海上風(fēng)電機(jī)組碳纖維葉片防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析

付 斌，曾明伍，林 淑，楊奎濱，杜鳴心，劉 孟

(1.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.西安愛(ài)邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電行業(yè)近些年持續(xù)顯著增長(zhǎng)，截至2019年全球總裝機(jī)容量已超過(guò)529 GW。目前，大多數(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是新型高塔結(jié)構(gòu)，平均高度都超過(guò)100 m，安裝地點(diǎn)多位于內(nèi)陸的平原和地勢(shì)較高的區(qū)域及開(kāi)闊海域等直接暴露于雷電的場(chǎng)所，因此顯著增加了雷擊風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)收集分析雷擊案例，風(fēng)電機(jī)組雷擊損傷中，葉片損傷約占20%～28%[1]，所有這些風(fēng)力發(fā)電機(jī)在其運(yùn)行壽命期間都有可能受到多次雷擊，單機(jī)損壞所造成的直接、間接經(jīng)濟(jì)損失比例也越來(lái)越大，如何降低雷擊后的經(jīng)濟(jì)損失是防雷系統(tǒng)存在最為關(guān)鍵的意義[2-3]。然而，作為重要接閃部位，葉片的防雷技術(shù)已成為解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組防雷系統(tǒng)中的首要問(wèn)題[4-5]。

目前，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)方向逐步從陸上小功率機(jī)組向海上大功率機(jī)組轉(zhuǎn)移，機(jī)組功率等級(jí)不斷提升，風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)度不斷被刷新，傳統(tǒng)的玻璃纖維在大型葉片的應(yīng)用中逐漸顯現(xiàn)出性能的不足，而碳纖維材料具有一定的導(dǎo)電性，受到葉片廠家的青睞[6]。但因其電阻率較高不利于雷電流的泄放，且碳纖維材料造價(jià)較高，葉片廠家一般將碳纖維材料運(yùn)用在主梁等重要結(jié)構(gòu)中。因此，碳纖維葉片防雷設(shè)計(jì)的可靠性顯得十分重要[7]。目前，風(fēng)機(jī)葉片防雷設(shè)計(jì)主要參考IEC61400-24，但海上機(jī)組葉片在葉片長(zhǎng)度、防腐、防鹽霧和材料等方面都區(qū)別于陸上機(jī)組，此時(shí)參照IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海上機(jī)組葉片進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)已經(jīng)很難滿足防雷要求。國(guó)內(nèi)外一些葉片制造商參考飛機(jī)防雷設(shè)計(jì)[8]，將延展性防雷金屬網(wǎng)應(yīng)用于碳纖維葉片的雷電防護(hù)。

金屬網(wǎng)雷電防護(hù)的本質(zhì)是利用金屬自身良好的導(dǎo)電性，將雷電流快速分散到金屬網(wǎng)各條梗絲上，防止非金屬部件被雷電流破壞[9]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雷電流對(duì)金屬網(wǎng)的破壞主要是電磁力和熱效應(yīng)，每次雷擊金屬網(wǎng)其損傷程度受金屬網(wǎng)厚度、金屬網(wǎng)克重等條件的影響，一般在3～10 cm。因此，在每次雷擊發(fā)生后都需要對(duì)金屬網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)，增加了現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量，不利于技術(shù)的進(jìn)步。

除了金屬網(wǎng)外，接閃器結(jié)構(gòu)也是一種重要的防雷措施。接閃器結(jié)構(gòu)的本質(zhì)是通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)形成雷電流通道，避免葉片內(nèi)部出現(xiàn)燃弧和保護(hù)非金屬結(jié)構(gòu)。從國(guó)內(nèi)外目前針對(duì)接閃器的模擬實(shí)驗(yàn)中可以看出，接閃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和失效機(jī)理研究還有待深入[10]，一旦接閃器結(jié)構(gòu)失效就無(wú)法起到防護(hù)碳纖維主梁的目的。

