風(fēng)電葉片防雷測試

文 | 李海濤

風(fēng)電葉片防雷測試

文 | 李海濤

近年來，隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量的增多，特別是南方雷電活躍地區(qū)裝機(jī)量的增加，葉片遭受雷擊的事故也越來越多。風(fēng)電機(jī)組葉片的防雷問題越來越受到行業(yè)上下游的重視。眾所周知，葉片防雷是風(fēng)電機(jī)組防雷的關(guān)鍵，葉片防雷性能的好壞對機(jī)組的可靠性至關(guān)重要。近年來，隨著服役機(jī)組的不斷增加，葉片雷擊損傷事故越來越多。由此暴露出國內(nèi)葉片的防雷系統(tǒng)存在如下問題：

（1）防雷設(shè)計(jì)缺乏驗(yàn)證

現(xiàn)有的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用GL2010標(biāo)準(zhǔn)中，基于葉片長度而推薦使用不同數(shù)量的接閃器的設(shè)計(jì)形式。業(yè)內(nèi)普遍對設(shè)計(jì)原理不掌握，也缺乏測試和認(rèn)證。

（2）故障多發(fā)，維護(hù)成本高

據(jù)統(tǒng)計(jì)，雷擊引起的風(fēng)電機(jī)組葉片年故障率約為5%。葉片非接閃器區(qū)域遭受雷擊，輕則留下雷擊孔，內(nèi)部形成碳化區(qū)域，造成結(jié)構(gòu)損傷；重則葉片炸裂，甚至斷裂，導(dǎo)致直接報(bào)廢。不管是更換報(bào)廢的葉片，還是修補(bǔ)葉片表面的雷擊損傷（數(shù)量多），或者是對原有的防雷系統(tǒng)機(jī)型改造都會(huì)造成高額的維護(hù)成本。

（3）難以滿足標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證要求

目前國家正在制定《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電防護(hù)》的國標(biāo)，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用IEC 61400-24:2010國際標(biāo)準(zhǔn)。這意味著行業(yè)和監(jiān)管部門層面已認(rèn)識到規(guī)范機(jī)組防雷的重要性。一旦國標(biāo)實(shí)施，對機(jī)組的防雷認(rèn)證將順理成章的展開。

此外DNV?GL公司在2015年5月已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于風(fēng)電機(jī)組電氣裝置設(shè)計(jì)規(guī)范——《Design of electrical installations for wind turbines》，該規(guī)范中明確了葉片接閃器系統(tǒng)需要驗(yàn)證。意味著如申請GL型式認(rèn)證，必須通過葉片的防雷測試。

2015年下半年開始，上海電氣開展了葉片防雷研究的相關(guān)項(xiàng)目。項(xiàng)目中有一項(xiàng)內(nèi)容是與丹麥GLPS公司合作開展葉片的防雷測試和新型防雷產(chǎn)品的導(dǎo)入。

防雷測試

標(biāo)準(zhǔn)《IEC 61400-24:2010,Wind turbine generator systems-Part 24：Lightning protection》中附錄D對葉片的防雷測試作了詳細(xì)的規(guī)定。防雷測試的分類見表1。

目前防雷測試以上海電氣W2000-116機(jī)組56.85m葉片為依托，截取葉尖約5.1m1作為測試段，送往位于丹麥海寧（Herning）的GLPS試驗(yàn)室，按照IEC 62305-1標(biāo)準(zhǔn)中的LPL Ⅰ級進(jìn)行。試驗(yàn)于2016年3月下旬進(jìn)行。

一、初始先導(dǎo)附著測試

初始先導(dǎo)附著測試是評估防雷系統(tǒng)接閃能力的關(guān)鍵。試驗(yàn)的裝置和測試示意圖見標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-24:2010中圖D.1。在該測試中，將葉片的避雷導(dǎo)線與高電壓發(fā)生器相連，不斷改變?nèi)~片試樣段與零電位平板的相對方位和角度，保持葉尖離平板的距離為1.5m。通過高壓發(fā)生器的加壓，葉片與平板間會(huì)發(fā)生擊穿，形成一道“閃電”。

表1 防雷測試分類和測試目的

標(biāo)準(zhǔn)中零電位平板在地面上，而GLPS試驗(yàn)室將平板電極放置在與地面垂直的架子上。試驗(yàn)時(shí)，通過轉(zhuǎn)動(dòng)架子來調(diào)整葉片與平板間的相對角度，這比調(diào)整葉片更加便捷。

