風輪葉片防雷金屬網(wǎng)等效截面積研究

梁鵬程 肖瓊 周家東 熊秀

隨著新一代風電機組輪轂高度和風輪直徑尺寸的增加，為了提供更高的發(fā)電功率，必須增加葉片剛度，使用更多的碳纖維復合材料。然而，碳纖維復合材料是導體，因此必須對碳纖維葉片進行雷電防護，以防止碳纖維葉片之間產(chǎn)生內(nèi)部電弧以及碳纖維葉片遭受直接雷擊。同時，電加熱除冰葉片由于使用碳纖維或其他導電材料作為加熱組件，比傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片更容易遭受雷擊。

得益于防雷金屬網(wǎng)在飛機碳纖維復合材料上的成功應用，碳纖維葉片和電加熱除冰葉片等含有導電組件的風輪葉片也越來越多地采用防雷金屬網(wǎng)進行雷電防護。然而，無論是葉片制造廠、整機廠，還是業(yè)主對葉片防雷知識還不夠了解，選取防雷金屬網(wǎng)時也沒有可參考的依據(jù)，造成很多在葉片上使用的金屬網(wǎng)達不到雷電防護的要求，葉片遭受雷擊后同樣會造成損傷。本文通過理論計算、仿真分析以及試驗相結(jié)合的方法對防雷金屬網(wǎng)等效截面積進行研究，為碳纖維葉片和電加熱除冰葉片選擇合適的防雷金屬網(wǎng)提供了依據(jù)。雷電防護金屬網(wǎng)等效截面積計算方法

根據(jù)研究，防雷金屬網(wǎng)宜選用具有較多優(yōu)點的延性金屬網(wǎng)。防雷金屬網(wǎng)在風電葉片雷電防護中同時起接閃雷電流和傳導雷電流的雙重作用，根據(jù)IEC 62305-3和IEC 61400-24的要求，使用銅導線作為引下線傳導200kA的雷電流，當機械強度不是必備要求時，導線的最小截面積為25mm²;當機械強度是必備要求時，導線的最小截面積為50mm²。當用鋁導線作為引下線時。導線的最小截面積為50mm²。由于防雷金屬網(wǎng)粘貼于風電葉片外表面，使用時不必考慮金屬網(wǎng)的機械強度，因此按照IEC 61400-24的要求，防雷銅網(wǎng)作為引下線的最小截面積要求為25mm²，防雷鋁網(wǎng)作為引下線的最小截面積要求為50mm²。通常風電技術(shù)人員即根據(jù)該標準要求進行金屬網(wǎng)截面積選擇，但該標準所規(guī)定的導線最小截面積要求是否適用于防雷金屬網(wǎng)，以及如何計算防雷金屬網(wǎng)的等效截面積卻并沒有理論依據(jù)。

本文提出了一個計算金屬網(wǎng)等效截面積的理論模型，并總結(jié)出防雷金屬網(wǎng)等效截面積的計算公式。防雷金屬網(wǎng)的等效截面積與金屬網(wǎng)的接地方式有關，假設金屬網(wǎng)只采用葉尖接地或者葉根接地的方式，則金屬網(wǎng)上電流只會沿著一個方向傳導。金屬網(wǎng)的電流傳導模型如圖1所示。

假設防雷金屬網(wǎng)的電流從左側(cè)流入，電流在菱形金屬網(wǎng)上的傳導方向如圖1中紅色箭頭所示，電流傳導截面垂直于電流方向。如圖中綠色線所示，沿著電流方向做垂線，所有綠色線與菱形金屬網(wǎng)重疊面積之和，即為防雷金屬網(wǎng)的等效截面積。

防雷金屬網(wǎng)的網(wǎng)格為菱形，長節(jié)距為Lt，短節(jié)距為st，梗寬為h，厚度為d，金屬網(wǎng)的總寬度為w，垂直于電流方向金屬梗絲的根數(shù)為n，相鄰兩根金屬梗絲之間的距離為r。

結(jié)合圖示可知，垂直于電流方向金屬梗絲根數(shù)n的計算公式為：

如果防雷金屬網(wǎng)采用葉尖和葉根同時接地的方式，則金屬網(wǎng)上電流會沿著兩個方向傳導，電流傳導模型如圖2所示。向右傳導電流如紅色箭頭所示，向左傳導電流如藍色箭頭所示。

假設沿著兩個方向傳導的雷電流大小相同。則防雷金屬網(wǎng)的等效截面積為：

實際即使采用雙側(cè)接地的方式，由于兩側(cè)接地電阻大小不同，沿著兩側(cè)傳導的雷電流大小不可能相同，因此雙側(cè)接地防雷金屬網(wǎng)的等效截面積小于2·d.h·n。