為此，綜合以上兩種防雷結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種金屬網(wǎng)結(jié)合接閃器的碳纖維葉片防雷系統(tǒng)，本系統(tǒng)將金屬網(wǎng)和接閃器進(jìn)行耦合，通過(guò)對(duì)雷電流進(jìn)行分流，以降低金屬網(wǎng)的損傷面積，接閃器和金屬網(wǎng)形成雙回路，可有效提升系統(tǒng)的可靠性。本文通過(guò)電、熱耦合的多物理場(chǎng)仿真分析，利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件COMSOL Multiphysics 計(jì)算，驗(yàn)證該雙回路防雷系統(tǒng)的有效性。

1 碳纖維葉片的雷擊防護(hù)

圖1 金屬網(wǎng)和接閃器防雷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Lightning protection system diagram of metal mesh and lightning arrester

金屬網(wǎng)和接閃器防雷系統(tǒng)圖如圖1所示。其中，金屬網(wǎng)沿葉片主梁敷設(shè)，寬度略寬于主梁，葉尖和葉根金屬網(wǎng)通過(guò)反復(fù)折疊后用銅板進(jìn)行壓接。葉尖接閃器與葉尖處銅網(wǎng)連接，同時(shí)引下線與葉尖接閃器連接。在葉片中部設(shè)置若干個(gè)葉中接閃器，葉中接閃器通過(guò)銅板與金屬網(wǎng)進(jìn)行搭接，同時(shí)引下線與葉中接閃器連接。引下線在葉根處于葉根金屬網(wǎng)銅板連接，最終通過(guò)1根70 mm2軟銅線接入輪轂接地點(diǎn)。

2 仿真流程分析

雷電問(wèn)題屬于多物理場(chǎng)問(wèn)題，當(dāng)風(fēng)機(jī)遭到雷擊時(shí)，雷電流流過(guò)風(fēng)機(jī)，常常伴隨著電磁、熱、力效應(yīng)。對(duì)旋轉(zhuǎn)葉片的模擬雷擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)葉片的接閃點(diǎn)會(huì)隨著葉片的旋轉(zhuǎn)發(fā)生偏移，會(huì)降低接閃器的接閃效率[11]。因此，需要對(duì)包含防雷系統(tǒng)的全尺寸葉片模型進(jìn)行仿真分析，以確保葉片運(yùn)行的安全性。仿真流程圖如下圖2所示。

圖2 仿真流程圖Fig.2 Simulation flow chart

將全尺寸葉片模型放置于預(yù)設(shè)的平板電極中心，葉片與接地面呈30°、60°和90°，雷電流參考IEC 62305-1中的10/350 us標(biāo)準(zhǔn)波形，通過(guò)設(shè)置不用的葉片姿態(tài)和雷擊注入點(diǎn)模擬真實(shí)環(huán)境中葉片遭受雷擊的狀態(tài)。仿真模型示意圖如圖3所示。

圖3 仿真模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of simulation model

3 仿真結(jié)果分析

依據(jù)上述仿真流程圖對(duì)包含防雷系統(tǒng)的全尺寸葉片模型進(jìn)行仿真建模并分析，主要包括雷擊附著點(diǎn)仿真和雷電流通流能力仿真。

3.1 雷擊附著點(diǎn)仿真

當(dāng)θ=30°碳纖維葉片無(wú)防護(hù)時(shí)，迎風(fēng)面整體電場(chǎng)分布如圖4(a)所示。θ=30°碳纖維葉片有防護(hù)時(shí)，迎風(fēng)面整體電場(chǎng)分布如圖4(b)所示。

圖4 θ=30°時(shí)迎風(fēng)面電場(chǎng)分布Fig.4 Distribution of electric field on windward side when θ=30°

由圖4(a)可知，在葉片上電場(chǎng)強(qiáng)度高的區(qū)域有靠近葉尖的碳纖維主梁邊緣。在雷電環(huán)境下高強(qiáng)度的電場(chǎng)容易擊穿空氣產(chǎn)生雷電先導(dǎo)，因此電場(chǎng)高的區(qū)域被判定為雷電的附著區(qū)域。θ=30°時(shí)雷電的附著區(qū)域?yàn)榭拷~尖的碳纖維主梁邊緣。

