風(fēng)電葉片新型防雷設(shè)計(jì)的仿真和試驗(yàn)研究

肖 瓊，何相勇，馮學(xué)斌，梁鵬程，胡杰樺，戴龍俠，姚 威，韓 敏

（1.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007；2.西安愛邦電磁技術(shù)有限責(zé)任公司，陜西 西安710077；3.愛邦雷電與電磁環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710077）

0 引言

中國(guó)是風(fēng)力發(fā)電發(fā)展最快的國(guó)家，特別是2017年7月國(guó)家能源局正式發(fā)布了《國(guó)家能源局關(guān)于可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃實(shí)施的指導(dǎo)意見》，規(guī)劃2017-2020年各地新增風(fēng)電建設(shè)規(guī)模共計(jì)110.41 GW。隨著風(fēng)電裝機(jī)的快速發(fā)展，風(fēng)電系統(tǒng)安全，特別是雷電安全受到了空前的重視，國(guó)內(nèi)外相關(guān)案例都表明，雷擊是嚴(yán)重威脅風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)安全的主要問題之一[1]，[2]。

安裝于高原、沿海、海上等空曠地形條件下的風(fēng)電機(jī)組高度普遍超過100m，葉片又處于機(jī)組的最高位置，是最容易受雷擊的部件[3]。由于葉片的長(zhǎng)度長(zhǎng)、重量大、運(yùn)輸和更換困難、維修成本高，雷電造成的停機(jī)和維修等成本巨大[4]。因此，在葉片設(shè)計(jì)之初就考慮葉片防雷，進(jìn)行優(yōu)化和針對(duì)性設(shè)計(jì)，在風(fēng)力機(jī)運(yùn)行階段可大幅降低維護(hù)成本、提高運(yùn)行可靠性[5]，[6]。

本文以株洲時(shí)代新材公司某型號(hào)的葉片為模型，綜合考慮直擊雷與雷電電磁脈沖效應(yīng)的防護(hù)，根據(jù)葉片的結(jié)構(gòu)特性，研究組合使用葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線等設(shè)備和方法，并采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了葉片綜合雷電防護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1 葉片新型防雷設(shè)計(jì)

針對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片的雷擊情況已有很多研究，風(fēng)電場(chǎng)雷擊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和有關(guān)的理論計(jì)算均表明，超過95%的雷擊落點(diǎn)集中在葉尖5m區(qū)域[2]，[7]～[9]。因此，本文重點(diǎn)研究葉尖6m區(qū)域內(nèi)的防雷設(shè)計(jì)。

葉片葉尖的防雷設(shè)計(jì)如圖1所示。防雷系統(tǒng)由葉尖接閃器、葉身接閃器、引下線、連接結(jié)構(gòu)和絕緣裝置等構(gòu)成。

圖1 葉尖防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)Fig.1 The design of lightning protection system at blade tip area

葉尖接閃器作為葉片的第一個(gè)接閃裝置，在距離葉尖4.5 m處設(shè)置了第二個(gè)葉身接閃器。葉尖的內(nèi)置后端采用倒角設(shè)計(jì)，可有效降低葉尖后部的尖端放電風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行包裹，既能牢固的粘接葉尖，又能起到良好的絕緣作用。葉尖接閃器如圖2所示。

圖2 葉尖接閃器的設(shè)計(jì)Fig.2 The design of tip receptor

葉身接閃器的位置設(shè)計(jì)如圖3所示。支導(dǎo)線和主導(dǎo)線的夾角設(shè)計(jì)成30°，葉身接閃器截面內(nèi)的總弦長(zhǎng)為1m，考慮到葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中先導(dǎo)掃略，接閃器布置在距離后緣0.15 m處。

圖3 葉身接閃器的位置設(shè)計(jì)Fig.3 The position design of body receptor

支導(dǎo)線和主導(dǎo)線連接采用銅管壓接的方式，并在連接處采用高壓熱縮管進(jìn)行包裹絕緣，用環(huán)氧樹脂進(jìn)行絕緣處理，可以防止在高電壓作用下，連接處的電場(chǎng)發(fā)生畸變，使葉片內(nèi)部引雷。

