风电叶片雷击防护的研究进展

谢惠，李晓旻，李子威，陆书建

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所洛阳双瑞风电叶片有限公司，河南洛阳471039)

风电叶片雷击防护的研究进展

谢惠，李晓旻，李子威，陆书建

(中国船舶重工集团公司第七二五研究所洛阳双瑞风电叶片有限公司，河南洛阳471039)

风力发电是一种清洁能源，近年来受到全球范围的关注。随着陆上风力发电场趋于饱和，风力发电逐渐向海上扩张。海上风电虽与陆上风电有所不同，但雷电袭击对于海陆风电力发电场来说，都是威胁其运行安全的严重问题。风电叶片作为风电机组的重要组成部件之一，其受雷击后会导致风机停运，带来严重的经济损失。叶片的雷击防护已引起人们的重视，成为风电领域和防雷领域的热点问题。本文阐述了风电叶片防雷系统的现状和问题，风电叶片雷击防护的研究进展，并结合复合材料雷电实验的研究成果，为海上风电叶片防雷系统的研究提供新思路和新方向。

风电叶片;碳纤维复合材料;防雷系统;海上风电

1 引言

随着社会经济的持续增长和不可再生能源的日益枯竭，风能作为一种清洁能源受到世界各国的关注。近年来，我国陆上风力发电机组的单机容量越来越大，轮毂高度和叶轮直径也不断提升，使得风电机组在运行过程中受雷击的风险变得更高。风电叶片因处于风电机组最高位，成为风电机组中受雷击概率最大的零部件之一。对于海上风力发电场的建设，风电叶片处于湿度大、盐分高的海洋大气区，潮湿的空气和盐分极易在叶片表面聚集，相比于陆上风电叶片，叶片自身的绝缘能力较低，此外，风电叶片所处环境比陆上风电场更为空旷，因而海上风电叶片更易受到雷电袭击。海上风机叶片的雷击损坏后果十分严重，会导致高昂的叶片维修费和风力发电系统长时间的停机，严重影响风场的正常运行。因此，亟需对陆上和海上风电叶片防雷击系统展开进一步的研究。

2 风电叶片防雷系统现状及问题

风电叶片的防雷保护一般是按照IEC61400进行设计的，IEC61400-24对风电叶片的防雷推荐了多种方案。目前常用的方案是通过在叶片尖部，叶片中部，叶片表面和内部安装金属接闪器，让雷击电流通过金属接闪器和下引导线传至叶片根部，从而保护风电叶片免受损坏，如图1所示。现阶段我国风电叶片的设计主要依托国外公司，叶片实际生产时完全按照设计文件的要求安装叶片防雷系统。而国外设计公司在设计风电叶片防雷系统时并未考虑我国地域的雷电活动情况及实际风电机组装机密度，有资料表明德国地区的雷电活动总体分布特点是南多北少，与中国向比，其最高累计密度处于较低水平。德国统计数据表明风电叶片雷击损坏率不高，设计人员在叶片防雷系统设计方面重视程度不足［1］。对于海上风电场，其叶片防雷系统的设计大多也是按照IEC61400进行，但海上风电叶片长期处于潮湿环境，叶片表面附着的水分和盐分会降低叶片接闪器的有效接闪率，海上风电叶片仅采用与陆上风电叶片类似的防雷系统是不够的。因此，在风电叶片的实际制作中，应当考虑在设计文件所提供的叶片防雷系统方案的基础上增加新的防雷保护措施。

图1 叶片接闪器及下引导线示意图

3 风电叶片雷击防护研究进展

3.1 风电叶片防雷技术研究方向

对于陆上风电叶片防雷系统的研究，现阶段研究对象多为单体风机，而对风电场整体研究的较少。随着陆上风电机组叶片长度的增长，轮毂高度的增高，风电场装机密度的增大，如何提高风电机组之间的屏蔽性应成为研究的方向之一。对于海上风电场的防雷研究，现阶段缺少能为海上风机防雷保护设计提供支持的海上风电场先导概率模型。此模型的建立首先需要获得一系列海上雷电物理参数，如雷电电荷密度、海上环境的电场强度、先导通道长度及发展速度等，但目前国内外对此类数据的探测和积累十分欠缺。此外，目前已知海上风电叶片表面附着的水分、盐分会对叶片自身接闪器性能产生影响，但与此相关的具体研究开展较少。因此，应加强海上风电场雷击演化物理机制，叶片接闪器效率及布置优化的理论研究，为海上风电叶片防雷技术的发展提供理论基础。就当前研究进展情况而言，雷击防护已经在防雷增效和新兴防雷击材料两方面开展了研究。

