風電葉片新型防雷設計的仿真和試驗研究

肖 瓊，何相勇，馮學斌，梁鵬程，胡杰樺，戴龍俠，姚 威，韓 敏

（1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007；2.西安愛邦電磁技術有限責任公司，陜西 西安710077；3.愛邦雷電與電磁環境實驗室，陜西 西安710077）

0 引言

中國是風力發電發展最快的國家，特別是2017年7月國家能源局正式發布了《國家能源局關于可再生能源發展“十三五”規劃實施的指導意見》，規劃2017-2020年各地新增風電建設規模共計110.41 GW。隨著風電裝機的快速發展，風電系統安全，特別是雷電安全受到了空前的重視，國內外相關案例都表明，雷擊是嚴重威脅風力發電場安全的主要問題之一[1]，[2]。

安裝于高原、沿海、海上等空曠地形條件下的風電機組高度普遍超過100m，葉片又處于機組的最高位置，是最容易受雷擊的部件[3]。由于葉片的長度長、重量大、運輸和更換困難、維修成本高，雷電造成的停機和維修等成本巨大[4]。因此，在葉片設計之初就考慮葉片防雷，進行優化和針對性設計，在風力機運行階段可大幅降低維護成本、提高運行可靠性[5]，[6]。

本文以株洲時代新材公司某型號的葉片為模型，綜合考慮直擊雷與雷電電磁脈沖效應的防護，根據葉片的結構特性，研究組合使用葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線等設備和方法，并采用仿真和試驗相結合的方法，實現了葉片綜合雷電防護的優化設計和驗證。

1 葉片新型防雷設計

針對風力機葉片的雷擊情況已有很多研究，風電場雷擊統計數據和有關的理論計算均表明，超過95%的雷擊落點集中在葉尖5m區域[2]，[7]～[9]。因此，本文重點研究葉尖6m區域內的防雷設計。

葉片葉尖的防雷設計如圖1所示。防雷系統由葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線、連接結構和絕緣裝置等構成。

圖1 葉尖防雷系統的設計Fig.1 The design of lightning protection system at blade tip area

葉尖接閃器作為葉片的第一個接閃裝置，在距離葉尖4.5 m處設置了第二個葉身接閃器。葉尖的內置后端采用倒角設計，可有效降低葉尖后部的尖端放電風險，同時采用環氧樹脂進行包裹，既能牢固的粘接葉尖，又能起到良好的絕緣作用。葉尖接閃器如圖2所示。

圖2 葉尖接閃器的設計Fig.2 The design of tip receptor

葉身接閃器的位置設計如圖3所示。支導線和主導線的夾角設計成30°，葉身接閃器截面內的總弦長為1m，考慮到葉片在運轉過程中先導掃略，接閃器布置在距離后緣0.15 m處。

圖3 葉身接閃器的位置設計Fig.3 The position design of body receptor

支導線和主導線連接采用銅管壓接的方式，并在連接處采用高壓熱縮管進行包裹絕緣，用環氧樹脂進行絕緣處理，可以防止在高電壓作用下，連接處的電場發生畸變，使葉片內部引雷。

與傳統防雷系統相比，新型葉片雷電防護系統具有以下特點：

①第二個接閃器的位置更靠近葉尖；

②葉尖接閃器的內置后端采用倒角設計；

③所有葉片內部的裸露金屬均采取強絕緣保護；

④支導線和主導線的夾角控制；

⑤葉身接閃器在后緣方向合理布置。

2 葉片在雷電作用下的損傷機理與仿真

復合材料葉片遭受雷擊破壞的過程是包含了電、磁、力、熱多效應的復雜過程。仿真主要針對雷擊的電-熱及其耦合效應，對損傷機理進行數值模擬分析，以獲得雷擊電流的脈沖波形對損傷的影響[10]。

2.1 仿真模型的建立

根據葉片防雷系統設計，材料和結構劃分為以下4部分。

①葉片：為玻璃纖維環氧樹脂基復合層合板，由4層單層結構組成，厚度為2.6 ×10-3m，單層結構是構成復合材料板的基本單元，宏觀特性表現為準正交各向異性。

②葉尖接閃器：葉片尖端為鋁質葉尖接閃器，葉尖接閃器和葉片基體間為一層環氧膠粘接，邊框為封閉的鋁合金條。葉尖接閃器裝在葉片葉尖端部，上部的第一節外形和葉片的翼型完全一致，既能充當正常翼型發電，又能作為接閃器引雷，具有接閃面積大，橫截面積大，雷擊損傷小的特點。

