針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證研究

李成良 方致陽 丁惢 楊越

葉片作為風(fēng)電機(jī)組雷電風(fēng)險(xiǎn)最高的部件，其雷電防護(hù)的可靠性，對(duì)機(jī)組能否在全生命周期中安全運(yùn)行起到?jīng)Q定性作用。相關(guān)文獻(xiàn)表明，2012年美國(guó)風(fēng)電機(jī)組保險(xiǎn)索賠中，葉片雷擊損傷比例高達(dá)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(tǒng)可靠性具有重要意義。

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在關(guān)于風(fēng)電機(jī)組的雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-24中對(duì)如何驗(yàn)證風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)的可靠性給出了指導(dǎo)性要求。第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)也會(huì)根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)葉片防雷系統(tǒng)的效果進(jìn)行認(rèn)證評(píng)價(jià)。隨著風(fēng)電開發(fā)地域的多樣化，運(yùn)行在復(fù)雜環(huán)境（如易發(fā)生鹽霧腐蝕的海上及高海拔、高雷暴地區(qū)）中的葉片，會(huì)對(duì)防雷系統(tǒng)可靠性、適應(yīng)性等提出更高要求。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)復(fù)雜的雷暴環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)性防雷系統(tǒng)認(rèn)證方案設(shè)計(jì)，成為目前葉片防雷系統(tǒng)可靠性驗(yàn)證研究的重點(diǎn)。

本文基于通用的認(rèn)證方法，通過更加全面的測(cè)試方案，驗(yàn)證葉片防雷系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性。

防雷系統(tǒng)認(rèn)證研究

葉片防雷系統(tǒng)的通用認(rèn)證方法主要包括雷擊測(cè)試驗(yàn)證以及相似性說明驗(yàn)證。

一、雷擊測(cè)試認(rèn)證

該認(rèn)證包括2種高電壓測(cè)試和2種大電流測(cè)試。其中，高電壓測(cè)試包括高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試與高電壓掃掠通道測(cè)試；大電流測(cè)試包括大電流電弧引入測(cè)試與大電流傳導(dǎo)測(cè)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(shí)驗(yàn)室模擬雷擊過程時(shí)，無法將雷電的電壓及電流同時(shí)耦合到一個(gè)測(cè)試波形中進(jìn)行測(cè)試，因此，需要在雷擊測(cè)試中分別進(jìn)行高電壓測(cè)試以及大電流測(cè)試。其中，大電壓測(cè)試主要驗(yàn)證葉片雷擊附著點(diǎn)的區(qū)域；大電流測(cè)試主要驗(yàn)證葉片接閃器成功接閃后能否將雷電流順利卸放。根據(jù)最新發(fā)布的IEC 61400-24―2019標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)測(cè)試的主要驗(yàn)證內(nèi)容如下：

（1）高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試：主要驗(yàn)證葉片在實(shí)際的接閃過程中可能出現(xiàn)的附著點(diǎn)。高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試情況見圖1。

（2）高電壓掃掠通道測(cè)試：葉片由于自身旋轉(zhuǎn)，會(huì)遠(yuǎn)離雷電通道，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)雷電流沿葉片表面爬行的情況。該項(xiàng)測(cè)試主要驗(yàn)證葉片成功接閃后，在雷電爬行的過程中是否會(huì)出現(xiàn)擊穿葉片蒙皮的情況。高電壓掃掠通道測(cè)試情況見圖2。

（3）大電流電弧引入測(cè)試：主要驗(yàn)證葉片接閃器成功接閃后能否承受相應(yīng)的能量以及電荷傳遞量，而不會(huì)造成葉片結(jié)構(gòu)層損傷。大電流電弧引入測(cè)試情況見圖3。

（4）大電流傳導(dǎo)測(cè)試：主要驗(yàn)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(tǒng)傳導(dǎo)至接地系統(tǒng)，且不會(huì)由于引下系統(tǒng)負(fù)載能力不足，導(dǎo)致在雷電能量卸放過程中出現(xiàn)火花、引下線熔斷、電連接失效等現(xiàn)象。大電流傳導(dǎo)測(cè)試情況見圖4。