與傳統(tǒng)防雷系統(tǒng)相比，新型葉片雷電防護(hù)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

①第二個(gè)接閃器的位置更靠近葉尖；

②葉尖接閃器的內(nèi)置后端采用倒角設(shè)計(jì)；

③所有葉片內(nèi)部的裸露金屬均采取強(qiáng)絕緣保護(hù)；

④支導(dǎo)線和主導(dǎo)線的夾角控制；

⑤葉身接閃器在后緣方向合理布置。

2 葉片在雷電作用下的損傷機(jī)理與仿真

復(fù)合材料葉片遭受雷擊破壞的過程是包含了電、磁、力、熱多效應(yīng)的復(fù)雜過程。仿真主要針對(duì)雷擊的電-熱及其耦合效應(yīng)，對(duì)損傷機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以獲得雷擊電流的脈沖波形對(duì)損傷的影響[10]。

2.1 仿真模型的建立

根據(jù)葉片防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，材料和結(jié)構(gòu)劃分為以下4部分。

①葉片：為玻璃纖維環(huán)氧樹脂基復(fù)合層合板，由4層單層結(jié)構(gòu)組成，厚度為2.6 ×10-3m，單層結(jié)構(gòu)是構(gòu)成復(fù)合材料板的基本單元，宏觀特性表現(xiàn)為準(zhǔn)正交各向異性。

②葉尖接閃器：葉片尖端為鋁質(zhì)葉尖接閃器，葉尖接閃器和葉片基體間為一層環(huán)氧膠粘接，邊框?yàn)榉忾]的鋁合金條。葉尖接閃器裝在葉片葉尖端部，上部的第一節(jié)外形和葉片的翼型完全一致，既能充當(dāng)正常翼型發(fā)電，又能作為接閃器引雷，具有接閃面積大，橫截面積大，雷擊損傷小的特點(diǎn)。

③葉身接閃器：離葉尖4.5 m位置為銅材質(zhì)的接閃器，與葉尖之間使用同種材料制作的連接線。為簡(jiǎn)化模型，接閃器和連接線在仿真中視為各同向性材料。葉身接閃器裝在葉片的非葉尖區(qū)域，其上部圓形薄板具有接閃作用，貼合葉片外表面安裝，既不影響葉片氣動(dòng)性能，又能保護(hù)葉片玻璃鋼區(qū)域不受雷擊損傷。

④絕緣填料：連接線使用交聯(lián)聚乙烯的絕緣材料包裹，嵌入到葉片中。絕緣材料和葉片基體中為一層環(huán)氧膠。為簡(jiǎn)化模型，絕緣材料在仿真中視為各同向性材料。

接閃器的特性決定了整個(gè)葉片在遭受雷電流作用后的損傷狀況，因此，本文在仿真中采用的模型為單層層合板和接閃器的粘接結(jié)構(gòu)。采用的數(shù)值仿真計(jì)算軟件為CST EM Studio和COMSOL，均基于有限元方法。本文為三維電磁數(shù)值仿真，選用穩(wěn)定性較好的自由四面體為基本網(wǎng)格單元對(duì)仿真體進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)計(jì)，精確地建立復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)模型，并通過區(qū)域取樣點(diǎn)的疏密程度適應(yīng)不同材料和電/磁場(chǎng)分布差異，實(shí)現(xiàn)計(jì)算精度和計(jì)算量的最優(yōu)組合，網(wǎng)格劃分如圖4，5所示。

圖4 接閃器網(wǎng)格剖分Fig.4 Mesh of receptors

圖5 主導(dǎo)線和支導(dǎo)線的網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh ofmain conductor and branch conductor

2.2 接閃器在雷電作用下的響應(yīng)

當(dāng)葉尖接閃器置于雷電環(huán)境中，計(jì)算其表面的電場(chǎng)分布。電場(chǎng)較大的部位更易產(chǎn)生雷電先導(dǎo)，雷電先導(dǎo)的部位容易成為雷電的擊入點(diǎn)。圖6為葉尖接閃器表面電場(chǎng)分布圖。由圖6可知，葉尖接閃器的多個(gè)尖端上電場(chǎng)值超過電場(chǎng)最大值的95%，這些尖端點(diǎn)都有可能成為雷擊的擊入點(diǎn)。