③葉身接閃器：離葉尖4.5 m位置為銅材質的接閃器，與葉尖之間使用同種材料制作的連接線。為簡化模型，接閃器和連接線在仿真中視為各同向性材料。葉身接閃器裝在葉片的非葉尖區域，其上部圓形薄板具有接閃作用，貼合葉片外表面安裝，既不影響葉片氣動性能，又能保護葉片玻璃鋼區域不受雷擊損傷。

④絕緣填料：連接線使用交聯聚乙烯的絕緣材料包裹，嵌入到葉片中。絕緣材料和葉片基體中為一層環氧膠。為簡化模型，絕緣材料在仿真中視為各同向性材料。

接閃器的特性決定了整個葉片在遭受雷電流作用后的損傷狀況，因此，本文在仿真中采用的模型為單層層合板和接閃器的粘接結構。采用的數值仿真計算軟件為CST EM Studio和COMSOL，均基于有限元方法。本文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，精確地建立復雜的幾何結構模型，并通過區域取樣點的疏密程度適應不同材料和電/磁場分布差異，實現計算精度和計算量的最優組合，網格劃分如圖4，5所示。

圖4 接閃器網格剖分Fig.4 Mesh of receptors

圖5 主導線和支導線的網格劃分Fig.5 Mesh ofmain conductor and branch conductor

2.2 接閃器在雷電作用下的響應

當葉尖接閃器置于雷電環境中，計算其表面的電場分布。電場較大的部位更易產生雷電先導，雷電先導的部位容易成為雷電的擊入點。圖6為葉尖接閃器表面電場分布圖。由圖6可知，葉尖接閃器的多個尖端上電場值超過電場最大值的95%，這些尖端點都有可能成為雷擊的擊入點。

圖6 葉尖接閃器表面電場分布圖Fig.6 Electric field distribution of tip receptor surface

根據仿真結果和實際情況設置雷電流入點和流出點的位置，進而通過多物理場計算出鋁葉尖遭受雷擊后表面的溫度分布情況，進一步分析接閃器的雷電損傷效應。

由于鋁的電導率較高，且雷電流為脈沖信號，產生了明顯的趨膚效應。因此雷電流在鋁葉尖上的分布不均勻，主要沿導體外表的薄層傳播，越靠近導體表面，電流密度越大，內部電流較小。在電流密度較大的地方可能導致溫度升高。圖7為鋁葉尖表面電流和溫度在某時刻的分布情況，圖中深色部分的溫度為大于或等于復合材料發生損傷的穩定值100℃。更多的仿真表明，隨著時間增加，雷電注入點和流出點附近溫度逐漸升高，高于100℃的范圍也逐漸增大。對于玻璃鋼材料，當溫度高于100℃時，性能會明顯降低，因此，當葉身與圖中深色部分緊密接觸時便可能產生損傷。

圖7 葉尖接閃器某時刻的電流和溫度Fig.7 Current and temperature ata certain time of tip receptor

葉身接閃器仿真如圖8所示，其遭雷擊過程 與葉尖相同，結論也類似。

圖8 葉身接閃器某時刻表面電流和溫度Fig.8 Currentand temperature ata certain time of body receptor

2.3 數值仿真結論

從仿真結果可以得出結論：接閃器雷電擊入點較多，尤其是包裹在葉片內部的兩個尖端也會成為雷電的擊入點，此時將葉尖接閃器包裹在內部的尖端作圓角處理，降低內部尖端的接閃概率；當葉尖/葉身接閃器整體通流能力足夠，接閃器主結構不會有致命損傷；當雷電附著至接閃器邊緣時，可能會造成一定局部損傷，進而成為葉片電化學腐蝕的誘因，降低接閃器和葉片的使用年限。

3 試驗驗證

為驗證設計和仿真的有效性，委托愛邦電磁雷電與電磁效應試驗室對葉片防雷系統進行了驗證試驗。按照IEC61400-24 Wind turbines-Part 24：Lightning protection包含的所有試驗項目，針對葉片進行雷電防護試驗，驗證風電葉片防雷系統性能。驗證試驗包括初始先導附著試驗、掃掠試驗和電流沖擊試驗。

