風(fēng)電葉片接閃器腐蝕前后的雷擊損傷機(jī)理仿真研究

薛浩鵬，劉 孟，杜鳴心，曾明伍，羅 洋

(1. 東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津300480；2. 西安愛(ài)邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司 陜西西安710077；3. 東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽(yáng)618000)

0 引 言

隨著人們對(duì)于清潔能源的重視，風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)業(yè)近年來(lái)的發(fā)展十分迅速。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行也越來(lái)越受重視。雷電這一自然現(xiàn)象對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)極大威脅，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電防護(hù)技術(shù)是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

多年來(lái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和研究成果表明，風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視，旋轉(zhuǎn)的風(fēng)機(jī)葉片易產(chǎn)生上行雷電先導(dǎo)[1]。在葉片中預(yù)埋接閃器是目前廣泛應(yīng)用的一種雷電防護(hù)技術(shù)。預(yù)埋接閃器只要在雷擊時(shí)不因電弧灼燒發(fā)生嚴(yán)重的破壞、雷電流可以安全通過(guò)導(dǎo)電構(gòu)件導(dǎo)入地下，那么葉片就可以得到良好防護(hù)[2]。

然而，隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，金屬接閃器的大氣腐蝕成為目前的難題之一。羅莎莎等[3]的研究表明，純銅接閃器經(jīng)歷 720h的中性鹽霧試驗(yàn)后表面腐蝕嚴(yán)重，大面積區(qū)域已無(wú)法測(cè)出電阻。這一問(wèn)題主要是因?yàn)榻娱W器為金屬物，暴露在大氣環(huán)境中受氧氣、水分、污染物等影響，在表面形成了氧化物或金屬鹽，導(dǎo)電性能發(fā)生變化[4]。對(duì)于接閃器表面大氣腐蝕后雷擊損傷程度的變化，目前鮮有研究。

本文建立接閃器腐蝕前后的雷電流傳導(dǎo)模型，通過(guò)電、熱耦合的多物理場(chǎng)仿真，研究接閃器腐蝕前后的雷擊損傷變化及其機(jī)理，為后續(xù)海上風(fēng)電接閃器的防雷設(shè)計(jì)和防腐蝕設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型設(shè)計(jì)和仿真參數(shù)設(shè)置

1.1 模型設(shè)計(jì)

本文選取φ40的鋁接閃器進(jìn)行研究。如圖 1所示，雷電流的注入點(diǎn)選擇為接閃器表面正中心，雷電流從接閃器底部流出。

圖1 接閃器腐蝕前后的雷電流傳導(dǎo)模型Fig.1 Lightning current conduction model before and after corrosion of air-termination system

將接閃器的上表面設(shè)定為腐蝕產(chǎn)物層。有研究表明，鋁合金材料戶外腐蝕 10年的當(dāng)量腐蝕深度為43.80μm[5]。模型的腐蝕產(chǎn)物厚度參考此結(jié)果的數(shù)量級(jí)，設(shè)置為1、20、50、100、200、500μm。

1.2 材料設(shè)置

本研究仿真時(shí)用到的材料參數(shù)有電導(dǎo)率、介電常數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容和密度。接閃器和腐蝕產(chǎn)物層的材料屬性如表1所示。

表1 材料參數(shù)設(shè)置Tab.1 Material parameters

由于腐蝕層的厚度極薄，在雷電流注入時(shí)會(huì)被擊穿。為簡(jiǎn)化模擬擊穿過(guò)程，將腐蝕產(chǎn)物層的電導(dǎo)率設(shè)置為隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化的階躍函數(shù)。假設(shè)腐蝕產(chǎn)物層的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為 10kV/mm，當(dāng)局部場(chǎng)強(qiáng)高于擊穿場(chǎng)強(qiáng)后，該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的電導(dǎo)率參數(shù)值會(huì)階躍升高。本文假設(shè)被擊穿后的腐蝕產(chǎn)物層變?yōu)榱紝?dǎo)體，其擊穿后電導(dǎo)率升高至3×107S/m(式1)。

1.3 物理場(chǎng)設(shè)置

本文所用的雷電流激勵(lì)按 IEC雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中的波形[6]：

其中：I＝200kA，k＝0.93，T1＝19μs，T2＝485μs。

接閃器上表面中心為電流注入點(diǎn)，底部接地，代表電流流出。接閃器外表面的電學(xué)邊界設(shè)置為電絕緣，外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)置為 10W/(m2·K)，以代表接閃器與周圍物質(zhì)的熱交換。