圖6 葉尖接閃器表面電場(chǎng)分布圖Fig.6 Electric field distribution of tip receptor surface

根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)際情況設(shè)置雷電流入點(diǎn)和流出點(diǎn)的位置，進(jìn)而通過多物理場(chǎng)計(jì)算出鋁葉尖遭受雷擊后表面的溫度分布情況，進(jìn)一步分析接閃器的雷電損傷效應(yīng)。

由于鋁的電導(dǎo)率較高，且雷電流為脈沖信號(hào)，產(chǎn)生了明顯的趨膚效應(yīng)。因此雷電流在鋁葉尖上的分布不均勻，主要沿導(dǎo)體外表的薄層傳播，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，內(nèi)部電流較小。在電流密度較大的地方可能導(dǎo)致溫度升高。圖7為鋁葉尖表面電流和溫度在某時(shí)刻的分布情況，圖中深色部分的溫度為大于或等于復(fù)合材料發(fā)生損傷的穩(wěn)定值100℃。更多的仿真表明，隨著時(shí)間增加，雷電注入點(diǎn)和流出點(diǎn)附近溫度逐漸升高，高于100℃的范圍也逐漸增大。對(duì)于玻璃鋼材料，當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，性能會(huì)明顯降低，因此，當(dāng)葉身與圖中深色部分緊密接觸時(shí)便可能產(chǎn)生損傷。

圖7 葉尖接閃器某時(shí)刻的電流和溫度Fig.7 Current and temperature ata certain time of tip receptor

葉身接閃器仿真如圖8所示，其遭雷擊過程 與葉尖相同，結(jié)論也類似。

圖8 葉身接閃器某時(shí)刻表面電流和溫度Fig.8 Currentand temperature ata certain time of body receptor

2.3 數(shù)值仿真結(jié)論

從仿真結(jié)果可以得出結(jié)論：接閃器雷電擊入點(diǎn)較多，尤其是包裹在葉片內(nèi)部的兩個(gè)尖端也會(huì)成為雷電的擊入點(diǎn)，此時(shí)將葉尖接閃器包裹在內(nèi)部的尖端作圓角處理，降低內(nèi)部尖端的接閃概率；當(dāng)葉尖/葉身接閃器整體通流能力足夠，接閃器主結(jié)構(gòu)不會(huì)有致命損傷；當(dāng)雷電附著至接閃器邊緣時(shí)，可能會(huì)造成一定局部損傷，進(jìn)而成為葉片電化學(xué)腐蝕的誘因，降低接閃器和葉片的使用年限。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)和仿真的有效性，委托愛邦電磁雷電與電磁效應(yīng)試驗(yàn)室對(duì)葉片防雷系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。按照IEC61400-24 Wind turbines-Part 24：Lightning protection包含的所有試驗(yàn)項(xiàng)目，針對(duì)葉片進(jìn)行雷電防護(hù)試驗(yàn)，驗(yàn)證風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)性能。驗(yàn)證試驗(yàn)包括初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)、掃掠試驗(yàn)和電流沖擊試驗(yàn)。

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)置

風(fēng)電葉片雷電試驗(yàn)基本設(shè)備如圖9所示。圖9（a）為沖擊電壓設(shè)備，用于風(fēng)電葉片初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)和掃掠試驗(yàn)，圖9（b）為沖擊電流設(shè)備，用于電弧注入試驗(yàn)和電流傳導(dǎo)試驗(yàn)。

圖9 試驗(yàn)設(shè)備Fig.9 Testequipment

試驗(yàn)件為風(fēng)電葉片葉尖段，試驗(yàn)件包含以下3個(gè)部分：6m試驗(yàn)件、3m葉尖（從6m試驗(yàn)件進(jìn)行截取）和3m葉身部分（從6m試驗(yàn)件進(jìn)行截?。▓D10）。制作的試驗(yàn)件中接閃器和2.1 節(jié)仿真模型是基本一致的（參照2.3 節(jié)中的仿真結(jié)論，對(duì)試驗(yàn)的葉尖接閃器進(jìn)行了改善，即葉尖接閃器包裹在內(nèi)部的尖端作圓角處理），數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)的條件也是基本一致的。