雷電防護金屬網(wǎng)等效截面積計算方法的驗證

一、仿真算法的可靠性驗證

本文采用了數(shù)值仿真軟件COMSOL Multiphysics來計算金屬網(wǎng)的電阻熱效應，雷電流分量為ICE 61400-24規(guī)定的標準10/350雷電流波形，如果防雷銅網(wǎng)的最高溫度超過銅的熔點1083。C，則認為防雷銅網(wǎng)會出現(xiàn)熔斷性損壞。為了證明仿真模型的可靠性。選用不同寬度的ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)進行傳導電流仿真，并與雷電試驗結(jié)果進行對比。雷擊試驗為短沖擊電弧注入電流試驗，一端接地，注入200kA、10MJ/Ω的電流后，觀察雷電流傳導路徑中有無銅網(wǎng)熔斷損傷。

如圖3（a）所示，寬度為550mm的ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)在150kA的雷電流作用后，其仿真結(jié)果顯示銅網(wǎng)的最高溫度為1250°C，超過了銅網(wǎng)的熔點，會出現(xiàn)防雷銅網(wǎng)熔斷現(xiàn)象：雷電試驗結(jié)果也表明防雷銅網(wǎng)發(fā)生大范圍熔斷，如圖3（b）所示。但如圖3（c）所示，當防雷銅網(wǎng)的寬度增加到600mm，ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)在150kA雷電流作用下，其溫升只有870°C，不會超過銅網(wǎng)熔點;雷電試驗結(jié)果也表明防雷銅網(wǎng)不會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象，如圖3（d）所示。圖3仿真和試驗結(jié)果的一致性說明了仿真模型的可靠性。

二、等效截面積算法的仿真驗證

為了驗證上述防雷金屬網(wǎng)等效截面積計算理論公式（2）和（3）的正確性，選用不同寬度的ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)進行傳導電流仿真。

不同寬度的ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)傳導200kA、10MJ/f2的雷電流，其溫度分布如圖4所示。由圖4可以看出，防雷銅網(wǎng)的梗絲處溫度最高，節(jié)點處溫度最低，因此防雷銅網(wǎng)斷裂時梗絲處先熔斷。當銅網(wǎng)的寬度為440mm時，銅網(wǎng)會熔斷，而當銅網(wǎng)的寬度增大到460mm時，銅網(wǎng)不會熔斷。

ABEMM防雷金屬網(wǎng)的尺寸參數(shù)如表1所示，根據(jù)公式（2）計算的不同寬度ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)的等效截面積及最高溫度如表2和圖5（a）所示，當ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)的寬度為440mm時，其金屬網(wǎng)的截面積是24.25mm²，金屬網(wǎng)會熔斷;而當其寬度增加到460mm時，截面積為25.35mm²金屬網(wǎng)不會熔斷。

由圖5（b）可以看出，當按公式（2）計算的ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)的截面積大于25mm²時，防雷銅網(wǎng)的最高溫度也低于銅的熔點1083°C，即銅網(wǎng)不會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象。而防雷銅網(wǎng)傳導一次200kA、10MJ/Ω的雷電流，其最小截面積要求在25mm²左右，這說明按照公式（2）計算防雷金屬網(wǎng)的等效截面積是正確的。防雷鋁網(wǎng)的最小截面積要求

一、防雷鋁網(wǎng)的等效截面積計算

防雷銅網(wǎng)仿真結(jié)果證明了防雷金屬網(wǎng)等效截面積理論公式（2）的正確性。因此，可以用該公式來計算不同型號防雷鋁網(wǎng)的等效截面積，并用仿真軟件計算不同截面積防雷鋁網(wǎng)的最高溫度，以找到防雷鋁網(wǎng)傳導一次200kA、10MJ/Q雷電流的最小截面積要求。

在本計算中，選用了ABEMM-All35、ABEMM-All87、ABEMM-A1220三種不同面密度型號的防雷鋁網(wǎng)進行最小截面積計算，根據(jù)公式（2）計算不同寬度ABEMM防雷鋁網(wǎng)的等效截面積，并用仿真軟件計算不同寬度防雷鋁網(wǎng)的溫度分布。取不同截面積防雷鋁網(wǎng)的最高溫度進行繪圖，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，對于不同型號ABEMM防雷鋁網(wǎng)，當防雷鋁網(wǎng)的截面積大于35mm²時，防雷鋁網(wǎng)的最高溫度均低于鋁的熔點660°C，即金屬鋁網(wǎng)不會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象。因此，對于防雷鋁網(wǎng)，其最小截面積達到35mm²左右時，即可滿足傳導一次200kA、10MJ/Ω雷電流的防護要求。

