風(fēng)電機(jī)組葉片雷電損傷機(jī)理及防護(hù)方法研究

文 | 周家東，韓敏，黃虎

雷電是自然界中的強(qiáng)放電現(xiàn)象，據(jù)估計(jì)，全球每年大約發(fā)生10億次雷暴，地球上每時(shí)每刻有2000個(gè)雷暴云存在。在我國，根據(jù)最近幾年雷電監(jiān)測(cè)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(cái)產(chǎn)的安全，對(duì)航空、航天、通信、風(fēng)電、建筑、石油化工等國防和國民經(jīng)濟(jì)的許多部門都有著重大的影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)械部件以及電氣控制系統(tǒng)的損傷。

目前，風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行雷電防護(hù)的主要機(jī)理是防雷。葉片防雷主要是通過在葉片表面上加防護(hù)材料，同時(shí)在接地區(qū)加強(qiáng)接地，讓雷電流擊中防護(hù)材料并盡快將雷電流傳導(dǎo)到大地，避免對(duì)被防護(hù)部件本身造成雷擊損傷。然而，目前風(fēng)電行業(yè)對(duì)雷電損傷機(jī)理還不是很清楚，不清楚不同的雷電流損傷機(jī)理對(duì)葉片損傷的影響，不知道該在葉片設(shè)計(jì)時(shí)如何選擇防護(hù)方法以及選擇什么樣的防護(hù)材料以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電防護(hù)要求。

本文主要通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片雷電流（10/350波形）損傷機(jī)理進(jìn)行分析，介紹了幾種不同防雷機(jī)理所對(duì)應(yīng)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(shí)，對(duì)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(fēng)電機(jī)組雷電損傷機(jī)理分析

自然界真實(shí)的雷電放電是一個(gè)高電壓和大電流同時(shí)存在的過程，高電壓會(huì)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(gè)路線，真正造成葉片損傷的是雷電大電流。雷電流是一個(gè)電流源，與雷電損傷以及雷電防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有關(guān)的4個(gè)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(fù)雷擊有最高的di/dt。根據(jù)IEC61400-24標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雷電流波形一般由短時(shí)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(fēng)電機(jī)組雷電最嚴(yán)苛的一級(jí)雷電防護(hù)參數(shù)是200kA，10MJ/Ω，300C，200kA/μs。其中，短時(shí)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(shí)間T2小于2ms；后續(xù)長雷擊持續(xù)電流為200C，持續(xù)時(shí)間Tlong一般小于1s，所以總的電荷轉(zhuǎn)移量為300C。

圖1 短時(shí)沖擊電流波形

圖2 長雷擊持續(xù)電流波形

風(fēng)電機(jī)組雷電直接效應(yīng)損傷主要是由峰值電流、作用積分以及庫倫量三個(gè)參數(shù)共同決定的，而間接效應(yīng)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(duì)風(fēng)電葉片的直接雷電效應(yīng)損傷。

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

一、機(jī)械效應(yīng)損傷

雷電流的機(jī)械效應(yīng)損傷主要包括聲壓效應(yīng)和電磁壓效應(yīng)，在電流峰值作用時(shí)，機(jī)械效應(yīng)會(huì)導(dǎo)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(fēng)電機(jī)組直擊雷的短時(shí)沖擊電流200kA、10MJ/Ω的能量等級(jí)導(dǎo)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(dá)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(huì)沿電弧方向不斷傳播，當(dāng)聲壓被葉片表面阻擋，就會(huì)對(duì)葉片產(chǎn)生很大的破壞力，導(dǎo)致葉片斷裂。同時(shí)，環(huán)流產(chǎn)生的電磁力也會(huì)對(duì)電弧柱及材料內(nèi)部產(chǎn)生明顯的機(jī)械效應(yīng)，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(yīng)而增強(qiáng)，當(dāng)這種增強(qiáng)的內(nèi)部壓力撞擊葉片復(fù)合材料表面，會(huì)產(chǎn)生額外的機(jī)械壓力，稱為“磁壓”。最后，由于葉片復(fù)材結(jié)構(gòu)件的迅速溫升會(huì)產(chǎn)生膨脹效應(yīng)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)額外的機(jī)械壓力。