1.4 電熱耦合方程

本文計(jì)算在雷電流激勵(lì)下0～500μs內(nèi)的電流分布和溫度分布。

傳導(dǎo)電流和感應(yīng)電流分布按麥克斯韋方程組計(jì)算如下：

其中：A為磁矢勢(shì)，Je為外加電流密度。

接閃器雷擊過(guò)程中的熱能量主要來(lái)自于電磁損耗，其表達(dá)式為：

溫度分布按照固體傳熱能量守恒方程和傅里葉定律計(jì)算：

同時(shí)，由于溫度的升高，接閃器鋁材質(zhì)的導(dǎo)電特性也會(huì)變化，假設(shè)其電阻變化規(guī)律符合線性，則電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系如下式：

其中：Tref為電導(dǎo)率參考溫度，等于 25℃；σ0為鋁材質(zhì) 25℃時(shí)的電導(dǎo)率，見(jiàn)表 1；α 為電阻率溫度系數(shù)，等于0.004291/K。

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 雷擊后接閃器溫度分布

未腐蝕的接閃器和表面覆蓋有不同厚度腐蝕產(chǎn)物的接閃器，注入雷電流分量后的溫度分布見(jiàn)圖 2，遭受雷擊后的最高溫度值見(jiàn)圖3和圖4。

圖2 鋁材質(zhì)接閃器雷擊后溫度分布Fig.2 Temperature distribution in aluminium air-termination system after lightning strike

圖3 鋁材質(zhì)接閃器雷擊后最高溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Change of maximum temperature with time after lightning strike of aluminum air-termination system

圖4 鋁材質(zhì)接閃器雷擊后最高溫度(t＝500μs)Fig.4 Maximum temperature of aluminum air-termination system after lightning strike(t＝500 μs)

由圖2可知，無(wú)論接閃器表面是否覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，雷電流流過(guò)接閃器時(shí)，高溫區(qū)域集中于注入點(diǎn)附近。覆蓋有腐蝕產(chǎn)物時(shí)，接閃器表面高溫區(qū)域分布與未腐蝕時(shí)的溫度分布接近。接閃器底部為雷電流流出點(diǎn)，由仿真結(jié)果可見(jiàn)流出點(diǎn)附近的溫度較低，說(shuō)明通流面積對(duì)于雷擊損傷的影響十分明顯，即局部電流密度的大小對(duì)于雷擊后的溫升影響較大。由仿真結(jié)果可以推斷，當(dāng)防雷系統(tǒng)引線下面積大于或等于本模型中接閃器底面積時(shí)，引線下具備良好的同流能力。

由圖3可知，未腐蝕和腐蝕后的接閃器內(nèi)部最高溫度隨雷電流注入時(shí)間增加而不斷增高。雷電流波形在 32μs左右達(dá)到峰值，之后逐漸降低，接閃器內(nèi)部最高溫度也因雷電流能量的逐漸降低而趨于平穩(wěn)。由于雷電流注入時(shí)間段遠(yuǎn)小于達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間段，在雷電流注入期間接閃器內(nèi)部最高溫度沒(méi)有減小的趨勢(shì)。由溫度曲線可知，接閃器各類工況在43～57μs以后，最高溫度超過(guò)鋁材質(zhì)熔點(diǎn)660℃，有可能出現(xiàn)燒蝕。

由圖 4可知，無(wú)腐蝕和腐蝕產(chǎn)物層厚度在 1～200μm 時(shí)，接閃器雷擊后鋁材質(zhì)區(qū)域最高溫度較為接近。腐蝕產(chǎn)物層厚度在 500μm 時(shí)，接閃器內(nèi)部最高溫度有一定程度降低。由于損傷區(qū)域的大小與損傷區(qū)域最高溫度呈正相關(guān)，由圖還可知，腐蝕產(chǎn)物層由 1μm增大到 50μm時(shí)雷擊損傷程度逐漸嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物層由50μm增大到500μm時(shí)雷擊損傷程度有所減輕。

2.2 雷擊過(guò)程中電磁損耗隨時(shí)間變化

接閃器雷擊主要來(lái)自于電磁損耗產(chǎn)生的焦耳熱。圖5為腐蝕產(chǎn)物厚度為20μm情況下，接閃器表面腐蝕參數(shù)內(nèi)的電磁損耗密度最大值和鋁材質(zhì)內(nèi)部電磁損耗密度最大值隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，腐蝕產(chǎn)物層內(nèi)部電磁損耗功率在10μs以內(nèi)比鋁材質(zhì)內(nèi)部的電磁損耗功率高出3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，在腐蝕產(chǎn)物層擊穿后，其電磁損耗功率最高值趨于穩(wěn)定，與鋁材質(zhì)內(nèi)的電磁損耗功率最高值較為接近。