3.2 叶片防雷击系统增强措施的研究进展

叶片防雷击的总体思路是提高叶片的有效接闪率，增大叶片自身的导电能力。在发生雷击时，叶片防雷系统的导电物质可作为雷电行走通道将叶片上的雷电引入地下，或者是对雷电进行拦截，防止雷电击中叶片主体造成损害。一类方法是使用涂层提高叶片导电能力;另一类方法是将导电的材料添加进叶片的表面材料部分，使得叶片自身就可以进行导电，进而将雷电流经叶片传到根部［2］。对于第一类方法，大多是在表面增加导电功能层，通过将叶片表面静电荷或电流及时排放的方式来保护叶片，防止雷电击坏叶片。根据报道［3］，国外有些叶片防雷系统使用外表面粘贴铝箔的方法，叶片外表面粘贴导电金属箔，该金属条形成分段式避雷带，雷击后，起粘接作用的环氧基胶料汽化，可方便撕去损坏的金属条，快速更换新导电金属条。对于第二类方法可以将金属材料或其他导电材料直接喷在叶片的表面上，也可以将金属纤维加入到叶片外层制造材料的内部，或是将金属网放置在叶片的表面，或者是将导电物质引入表面的复合材料之中［2］。

3.3 新型防雷击材料的研究进展

面对风电叶片原材料的变化及装机量的迅速增长，迫切需要研究新型防雷材料来提高叶片的防雷能力。碳纤维材料在风电叶片的制造中已得到应用［4-5］，随着海上风电的发展，碳纤维材料在叶片上的应用会越来越多，本部分针对在风电叶片领域使用日益增多的碳纤维，阐述碳纤维复合材料雷电实验的研究成果，为海上风电防雷系统的研究提供新思路。

目前，碳纤维复合材料雷击防护的研究主要集中在如何提高材料的电导率。在复合材料体系中添加导电纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、金属纳米线等［6-7］方法研究最为广泛。其中，碳纳米管，碳纳米纤维，石墨烯等碳系导电材料具有导电性能稳定，耐腐蚀性强，密度小等优点，近年成为导电填料的首选［8］。研究发现在树脂基体中加入少量碳纳米填料就可迅速降低涂膜的电阻率，这使得它们成为各国研究人员关注的新型导电材料。实验发现，当添加到涂膜内的导电填料超过一定值时，涂膜的电阻率会迅速降低表现出导电性，此种现象称为渗流，这一临界值称为渗流阈值［9］。当导电填料颗粒小到微纳米级别时，填料的长径比，尺寸，形态等诸多因素会影响材料的渗流阈值，大量的研究报道了填料形态与渗流阈值的关系。Li ETTChunyu等人［10］研究发现，穿隧效应(tunneling effect电子从一个碳纳米管到另一个碳纳米管)对提高材料的导电率有重要影响，尤其在渗流阈值附近［11］，增加碳纳米管的长径比可降低其渗流阈值降低，特别在碳纳米管长径比小的情况下。此外，Li C.等人［12］利用蒙特卡洛模拟证明碳有弯曲的碳纳米管的电导率比直碳纳米管的电导率小，渗流阈值随着其波度最大角度增加而增加。由于碳纳米管的长径比高，分散在树脂基体中后更容搭接形成导电网络，因此用碳纳米管作导电填料制备导电涂料，渗流阈值常小于5%，在某些体系中甚至可小于1%［8］。目前可得到的碳系填料已取得的最低渗流阈值是由Sandler等制备的碳纳米管/环氧树脂复合体系，其渗流阈值仅为0.0025%［13］。此外，文献［14］报道，K.C.Divya［15］发现在碳纤维增强双马来酷亚胺复合材料中添加不同导电材料制成的复合材料具有更高的导电性，其中添加4wt%镍单壁碳纳米管后的电导率明显比添加4wt%单壁碳纳米管的电导率高;作者又人工模拟雷击实验来检测不同纳米复合材料对雷击防护的效果，该实验表明添加镍单壁碳纳米管是一种比较合适提高碳纤维双马复合体系雷电防护性能的方法; N.Yamamoto［16］在碳纤维上原位生长碳纳米管与热固性树脂复合，得到碳纳米体积分数3%的纳米复合材料，其电导率比碳纤维复合材料的提高了6-8个数量级，这给碳纤维复合材料雷击防护性能的提高提供了新思路;Jihua Gou［17］用碳纳米纤维和镍纳米线制作纳米纤维纸，通过树脂传递模塑工艺使纳米纤维纸与碳纤维复合材料层合板的表层贴合，实验发现此方法能够提高碳纤维复合材料表层的导电性能，可以有效降低雷击损伤。

通过上述实验研究可以看出，碳纳米材料加入碳纤维复合材料内可以有效增强复合材料的防雷电性能，因此，碳纳米材料可作为海上风电防雷击系统新材料加以进一步深入研究。目前，碳纳米复合材料制备的工艺稳定性，批量化生产方法，以及如何应用在海上风电叶片等都是有待解决的问题。

4 结语

(1)雷电是威胁风力发电机组正常运行的危险因素之一，随着陆上风电叶片长度的增加和装机量的增大，应在兼顾叶片原始设计的基础上，结合我国风场实际装机密度、轮毂高度、风场地区雷电统计等信息综合性考虑风电叶片雷击防护，增加其他防雷措施，提高叶片的防雷能力。

