风电机组叶片雷电损伤机理及防护方法研究

文 | 周家东，韩敏，黄虎

雷电是自然界中的强放电现象，据估计，全球每年大约发生10亿次雷暴，地球上每时每刻有2000个雷暴云存在。在我国，根据最近几年雷电监测网的资料显示，每年大约要发生1300万次左右的云地闪电。在现代生活中，闪电仍然威胁着人类生命财产的安全，对航空、航天、通信、风电、建筑、石油化工等国防和国民经济的许多部门都有着重大的影响。风力发电机组属于高大建筑物，并且常常安装在雷击比较频繁的高原、沿海以及海上，因此，更容易遭受雷击，造成叶片、机械部件以及电气控制系统的损伤。

目前，风电机组叶片进行雷电防护的主要机理是防雷。叶片防雷主要是通过在叶片表面上加防护材料，同时在接地区加强接地，让雷电流击中防护材料并尽快将雷电流传导到大地，避免对被防护部件本身造成雷击损伤。然而，目前风电行业对雷电损伤机理还不是很清楚，不清楚不同的雷电流损伤机理对叶片损伤的影响，不知道该在叶片设计时如何选择防护方法以及选择什么样的防护材料以达到标准规定的雷电防护要求。

本文主要通过对风电机组叶片雷电流（10/350波形）损伤机理进行分析，介绍了几种不同防雷机理所对应的防雷方法，以便在不同防雷需求条件下选择最合适防雷方法。同时，对目前国内新兴的碳纤维叶片，也给出了防雷方案以及该方案需要考虑的工艺问题。

风电机组雷电损伤机理分析

自然界真实的雷电放电是一个高电压和大电流同时存在的过程，高电压会寻找叶片上的最“薄弱环节”，在空气间隙与叶片“薄弱环节”之间形成放电通道，然后大电流的能量施加于叶片，造成叶片损伤。所以，雷电高电压只是提供一个路线，真正造成叶片损伤的是雷电大电流。雷电流是一个电流源，与雷电损伤以及雷电防护系统设计有关的4个雷电流参数是：峰值雷电流（I）、比能（W/R）、电荷转移（Q）和雷击电流脉冲陡度（di/dt）。通常正雷击有较高的I、Q和W/R，而负雷击有最高的di/dt。根据IEC61400-24标准的规定，一个标准的雷电流波形一般由短时冲击电流波形和后续长雷击电流波形所组成，如图1和图2所示。IEC61400-24和IEC62305-1规定的风电机组雷电最严苛的一级雷电防护参数是200kA，10MJ/Ω，300C，200kA/μs。其中，短时冲击电流的峰值电流为200kA，作用积分为10MJ/Ω，电荷转移量为100C，半峰值时间T2小于2ms；后续长雷击持续电流为200C，持续时间Tlong一般小于1s，所以总的电荷转移量为300C。

图1 短时冲击电流波形

图2 长雷击持续电流波形

风电机组雷电直接效应损伤主要是由峰值电流、作用积分以及库伦量三个参数共同决定的，而间接效应损伤是由雷击电流脉冲陡度（di/dt）所决定的。本文所讨论的主要是雷电对风电叶片的直接雷电效应损伤。

本文基于叶片雷电流试验与仿真结果分析发现，雷电流的直接效应损伤有冲击波效应、电磁力效应、电阻热效应和电弧热效应等。叶片遭遇雷击的典型后果是叶片分层、开裂、爆裂、撕裂，复合材料表面灰化以及雷击点的烧蚀、熔化或者穿孔。

一、机械效应损伤

雷电流的机械效应损伤主要包括声压效应和电磁压效应，在电流峰值作用时，机械效应会导致材料的断裂、分层和撕裂。首先，在雷电电弧击穿空气间隙的过程中，由于风电机组直击雷的短时冲击电流200kA、10MJ/Ω的能量等级导致空气受热膨胀，爆炸主要是由于电弧通道内温度的迅速升高，电弧通道内的温度可在几微秒内达到几万摄氏度。如图3所示，闪电通道爆炸产生巨大的声冲击波，称为“声压”，声压会沿电弧方向不断传播，当声压被叶片表面阻挡，就会对叶片产生很大的破坏力，导致叶片断裂。同时，环流产生的电磁力也会对电弧柱及材料内部产生明显的机械效应，电弧的内部压力由于环流产生的电磁力的“箍缩”效应而增强，当这种增强的内部压力撞击叶片复合材料表面，会产生额外的机械压力，称为“磁压”。最后，由于叶片复材结构件的迅速温升会产生膨胀效应，也会产生一个额外的机械压力。