由于接閃器上表面的面積較大，雷電流注入后因趨膚效應(yīng)會(huì)使電流路徑發(fā)生彎曲，而電流路徑的彎曲處往往成為電流密度和電場(chǎng)強(qiáng)度極值點(diǎn)，因此金屬內(nèi)部電磁功率的極大值略大于腐蝕產(chǎn)物層內(nèi)部的電磁功率極大值。

圖5 腐蝕產(chǎn)物厚度為 20μm時(shí)，鋁材質(zhì)內(nèi)部和腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部的電磁損耗對(duì)比(對(duì)數(shù)坐標(biāo))Fig.5 Comparison of electromagnetic losses in aluminum and corrosion products at 20μm thickness of corrosion products

圖6和圖7為不同腐蝕產(chǎn)物厚度下，腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部和接閃器鋁材質(zhì)內(nèi)部電磁損耗密度最高值隨之變化關(guān)系。可見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物層厚度增加時(shí)，腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部電磁損耗密度最高值隨之增大，鋁材質(zhì)內(nèi)部電磁損耗密度最高值隨之減小。這是因?yàn)楸痉抡嬷形纯紤]擊穿或燒蝕過(guò)程中的能量釋放與轉(zhuǎn)移，而注入的雷電流波形相同，所以根據(jù)能量守恒原則，腐蝕層內(nèi)部能量增加時(shí)接閃器內(nèi)部能量會(huì)相應(yīng)減小，故腐蝕產(chǎn)物層內(nèi)電磁功率密度隨厚度變化關(guān)系與接閃器鋁材質(zhì)內(nèi)部功率密度呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

圖6 不同腐蝕產(chǎn)物厚度下，腐蝕產(chǎn)物內(nèi)部電磁損耗隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.6 Change of electromagnetic losses in corrosion products with time under different corrosion product thicknesses

圖7 不同腐蝕產(chǎn)物厚度下，接閃器鋁材質(zhì)區(qū)域內(nèi)部電磁損耗隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.7 Change of electromagnetic loss in aluminum material area of air-termination system with time under different corrosion product thicknesses

2.3 不同厚度腐蝕產(chǎn)物層注入雷電流后的擊穿半徑

圖 8為腐蝕產(chǎn)物層被擊穿后擊穿區(qū)域半徑隨時(shí)間變化曲線。由圖可以看出，腐蝕產(chǎn)物擊穿后，擊穿區(qū)域半徑迅速達(dá)到穩(wěn)定，且腐蝕產(chǎn)物層厚度越厚，擊穿半徑越大。腐蝕產(chǎn)物厚度達(dá)到 500μm 時(shí)，接閃器表面最高溫度有一定降低。這是因?yàn)楦g產(chǎn)物層厚度增加時(shí)，腐蝕產(chǎn)物層被擊穿后形成的電流通流直徑增加，令注入點(diǎn)處的電流密度降低。由于本文中沒(méi)有考慮腐蝕產(chǎn)物層被擊穿時(shí)的能量釋放，擊穿點(diǎn)處電流密度降低會(huì)導(dǎo)致溫度極值降低，故仿真結(jié)果中，接閃器內(nèi)部雷擊時(shí)最高溫度并沒(méi)有隨腐蝕層厚度增加而明顯提高。如果要獲得更精確的溫度分布結(jié)果，需要用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述出腐蝕層被擊穿時(shí)的能量釋放。

圖8 腐蝕產(chǎn)物層擊穿路徑半徑隨時(shí)間變化關(guān)系Fig.8 Change of breakdown path radius of corrosion product layer with time

3 結(jié) 論

①接閃器注入雷電流 A分量后，損傷區(qū)域集中于注入點(diǎn)附近。表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物層后，損傷區(qū)域大小未有明顯改變。

②腐蝕產(chǎn)物覆蓋厚度在 100～200μm 以內(nèi)時(shí)，雷擊損傷嚴(yán)重程度略大于未腐蝕狀態(tài)。腐蝕產(chǎn)物覆蓋厚度為 500μm 時(shí)，雷擊損傷嚴(yán)重程度略小于未腐蝕狀態(tài)。

③腐蝕產(chǎn)物在雷擊過(guò)程中會(huì)積聚較高的能量密度，在后續(xù)研究中應(yīng)考慮腐蝕產(chǎn)物層被擊穿時(shí)的能量釋放與轉(zhuǎn)移。