二、相似性說明認(rèn)證

相似性評(píng)估是為了表征新開發(fā)型號(hào)葉片及其防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，與經(jīng)過雷擊測(cè)試驗(yàn)證過的某款葉片及其防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的接近程度。新產(chǎn)品與已完成驗(yàn)證產(chǎn)品之間的相似性通過葉片設(shè)計(jì)方案及材料體系兩個(gè)維度評(píng)估認(rèn)證：

（1）葉片設(shè)計(jì)相關(guān)相似性評(píng)估：共包含9項(xiàng)對(duì)比指標(biāo)，主要從葉片外形、蒙皮結(jié)構(gòu)、防雷系統(tǒng)t布置等方面進(jìn)行評(píng)估。

（2）葉片材料相關(guān)相似性評(píng)估：共包含5項(xiàng)對(duì)比指標(biāo)，主要從樹脂纖維體系、接閃器材料與等電位設(shè)置等方面進(jìn)行評(píng)估。

所有相似性指標(biāo)均滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)后，方可獲得認(rèn)證。

復(fù)雜環(huán)境可靠性測(cè)試驗(yàn)證研究

基于對(duì)上述不同測(cè)試驗(yàn)證方向的理解，復(fù)雜環(huán)境中葉片防雷系統(tǒng)的可靠性，可以通過高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。本章節(jié)采用高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試，先后對(duì)使用17.5kV熱縮管進(jìn)行絕緣加強(qiáng)的防雷系統(tǒng)開展葉片防雷系統(tǒng)內(nèi)部先導(dǎo)誘發(fā)情況、葉片防雷系統(tǒng)極限測(cè)試、葉片接閃器金屬腐蝕后的雷擊測(cè)試進(jìn)行防雷系統(tǒng)雷電防護(hù)能力的可靠性驗(yàn)證。另外，為驗(yàn)證防雷系統(tǒng)連接可靠性，對(duì)葉片防雷系統(tǒng)力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試并分析。

一、葉片防雷系統(tǒng)內(nèi)部先導(dǎo)誘發(fā)情況分析

研究表明，對(duì)葉片防雷系統(tǒng)進(jìn)行絕緣防護(hù)可以有效抑制葉片內(nèi)部金屬出現(xiàn)先導(dǎo)現(xiàn)象。為了判斷使用的葉片防雷系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度是否滿足使用要求，需要了解葉片防雷系統(tǒng)內(nèi)部先導(dǎo)的誘發(fā)情況，因此，以下針對(duì)葉片防雷系統(tǒng)（無葉片結(jié)構(gòu)）進(jìn)行測(cè)試研究。

方案布置參考高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試。測(cè)試樣件由葉片變?yōu)槿~片防雷系統(tǒng)本身，本次測(cè)試樣件長(zhǎng)度為5m，在54次高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試過程中，未發(fā)生防雷系統(tǒng)絕緣擊穿現(xiàn)象，但是在前緣對(duì)地第2次負(fù)極性測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在距離葉尖1.5m的位置，由引下線誘發(fā)了可見先導(dǎo)，見圖5。通過觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的先導(dǎo)較弱，不存在繼續(xù)發(fā)展的可能。因此，可以表明增加防雷系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度可大幅度降低葉片內(nèi)部先導(dǎo)的發(fā)生，增強(qiáng)葉片防雷系統(tǒng)可靠性。

二、防雷系統(tǒng)極限測(cè)試驗(yàn)證

基于國(guó)內(nèi)復(fù)雜的雷暴環(huán)境，僅通過54次高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試，不能保證葉片在高雷暴環(huán)境中的全生命周期安全運(yùn)行。高雷暴環(huán)境往往位于高海拔地區(qū)，而在高海拔地區(qū)葉片會(huì)出現(xiàn)在雷云中運(yùn)行的情況。同時(shí)，根據(jù)之前的測(cè)試研究發(fā)現(xiàn)，擊穿現(xiàn)象全部集中在負(fù)極性測(cè)試上。因此，本文在原有驗(yàn)證要求基礎(chǔ)上增加對(duì)10°工況的負(fù)極性測(cè)試，形成可驗(yàn)證模擬高海拔、高雷暴環(huán)境中防雷系統(tǒng)防護(hù)能力的兩輪極限測(cè)試。