3.1 驗證試驗設置

風電葉片雷電試驗基本設備如圖9所示。圖9（a）為沖擊電壓設備，用于風電葉片初始先導附著試驗和掃掠試驗，圖9（b）為沖擊電流設備，用于電弧注入試驗和電流傳導試驗。

圖9 試驗設備Fig.9 Testequipment

試驗件為風電葉片葉尖段，試驗件包含以下3個部分：6m試驗件、3m葉尖（從6m試驗件進行截取）和3m葉身部分（從6m試驗件進行截取）（圖10）。制作的試驗件中接閃器和2.1 節仿真模型是基本一致的（參照2.3 節中的仿真結論，對試驗的葉尖接閃器進行了改善，即葉尖接閃器包裹在內部的尖端作圓角處理），數值模擬和物理試驗的條件也是基本一致的。

圖10 試驗樣品Fig.10 Test sample

3.2 試驗過程和結果

（1）葉片初始先導附著試驗

試驗裝置如圖11所示。

根據標準要求，初始先導附著試驗波形要求上升沿截斷，且截斷時間大于50μs。將葉片吊起，使其和接地平面角度為30°，試驗結果如圖12所示。

圖12 相對于接地平面30°兩極性試驗過程Fig.12 Two kinds of polarity of test in 30°leading edge to ground

初始先導附著試驗表明，所有放電附著點均落在葉片接閃系統上，且高壓放電未造成葉片結構的絕緣擊穿。

圖11初始先導附著試驗Fig.11 Initial pilotattachment test

（2）掃掠通道附著試驗

為了驗證葉身接閃器在風電葉片旋轉過程中暴露于初始先導雷擊沿表面短距離掃掠情況，設置了掃掠通道附著試驗（圖13）。

圖13 掃掠通道附著試驗Fig.13 Sweep channel attachment test

試驗時：使用絕緣支柱將葉片撐起，距離地面高度1m，將接閃器及雷電防護系統引下線接地；將沖擊電壓發生器的輸出端接放電電極；放電電極為直徑50mm的球形電極；放電電極位于試驗件放電位置豎直上方50mm處。試驗結果如圖14所示。

圖14 掃掠通道附著試驗結果Fig.14 Resultof sweep channel attachment test

掃掠通道附著試驗表明，所有電弧均通過葉片外表面閃絡到接閃器上，電弧放電未造成葉片結構的絕緣擊穿。

（3）電流沖擊試驗

為了確定因雷電附著于葉片及雷電能量從接閃器注入造成的直接效應損傷，設計了電流沖擊試驗。試驗包括電弧注入和電流傳導。電弧注入主要考慮注入電弧對葉片表面及下方導電性結構（用作引下線等）以及對于支撐表面的結構性元件的影響。電流傳導主要考慮沖擊電流對葉片防雷防護系統各連接部分的影響。試驗裝置如圖15所示，電弧注入和電流傳導放在一個試驗裝置中實現。

圖15 電弧注入試驗和電流傳導試驗Fig.15 Arc injection test and current conduction test

如圖16所示，試驗時，使用絕緣支柱將葉片撐起，距離地面高度1m，將沖擊電流發生器的輸出端連接至放電電極，將放電電極調整至放電位置豎直上方50mm處，在放電電極和放電位置之間放置一根直徑為0.1 mm的銅絲作為放電引線。

圖16 電弧注入試驗和電流傳導試驗結果Fig.16 Result of arc injection test and current conduction test

電弧注入試驗表明，電流放電未造成葉片雷電防護系統和葉片結構的破壞，連接處螺釘沒有松動，試驗后接閃器可拆卸。電流傳導試驗表明，電流傳導未造成葉片雷電防護系統和連接處結構的破壞。

4 結論

風力發電機組中的葉片最容易遭受雷擊損壞，本文設計了一套新型風力機葉片雷電防護系統，分析了葉片遭受雷擊損壞的機理，并通過仿真和雷電試驗，驗證了該系統可以有效攔截直擊雷，對雷電掃掠等過程造成的雷電損傷實現了有效的防護。