測試分析

風電葉片需要在風電場安全運行20年以上，而葉片防雷系統安裝在葉片中很難進行維護，為了保證葉片防雷系統安全運行，必須保證防雷系統連接可靠。因此，需要對葉片防雷系統進行力學性能測試。驗證方法為對附帶防雷系統的風電葉片進行全尺寸結構性能測試驗證 。

測試包括靜力測試、疲勞測試以及疲勞后靜力測試三個階段。通過觀測葉片防雷系統力學性能測試前后的電阻變化，來確認葉片防雷系統的連接可靠性。圖8為某型號葉片防雷系統測試前后的電阻變化情況。由圖可知，葉片測試前后電阻差值僅在±3mΩ以內，葉片防雷系統在全生命運行周期內連接滿足要求。

結論

本文主要基于規范中的認證驗證手段、高電壓初始先導測試以及力學性能測試，來驗證風電葉片防雷系統在復雜環境中的可靠性。通過本文研究可知：

葉片防雷系統認證要求已經趨近完善，有多種方式可以進行防雷系統認證。同時，現有葉片防雷系統的絕緣強度足以抑制內部先導的發生，且可以滿足高雷暴環境、高海拔地區、海上地區對葉片全生命周期內雷電防護的要求。

（作者單位：中材科技風電葉片股份有限公司）