(2)对于海上风电叶片的雷击防护技术，应在现有雷击防护技术基础上，结合近海岸或潮间带雷电发生情况，深入考虑海上高湿高盐分运行环境对叶片雷击的影响，加强海上风电叶片雷电演化物理机制的研究，在海上风电叶片设计时优化叶片接闪器安装数量，安装位置及接闪器的形式。

(3)碳纤维复合材料的雷击防护新材料的研制在实验室取得了阶段性的成果，为海上风电叶片的雷击防护技术的研究提供了新思路与新选择。新型防雷材料制备工艺稳定性的提高，新材料生产成品的控制，以及新材料在海上风电叶片上的应用方法等一系列问题都有待进一步解决。

［1］杨宏坤，李成良，吴海亮，等.风电叶片防雷优化设计研究［J］.风能产业，2015(2):61-64.

［2］仇艳龙.风力发电机叶片雷击损害机理及有效防护［J］.科技与企业，2013(17):283.

［3］曾明伍，赵萍，钟贤，等.风电叶片的放雷技术及应用［J］.东方汽轮机，2012(1):13-19.

［4］谢桂兰，肖春芽，贺礼财.大型风机叶片复合材料的三维拓扑优化设计［J］.玻璃钢/复合材料，2015(6):53-57.

［5］褚国伟，张锦南，李海涛，等.风机叶片用单向碳纤维预浸料性能研究［J］.玻璃钢/复合材料，2012(4):87-90.

［6］F.H.Gojny，M.H.G Wichmann，B.Fiedler，etc.Evaluation and identification of electrical and thermal conduction mechanisms in carbon nanotube/epoxy composites［J］.Polymer，2006，47:2036 -2045.

［7］S.Stankovich，D.A.Dikin，G H.Dommett，etc.Graphene-based composite materials［J］.Nature，2006，442:282-286.

［8］孟晓明，楼平，赵永生，等.碳纳米管、石墨烯在导电涂料中的应用研究进展［J］.涂料工业，2015，45(5):82-87.

［9］ZHANG W，ABBAS A D，RICHARD S B.Carbon based conductive polymer composites［J］.Journal of Materials Science，2007，42(10):3408-3418.

［10］Li ETTChunyu，Chou Tsu-Wei.Dominant role of tunneling resistance in the electrical conductivity of carbon nanotube-based composites［J］.Applied Physics Letters，2007，91:3.

［11］Lu T-WCWeibang，Thostenson Erik T.A three-dimensional model of electrical percolation thresholds in carbon nanotubebased composites［J］.Applied Physics Letters，2010，96:1-3.

［12］Li C.Thostenson ET.Chou，T-W.Effect of nantube waviness on the electrical conductivity of carbon nanotube-based composites［J］.Composites Science and Technology，2008，64:45-52.

［13］BAUHOFE RW，KOVACS J Z.A review and analysis of electrical percolation in carbon nanotube polymer composites［J］.Composites Science and Technology，2009，69(10):1486-1498.

［14］郭云力.碳纤维增强树脂基复合材料雷击损伤的研究［D］.济南:山东大学硕士学位论文，2014.

［15］Kfc C.Divya，Valery N.Khabashesku，Ranji Vaidyanathan etl Carbon Fiber-Bismaleimide Composites Filled with Nickel-Coated Single-Walled Carbon Nanotubes for Lightning-Strike Protection［J］.Advanced Functional Materials，2011，21:2527 -2533.

［16］N.Yamamoto，S.S.Wicks，R.Guzman deVillori.etal.Mechanical，thermal，and electrical properties of woven laminated advanced composites containing aligned carbon nanotubes.17th International Conference on Composite Materials(ICCM)，Edinburgh，Scotland，July 27-31，2009.

［17］Jihua Gou，Yong Tang.Fei Liang et al，Carbon nanofiber paper for lightningstrikeprotectionofcompositematerials［J］，Composites:Part B，2010，41:192-198.

Research Development of Lightning Strike Protection for Wind Turbine Blade

XIE Hui，LI Xiaomin，LI Ziwei，LU Shujian
(The 725 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Luoyang Sunrui Wind Turbine Blades Co.，Ltd.，Henan Luoyang China)

Wind energy，as one of ecological resources，has attracted global attention in recent years.The onshore wind farms witness the flourish of the offshore ones.Although there are differences between onshore wind turbines and offshore ones，they are particularly vulnerable to lightning strokes.Wind turbine blade is an important component to wind power.Lightning strike of blade has a bad influence on wind turbine operation，which can result in severe economic loss.Therefore lightning strike protection of blade becomes a hot issue in the wind power and lightening strike protection field.This review paper presents problems of current blade lightning strike protection system，the technology and research development of blade lightning strike protection，and advanced materials for lightning strike protection technology，in order to provide new options for lightning strike protection of offshore wind turbine blade.

wind turbine blade;CFRP;lightning protection system;offshore wind farm

2016-06-07)

谢惠(1988-)，女，河南人，硕士，助理工程师。研究方向:复合材料风电叶片成型工艺研究。

E-mail:xiehui@725.com.cn.