第一輪測(cè)試為依據(jù)IEC 61400-24要求的54次高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試。第二輪測(cè)試在原有測(cè)試樣件基礎(chǔ)上在10°工況對(duì)應(yīng)的A、B、C、D 4個(gè)測(cè)試姿態(tài)，分別增加7次負(fù)極性雷擊測(cè)試，共計(jì)28次試驗(yàn)。圖6為防雷系統(tǒng)測(cè)試情況。

兩輪極限測(cè)試均未發(fā)生擊穿現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明葉片防雷系統(tǒng)的可靠性滿足高海拔、高雷暴環(huán)境條件的使用要求。

三、接閃器腐蝕后雷擊測(cè)試分析

海上掛機(jī)試驗(yàn)表明海上葉片金屬接閃器會(huì)出現(xiàn)一定的腐蝕現(xiàn)象。而對(duì)于金屬腐蝕后對(duì)葉片防雷系統(tǒng)的接閃效率是否會(huì)出現(xiàn)影響，并沒有相關(guān)規(guī)范予以規(guī)定。因此，為了驗(yàn)證腐蝕后的葉尖對(duì)防雷系統(tǒng)是否有較大影響，對(duì)葉尖進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)ISO 12944《色漆和清漆―防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)》中C5-M等級(jí)，達(dá)到該等級(jí)的主要指標(biāo)要求為鹽霧試驗(yàn)時(shí)間不低于1440h（鹽霧試驗(yàn)詳細(xì)要求如表1所示），試驗(yàn)符合GB/T 10125―2012/ISO 9227：2006要求。將完成鹽霧試驗(yàn)的葉尖安裝到葉片雷擊測(cè)試樣件上，按照規(guī)范要求進(jìn)行高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明，54次試驗(yàn)均未發(fā)生擊穿現(xiàn)象，試驗(yàn)全部通過。測(cè)試詳情見圖7。由此可知，防雷系統(tǒng)接閃器在經(jīng)過鹽霧腐蝕后，對(duì)防雷系統(tǒng)的防護(hù)性能影響在可控范圍內(nèi)。

四、葉片防雷系統(tǒng)力學(xué)性能測(cè)試分析

風(fēng)電葉片需要在風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行20年以上，而葉片防雷系統(tǒng)安裝在葉片中很難進(jìn)行維護(hù)，為了保證葉片防雷系統(tǒng)安全運(yùn)行，必須保證防雷系統(tǒng)連接可靠。因此，需要對(duì)葉片防雷系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。驗(yàn)證方法為對(duì)附帶防雷系統(tǒng)的風(fēng)電葉片進(jìn)行全尺寸結(jié)構(gòu)性能測(cè)試驗(yàn)證 。

測(cè)試包括靜力測(cè)試、疲勞測(cè)試以及疲勞后靜力測(cè)試三個(gè)階段。通過觀測(cè)葉片防雷系統(tǒng)力學(xué)性能測(cè)試前后的電阻變化，來確認(rèn)葉片防雷系統(tǒng)的連接可靠性。圖8為某型號(hào)葉片防雷系統(tǒng)測(cè)試前后的電阻變化情況。由圖可知，葉片測(cè)試前后電阻差值僅在±3mΩ以內(nèi)，葉片防雷系統(tǒng)在全生命運(yùn)行周期內(nèi)連接滿足要求。

結(jié)論

本文主要基于規(guī)范中的認(rèn)證驗(yàn)證手段、高電壓初始先導(dǎo)測(cè)試以及力學(xué)性能測(cè)試，來驗(yàn)證風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性。通過本文研究可知：

葉片防雷系統(tǒng)認(rèn)證要求已經(jīng)趨近完善，有多種方式可以進(jìn)行防雷系統(tǒng)認(rèn)證。同時(shí)，現(xiàn)有葉片防雷系統(tǒng)的絕緣強(qiáng)度足以抑制內(nèi)部先導(dǎo)的發(fā)生，且可以滿足高雷暴環(huán)境、高海拔地區(qū)、海上地區(qū)對(duì)葉片全生命周期內(nèi)雷電防護(hù)的要求。

（作者單位：中材科技風(fēng)電葉片股份有限公司）