葉片機(jī)械效應(yīng)造成的最嚴(yán)重?fù)p傷形式是當(dāng)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(shí)，電弧可能會(huì)在葉片內(nèi)部的空腔、復(fù)合材料層間，或者沿著葉片內(nèi)表面形成。當(dāng)雷電流在葉片復(fù)合材料層間或其內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)時(shí)，由于復(fù)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(kuò)散可能會(huì)導(dǎo)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(yīng)損傷

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

電弧熱效應(yīng)是由短時(shí)沖擊雷電和持續(xù)電流共同決定的。熱效應(yīng)在持續(xù)電流作用階段尤為明顯，熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料表面溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)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(yīng)損傷的尺寸與總的電荷轉(zhuǎn)移量有關(guān)，基本符合線性關(guān)系。

雷電流熱效應(yīng)損傷的主要能量源是直接的等離子電弧熱流（通過傳導(dǎo)、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(duì)于電弧熱，其熱效應(yīng)損傷區(qū)域主要集中在雷電附著點(diǎn)附近，而對(duì)于電阻熱，其熱效應(yīng)損傷在整個(gè)結(jié)構(gòu)件區(qū)域，如果雷電傳導(dǎo)截面積足夠，其損傷在電弧入點(diǎn)和接地區(qū)域，如果雷電傳導(dǎo)截面積不夠，則會(huì)造成整個(gè)傳導(dǎo)路徑上都會(huì)有損傷。

圖3 雷擊附著點(diǎn)處各種直接效應(yīng)損傷

風(fēng)電機(jī)組葉片常用雷電防護(hù)方法介紹

目前，高大建筑物進(jìn)行雷電防護(hù)的主要方法有三個(gè)：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(jìn)行防護(hù)，抑制上行雷電先導(dǎo)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(hù)物體。防雷則主要是通過在被保護(hù)部件上加防護(hù)材料，將雷電流通過防護(hù)材料傳導(dǎo)到大地，避免對(duì)被防護(hù)部件本身造成雷擊損傷。然而對(duì)于風(fēng)電機(jī)組葉片而言，避雷法和引雷法不僅防護(hù)效果達(dá)不到要求，而且防護(hù)成本還高，因此逐漸被棄用?，F(xiàn)在對(duì)于風(fēng)電機(jī)組葉片而言，防雷法成為其雷電防護(hù)的主要方法。對(duì)于傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片，雷電防護(hù)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(jī)理為接閃器定點(diǎn)接閃雷電流、引下線傳導(dǎo)雷電流。雷擊是空氣中的電擊穿，電場(chǎng)強(qiáng)度是空氣能否擊穿的主要量度，當(dāng)雷電下行先導(dǎo)到達(dá)雷擊高度后，接閃器作為金屬導(dǎo)體，會(huì)產(chǎn)生大量的感應(yīng)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(dǎo)和接閃器之間形成的電場(chǎng)強(qiáng)度最強(qiáng)。接閃器產(chǎn)生上迎先導(dǎo)和雷電下行先導(dǎo)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(chǔ)上，對(duì)于容易產(chǎn)生上行先導(dǎo)，造成雷電流擊穿的引下線或者其他金屬結(jié)構(gòu)件，進(jìn)行雷電先導(dǎo)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(jìn)行相應(yīng)的絕緣設(shè)計(jì)，消除絕緣薄弱環(huán)節(jié)，抑制感應(yīng)電荷的產(chǎn)生，抑制上行先導(dǎo)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(dǎo)流條防雷法

片段式導(dǎo)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(dá)到導(dǎo)流條的擊穿電壓時(shí)，所有獨(dú)立的等離子區(qū)域繼續(xù)發(fā)展，相互連接在一起，在導(dǎo)流條上方形成一條等離子體通道，雷電流通過這個(gè)通道傳導(dǎo)到引下線，最終泄放到大地。

然而，以上三種方法都只能應(yīng)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(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行雷電防護(hù)的新方法。