圖10 試驗(yàn)樣品Fig.10 Test sample

3.2 試驗(yàn)過程和結(jié)果

（1）葉片初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖11所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)波形要求上升沿截?cái)?，且截?cái)鄷r(shí)間大于50μs。將葉片吊起，使其和接地平面角度為30°，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 相對(duì)于接地平面30°兩極性試驗(yàn)過程Fig.12 Two kinds of polarity of test in 30°leading edge to ground

初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)表明，所有放電附著點(diǎn)均落在葉片接閃系統(tǒng)上，且高壓放電未造成葉片結(jié)構(gòu)的絕緣擊穿。

圖11初始先導(dǎo)附著試驗(yàn)Fig.11 Initial pilotattachment test

（2）掃掠通道附著試驗(yàn)

為了驗(yàn)證葉身接閃器在風(fēng)電葉片旋轉(zhuǎn)過程中暴露于初始先導(dǎo)雷擊沿表面短距離掃掠情況，設(shè)置了掃掠通道附著試驗(yàn)（圖13）。

圖13 掃掠通道附著試驗(yàn)Fig.13 Sweep channel attachment test

試驗(yàn)時(shí)：使用絕緣支柱將葉片撐起，距離地面高度1m，將接閃器及雷電防護(hù)系統(tǒng)引下線接地；將沖擊電壓發(fā)生器的輸出端接放電電極；放電電極為直徑50mm的球形電極；放電電極位于試驗(yàn)件放電位置豎直上方50mm處。試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 掃掠通道附著試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Resultof sweep channel attachment test

掃掠通道附著試驗(yàn)表明，所有電弧均通過葉片外表面閃絡(luò)到接閃器上，電弧放電未造成葉片結(jié)構(gòu)的絕緣擊穿。

（3）電流沖擊試驗(yàn)

為了確定因雷電附著于葉片及雷電能量從接閃器注入造成的直接效應(yīng)損傷，設(shè)計(jì)了電流沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)包括電弧注入和電流傳導(dǎo)。電弧注入主要考慮注入電弧對(duì)葉片表面及下方導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)（用作引下線等）以及對(duì)于支撐表面的結(jié)構(gòu)性元件的影響。電流傳導(dǎo)主要考慮沖擊電流對(duì)葉片防雷防護(hù)系統(tǒng)各連接部分的影響。試驗(yàn)裝置如圖15所示，電弧注入和電流傳導(dǎo)放在一個(gè)試驗(yàn)裝置中實(shí)現(xiàn)。

圖15 電弧注入試驗(yàn)和電流傳導(dǎo)試驗(yàn)Fig.15 Arc injection test and current conduction test

如圖16所示，試驗(yàn)時(shí)，使用絕緣支柱將葉片撐起，距離地面高度1m，將沖擊電流發(fā)生器的輸出端連接至放電電極，將放電電極調(diào)整至放電位置豎直上方50mm處，在放電電極和放電位置之間放置一根直徑為0.1 mm的銅絲作為放電引線。

圖16 電弧注入試驗(yàn)和電流傳導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Result of arc injection test and current conduction test

電弧注入試驗(yàn)表明，電流放電未造成葉片雷電防護(hù)系統(tǒng)和葉片結(jié)構(gòu)的破壞，連接處螺釘沒有松動(dòng)，試驗(yàn)后接閃器可拆卸。電流傳導(dǎo)試驗(yàn)表明，電流傳導(dǎo)未造成葉片雷電防護(hù)系統(tǒng)和連接處結(jié)構(gòu)的破壞。

4 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的葉片最容易遭受雷擊損壞，本文設(shè)計(jì)了一套新型風(fēng)力機(jī)葉片雷電防護(hù)系統(tǒng)，分析了葉片遭受雷擊損壞的機(jī)理，并通過仿真和雷電試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)可以有效攔截直擊雷，對(duì)雷電掃掠等過程造成的雷電損傷實(shí)現(xiàn)了有效的防護(hù)。