由圖4(b)可知，在葉片上電場(chǎng)強(qiáng)度高的區(qū)域有：葉尖接閃器、靠近葉尖的銅網(wǎng)邊緣以及主梁上的銅網(wǎng)搭接結(jié)構(gòu)。因此θ=30°時(shí)雷電的附著區(qū)域?yàn)槿~尖接閃器、銅網(wǎng)邊緣以及與主梁銅網(wǎng)搭接的葉中接閃器。

依照上述方法，根據(jù)IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)，分別仿真30°、60°和90°葉片有防護(hù)和無(wú)防護(hù)時(shí)電場(chǎng)分布，仿真結(jié)果如下表1所示。

綜合分析，無(wú)防護(hù)時(shí)靠近葉尖的碳纖維主梁邊緣可能會(huì)成為雷擊的附著區(qū)域，有防護(hù)時(shí)葉尖接閃器、靠近葉尖的銅網(wǎng)邊緣以及主梁上的銅網(wǎng)搭接結(jié)構(gòu)可能會(huì)成為雷擊的附著區(qū)域。葉片防雷系統(tǒng)可以有效降低碳纖維主梁遭受雷擊的概率。

表1 不同葉片角度的雷擊附著區(qū)域Table 1 Attachment area of lightning stroke with different blade angles

3.2 通流能力仿真

圖5給出了雷電流注入金屬網(wǎng)與引下線結(jié)構(gòu)時(shí)葉片防雷系統(tǒng)整體的電流分布。

圖5 雷擊點(diǎn)為接閃器連接結(jié)構(gòu)時(shí)的雷電流分布Fig.5 Lightning current distribution when the lightning point is the connecting structure of the lightning arrester

圖6 葉根銅網(wǎng)及引下線雷擊時(shí)雷電流分布及溫度分布Fig.6 Lightning current distribution and temperature distribution during lightning stroke of copper net and down lead of blade root

由圖5可知，銅網(wǎng)折疊處電流分布不均勻。雷電流從接閃器連接結(jié)構(gòu)處注入，一部分電流通過(guò)金屬銅網(wǎng)向葉根傳導(dǎo)，一部分電流通過(guò)金屬網(wǎng)與引下線連接結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)至引下線系統(tǒng)進(jìn)而流出，還有一部分通過(guò)葉尖接閃器回流至引下線。銅網(wǎng)產(chǎn)生了輕微熔蝕損傷，損傷區(qū)域呈扇形。葉尖接閃器、銅網(wǎng)其余部分、碳纖維主梁、搭接結(jié)構(gòu)及引下線系統(tǒng)的溫度不高于70 ℃，不會(huì)產(chǎn)生損傷。

圖6驗(yàn)證了葉根連接結(jié)構(gòu)的通流能力。由圖6可知，在銅板與引下線連接處電流密度最大，雷電流通過(guò)搭接結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)至引下線。電流密度較大的地方可能導(dǎo)致溫度升高，最高溫度不大于25 ℃。

綜合分析，該葉片防雷系統(tǒng)整體通流能力良好，有效對(duì)雷電流進(jìn)行分流，沒(méi)有電流聚集和局部熱損傷，滿足雷電防護(hù)要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)碳纖維葉片的防雷技術(shù)問(wèn)題，提出了一種金屬網(wǎng)結(jié)合接閃器的碳纖維葉片防雷系統(tǒng)，并通過(guò)仿真進(jìn)行分析。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的葉片防雷系統(tǒng)能有效對(duì)雷電流進(jìn)行分流，沒(méi)有電流聚集和局部熱損傷，滿足防雷保護(hù)要求，對(duì)提高風(fēng)機(jī)安全可靠性, 提升風(fēng)電產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力極為有意義。