從圖10可看出：選擇Beta(貝塔分布)曲線計(jì)算結(jié)果為1.568起/a、選擇Weibull(韋伯分布)曲線計(jì)算結(jié)果為1.806起/a、選擇Lognormal(對數(shù)正態(tài)分布)曲線計(jì)算結(jié)果為1.933起/a、選擇Gumbel(min)(極小值)曲線計(jì)算結(jié)果為1.553起/a、選擇Gumbel(max)(極小值)曲線計(jì)算結(jié)果為1.709起/a、選擇Normal(正態(tài)分布)曲線的計(jì)算結(jié)果為1.648起/a，已知實(shí)際上2016年的碰撞事故6起，計(jì)算與實(shí)際碰撞事故數(shù)的差值并比較可以得出，選擇運(yùn)用Lognormal(對數(shù)正態(tài)分布)曲線所進(jìn)行的運(yùn)算結(jié)果與實(shí)際最為接近。

在試驗(yàn)中，葉片相對平板電極有4種變槳姿態(tài)，見標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-24:2010中圖D.2中下半部。在該試驗(yàn)裝置和樣品長度下，主要測試葉片與平板電極呈60°和30°兩種角度（90°時(shí)只有一種姿態(tài)）如圖1所示。

圖1 平板電極垂直與地面（此圖中葉片與平板電極呈90°角）

圖2 第40次測試（后緣朝測試平板，30°，負(fù)閃，第1次）

圖3 掃掠通道附著試驗(yàn)測試點(diǎn)與接閃器的位置關(guān)系

初始先導(dǎo)附著測試的總試驗(yàn)測試次數(shù)為54次，詳見表2所示。

測試中，正閃的峰值電壓大概在600kV左右，負(fù)閃的峰值電壓大概在-1900kV至-1200kV之間。

試驗(yàn)是否通過的判斷依據(jù)是54次測試全部通過，即閃絡(luò)全部發(fā)生在接閃器上，不能擊中玻璃鋼部位。該測試是評估防雷系統(tǒng)能有效接閃的關(guān)鍵，通過的難度很大，第40次測試見圖2。

二、掃掠通道附著試驗(yàn)

掃掠通道附著試驗(yàn)的示意圖見圖3。在該測試中，將葉片的避雷導(dǎo)線與高電壓發(fā)生器相連，測試點(diǎn)（直徑5cm的銅的球形電極）分別位于圖3中1.1、1.2、2.1、2.2的位置，電極與葉片表面的距離為5cm。通過高壓發(fā)生器的加壓，接閃器與電極間會(huì)發(fā)生擊穿，形成閃絡(luò)。

試驗(yàn)次數(shù)總共為48次，詳見表3。

因?yàn)殡姌O離接閃器的距離很近，本試驗(yàn)中峰值電壓比初始附著測試中的電壓要小很多，大概在+200kV或-200kV左右（圖4）。

試驗(yàn)是否通過的判斷依據(jù)是48次測試全部通過。從測試結(jié)果來看，葉片順利通過了該測試。

三、電弧擊入試驗(yàn)

電弧擊入試驗(yàn)分別在葉身接閃器和葉尖接閃器上完成，目標(biāo)是注入3500庫倫以上的電荷。測試波形為30kA的震蕩電流波形疊加100至300庫侖的直流波形。試驗(yàn)次數(shù)根據(jù)每次實(shí)際注入的電荷量的不同而不同，約13至15次（圖5）。

表2 初始先導(dǎo)附著測試試驗(yàn)次數(shù)

表3 掃略通道附著測試試驗(yàn)次數(shù)

葉身接閃器電弧注入試驗(yàn)共進(jìn)行14次（圖6），總共注入3632 C的電荷量。葉尖接閃器的電弧注入試驗(yàn)如圖7所示。在測試中，電極分別放置在接閃器上方的6個(gè)位置。試驗(yàn)共進(jìn)行15次，總共注入3640C的電荷量。試驗(yàn)完成后，葉尖接閃器的外觀如圖8所示。

電弧注入試驗(yàn)是否通過的判斷依據(jù)是試驗(yàn)后葉尖和葉身接閃器的受損程度沒有影響到其接閃的功能，且能通過常規(guī)工具拆卸。從試驗(yàn)結(jié)果來看，目前國內(nèi)普遍使用的螺釘式葉身接閃器難以通過該測試。

四、非導(dǎo)電性表面試驗(yàn)