二、防雷鋁網(wǎng)等效截面積的驗證

為了驗證35mm²的最小截面積要求是否合理，本文選擇了兩種不同型號的防雷鋁網(wǎng)進行仿真和試驗驗證，這兩種不同型號的防雷鋁網(wǎng)等效截面積分別分布于35mm²兩側(cè)。如圖7（a）所示，仿真結(jié)果表明。截面積為32.83mm²的ABEMM-A1135-650防雷鋁網(wǎng)傳導一次200kA雷電流時，其最高溫升為719°C，高于金屬鋁的熔點660°C，ABEMM-A1135-650防雷鋁網(wǎng)會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。電流試驗結(jié)果也表明，在雷電流傳導路徑中，金屬鋁網(wǎng)出現(xiàn)大范圍熔斷現(xiàn)象，如圖7（b）紅色箭頭所示。結(jié)果表明，當防雷鋁網(wǎng)的截面積為32.83mm²時，達不到傳導200kA雷電流的雷電防護要求。

如圖8（a）所示，仿真分析結(jié)果表明，截面積為37.88mm²（超過35mm²的極限截面積）的ABEMM-A1187-500防雷鋁網(wǎng)傳導200kA雷電流時，其最高溫升為425°C，小于金屬鋁的熔點660°C，ABEMM-A1187-500防雷鋁網(wǎng)不會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，滿足200kA的雷電防護要求。電流引弧試驗結(jié)果也表明，除了引弧區(qū)防雷鋁網(wǎng)有部分熔化現(xiàn)象，在雷電流傳導路徑中，沒有出現(xiàn)金屬網(wǎng)熔斷現(xiàn)象，如圖8（b）所示。結(jié)果表明，當防雷鋁網(wǎng)的截面積為37.88mm²時，可滿足傳導一次200kA、10MJ/Ω雷電流的雷電防護要求。因此，防雷鋁網(wǎng)傳導一次200kA、10MJ/Ω的雷電流，35mm²左右的最小截面積要求是合理的。防雷金屬網(wǎng)的安全截面積要求

根據(jù)ICE 61400-24要求，防雷金屬網(wǎng)做鑒定試驗時，需傳導3次200kA、10MJ/Ω的短沖擊雷電流和三次200C的長沖擊雷電流，其中影響防雷金屬網(wǎng)等效截面積的主要是短沖擊雷電流。在進行防雷金屬網(wǎng)短沖擊雷電流試驗時，如圖9所示，截面積為25mm²的ABEMM-Cu220-760防雷銅網(wǎng)傳導一次200kA雷電流時，銅網(wǎng)傳導截面無斷裂，但當該銅網(wǎng)傳導第二次200kA雷電流時，銅網(wǎng)傳導截面斷裂。這主要是由于損傷的累加所致，傳導第一次雷電流時，由于銅網(wǎng)的趨膚效應，銅網(wǎng)絲梗表面的溫度高于內(nèi)部，造成銅網(wǎng)絲梗表面溫度可能會超過熔點，因此會有部分熔化，造成表面銅網(wǎng)絲梗變細，相當于等效截面積變小，所以第二次傳導雷電流時會造成銅網(wǎng)熔斷。

因此，為了保證防雷金屬網(wǎng)能安全傳導3次200kA、10MJ/Ω的短沖擊雷電流，在防雷金屬網(wǎng)最小截面積要求的基礎上，應適當增加金屬網(wǎng)截面積。

通過圖5和圖6中金屬網(wǎng)的截面積和金屬網(wǎng)最高溫度關系圖可以看出，在金屬網(wǎng)極限截面積附近，即金屬網(wǎng)的熔點附近，截面積對熔點的影響很大，超過金屬網(wǎng)極限截面積20%之后，金屬網(wǎng)的最高溫度已遠低于金屬網(wǎng)的熔點，銅網(wǎng)絲梗不會出現(xiàn)熔斷變細現(xiàn)象。因此對于防雷金屬網(wǎng)而言，為了能傳導3次200kA的雷電流，應保證20%的最小傳導截面積余量。對防雷銅網(wǎng)而言，30mm²是防雷銅網(wǎng)能傳導3次200kA雷電流的安全截面積要求，42mm²是防雷鋁網(wǎng)傳導3次200kA雷電流的安全截面積要求，防雷金屬網(wǎng)在安全截面積附近，肯定不會出現(xiàn)熔斷。如圖10所示，處于安全截面積的防雷金屬網(wǎng)經(jīng)過3次200kA，10MJ/Ω雷電流作用后，傳導區(qū)金屬網(wǎng)無斷裂現(xiàn)象。

結(jié)論

根據(jù)本文所提出的防雷金屬網(wǎng)等效截面積計算方法可判斷防雷金屬網(wǎng)是否滿足200kA、lOMJ/Ω雷電流的雷電防護要求。

對于防雷金屬網(wǎng)而言，傳導一次200kA、IOMJ/Ω的雷電流，防雷銅網(wǎng)的最小截面積要求為25mm²，防雷鋁網(wǎng)的最小截面積要求為35mm²。為了保證能傳導3次200kA、10MJ/Ω的雷電流，30mm²為防雷銅網(wǎng)的安全截面積要求，42mm²為防雷鋁網(wǎng)的安全截面積要求。