碳纖維葉片防雷法——雷電防護(hù)金屬網(wǎng)

延性雷電防護(hù)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(fù)合材料在葉片上的應(yīng)用，由于碳纖維也是導(dǎo)體，會(huì)成為雷電附著點(diǎn)，因此，碳纖維葉片遭雷擊的風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于玻璃纖維葉片，并且碳纖維復(fù)合材料葉片遭受雷擊后的損傷效果也遠(yuǎn)大于玻璃纖維葉片。為了對(duì)碳纖維葉片進(jìn)行有效的雷電防護(hù)，常在碳纖維材料的表面鋪設(shè)防雷金屬網(wǎng)來接閃和傳導(dǎo)雷電流。

中國風(fēng)電機(jī)組葉片雷電防護(hù)采用了GB/T 33629—2017和IEC 61400-24—2000標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)大于軍工行業(yè)2MJ/Ω的防雷等級(jí)。并且風(fēng)電機(jī)組葉片比飛機(jī)更易遭受雷擊，一般飛機(jī)整個(gè)飛行周期內(nèi)最多遭受兩次雷擊，而風(fēng)電機(jī)組葉片整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)僅200kA的雷電流就會(huì)有3~5次，總的雷擊次數(shù)可達(dá)幾十到幾百次。因此，風(fēng)電行業(yè)的雷電防護(hù)等級(jí)是要遠(yuǎn)高于軍工行業(yè)的，風(fēng)電行業(yè)所用金屬網(wǎng)的防雷能力遠(yuǎn)高于軍工行業(yè)。

在葉片上應(yīng)用雷電防護(hù)金屬網(wǎng)時(shí)，需要考慮雷電防護(hù)金屬網(wǎng)的選擇、雷電防護(hù)金屬網(wǎng)的應(yīng)用工藝選擇等問題。目前，碳纖維葉片主要用于海上風(fēng)電場(chǎng)，海上葉片安裝成本高，后期維護(hù)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(hù)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(fù)或少修復(fù)；金屬網(wǎng)能夠傳導(dǎo)雷電流，沿著電流傳導(dǎo)方向不會(huì)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(yàn)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(duì)復(fù)合材料進(jìn)行雷電流防護(hù)。

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(hào)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(dǎo)區(qū)域，金屬網(wǎng)出現(xiàn)整個(gè)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(dǎo)200kA的雷電流。ABEMM-Cu820防雷銅網(wǎng)，要傳導(dǎo)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(yīng)用工藝也會(huì)對(duì)防雷效果產(chǎn)生很大的影響。雷電防護(hù)金屬網(wǎng)的應(yīng)用工藝包含金屬網(wǎng)的鋪設(shè)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(jìn)行搭接時(shí)，對(duì)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(jìn)行搭接時(shí)，對(duì)接間隙大于1cm的搭接工藝搭接區(qū)金屬網(wǎng)和復(fù)合材料的損傷都比較大。圖7則顯示了接地工藝對(duì)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(duì)防雷銅網(wǎng)防護(hù)效果的影響

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

圖7 接地工藝對(duì)防雷銅網(wǎng)防護(hù)效果的影響

結(jié)論

通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組雷電損傷機(jī)理的研究，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片損傷影響最大的兩個(gè)因素分別是作用積分和庫侖量，風(fēng)電機(jī)組雷電作用積分的最高等級(jí)是10MJ/Ω，會(huì)在風(fēng)電機(jī)組葉片上產(chǎn)生很大的電阻熱，尤其是在雷電流的入點(diǎn)和出點(diǎn)造成比較大的損傷。而風(fēng)電機(jī)組雷電庫侖量的最高等級(jí)會(huì)達(dá)到300C，最終會(huì)在葉片上燒蝕出很大的孔洞。因此，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組葉片雷電防護(hù)，要比飛機(jī)雷電防護(hù)更加困難。

風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)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(dǎo)流條防雷法，都有其各自的優(yōu)點(diǎn)。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(hù)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(yīng)用工藝都會(huì)對(duì)金屬網(wǎng)的防雷效果產(chǎn)生決定性的影響。

攝影：吳振華