本試驗(yàn)未進(jìn)行。據(jù)GLPS介紹，IEC61400-24中這部分內(nèi)容是從航空測試標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5416中遺留而來的。最初是為了覆蓋絕緣涂層和飛機(jī)鋁機(jī)身頂部以及擋風(fēng)玻璃上的貼紙的風(fēng)險(xiǎn)。目前這個(gè)測試從未在葉片上做過，這也得到了GL的認(rèn)可。并且會(huì)在IEC 61400-24 Ed2.0中刪除。目前的觀點(diǎn)認(rèn)為非導(dǎo)電性表面試驗(yàn)的影響可以由掃略通道試驗(yàn)和電弧注入試驗(yàn)覆蓋。

五、傳導(dǎo)電流試驗(yàn)

傳導(dǎo)電流試驗(yàn)的測試參數(shù)見表4所示。測試是以防雷等級I的參數(shù)實(shí)施的。與電弧注入試驗(yàn)類似，傳導(dǎo)電流測試也分葉尖接閃器與導(dǎo)線的連接組件（如圖9）和葉身接閃器與底座的連接組件（如圖10）兩項(xiàng)。

圖4 位置2.2 負(fù)閃第1次

圖5 葉身接閃器與底座連接件及試驗(yàn)裝置照片

每次試驗(yàn)依次施加下列數(shù)量和波形的電流：7×50kA 10/350us、8×100kA 10/350us、3×150kA 10/350us、2×200kA 10/350us。葉身接閃器與導(dǎo)線的連接組件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

圖6 葉身接閃器第10次測試照片（注入電荷量311C，峰值電流41.9kA）

圖7 葉尖接閃器的電弧注入試驗(yàn)照片

圖8 完成測試后的葉尖接閃器

表4 傳導(dǎo)電流測試參數(shù)（引自IEC62305-01附錄C 表C.1）

圖9 葉尖接閃器與導(dǎo)線的連接組件的傳導(dǎo)電流試驗(yàn)

圖10 葉身接閃器與導(dǎo)線的連接組件的傳導(dǎo)電流試驗(yàn)

從表4中可以看出，峰值電流、單位能量和電量都滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。最大施加的單位能量達(dá)到了13.06 MJ/Ω。

傳導(dǎo)電流測試是否通過的判斷依據(jù)是：連接結(jié)構(gòu)連接牢固，無松開、脫落；無火花和大的電弧產(chǎn)生；試驗(yàn)前后，連接組件的連通性能無明顯變化（測量電阻）；可更換部分可使用普通工具拆卸。從測試結(jié)果來看，該測試對導(dǎo)線連接的牢固性有較大的考驗(yàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)關(guān)注導(dǎo)線連接的可靠性。

結(jié)論

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求對葉片防雷性能進(jìn)行測試、評估是驗(yàn)證葉片防雷可靠性的關(guān)鍵。通過本次防雷系統(tǒng)的測試，我們見證了自身防雷系統(tǒng)的優(yōu)勢，也檢視了自身防雷系統(tǒng)的不足。最后與GLPS一起，對原有的防雷系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，之后順利通過了全部的測試，取得了GLPS出具的防雷系統(tǒng)符合IEC61400-24標(biāo)準(zhǔn)的證明。

表5 葉身接閃器與導(dǎo)線的連接組件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（注1：GLPS接受全尺寸的葉片防雷系統(tǒng)測試。為節(jié)省運(yùn)輸成本，試驗(yàn)樣品長度的依據(jù)是IEC61400-24中規(guī)定，初始附著測試中，如裝置A受垂直空間的實(shí)際限制，可能要求對較短葉片試樣（長度可能為2m－4m）在60° 及90°位置進(jìn)行試驗(yàn)?？紤]到我們自身防雷系統(tǒng)的第一對葉身接閃器在離葉尖5m處，為將該對接閃器涵蓋，最后定了5.8m這一集裝箱最大的長度限制（扣除包裝箱的厚度）。葉片試驗(yàn)段未涂裝，雖然IEC61400-24中要求“所有表面處理以及油漆處理都應(yīng)當(dāng)包括在內(nèi)，以確保測試結(jié)果與現(xiàn)實(shí)相符合”，但GLPS認(rèn)為如果有無涂層是造成測試是否通過的因素的話，那該設(shè)計(jì)也太靠近極限了。且之前他們測試過很多未涂裝的葉片，其中一些是要求DNV·GL認(rèn)證的，且最終獲得了認(rèn)證。）

（作者單位：上海電氣風(fēng)電集團(tuán)）