叶片机械效应造成的最严重损伤形式是当雷电流通过叶片内表面并在叶片内部形成高能电弧时，电弧可能会在叶片内部的空腔、复合材料层间，或者沿着叶片内表面形成。当雷电流在叶片复合材料层间或其内表面传导时，由于复材层间或叶片内表面含有一些潮气，潮气由于受热膨胀产生较大的冲击压力，冲击压力不易扩散可能会导致叶片爆炸、叶片分层或者沿着叶片前后缘和内部承载梁之间将叶片撕裂。

二、热效应损伤

叶片的热效应损伤主要有电阻热（焦耳热）效应损伤和电弧热效应损伤。对于风电机组雷电而言，焦耳热效应主要与短时冲击电流有关，是由雷电流作用积分和材料本身电阻所决定的。对于金属结构，由于材料具有高电导率、电阻比较小，因此，焦耳热比较小。而对复合材料而言，由于复合材料的电导率低、电阻大，碳纤维复合材料的电阻是金属电阻的1000倍，玻璃纤维的电阻更大。因此，对于同样的雷电流等级，例如200kA、10MJ/Ω，雷电流在叶片复材上产生的焦耳热是金属的1000倍以上。同时，复合材料的热导率比较低，热量不容易散失。因此，对于不防护的风电机组叶片，一旦叶片被雷电击中，焦耳热效应所造成的损伤将是巨大的。

电弧热效应是由短时冲击雷电和持续电流共同决定的。热效应在持续电流作用阶段尤为明显，热效应会导致材料表面温度急剧升高，进而导致材料结构的熔化或击穿。有研究者发现，电弧热效应损伤的尺寸与总的电荷转移量有关，基本符合线性关系。

雷电流热效应损伤的主要能量源是直接的等离子电弧热流（通过传导、电子或离子的重构以及辐射流）和材料内部的焦耳热。对于电弧热，其热效应损伤区域主要集中在雷电附着点附近，而对于电阻热，其热效应损伤在整个结构件区域，如果雷电传导截面积足够，其损伤在电弧入点和接地区域，如果雷电传导截面积不够，则会造成整个传导路径上都会有损伤。

图3 雷击附着点处各种直接效应损伤

风电机组叶片常用雷电防护方法介绍

目前，高大建筑物进行雷电防护的主要方法有三个：避雷法、引雷法和防雷法。避雷法主要是通过在易遭受雷击物体表面进行防护，抑制上行雷电先导的产生，从而避免雷击的发生。引雷法则主要通过避雷针或者其他方法将雷电引到其他地方，从而防止雷电击中被保护物体。防雷则主要是通过在被保护部件上加防护材料，将雷电流通过防护材料传导到大地，避免对被防护部件本身造成雷击损伤。然而对于风电机组叶片而言，避雷法和引雷法不仅防护效果达不到要求，而且防护成本还高，因此逐渐被弃用。现在对于风电机组叶片而言，防雷法成为其雷电防护的主要方法。对于传统的玻璃纤维叶片，雷电防护的主要方法有以下几种：

一、接闪器及引下线防雷法

接闪器及引下线防雷法的机理为接闪器定点接闪雷电流、引下线传导雷电流。雷击是空气中的电击穿，电场强度是空气能否击穿的主要量度，当雷电下行先导到达雷击高度后，接闪器作为金属导体，会产生大量的感应电荷，从而使接闪器成为电荷密度最大的部位，从而在雷电下行先导和接闪器之间形成的电场强度最强。接闪器产生上迎先导和雷电下行先导汇合，从而形成雷击。该方法避免了雷击叶片本体而造成叶片损伤。

二、接闪器及引下线绝缘防雷法

传统的接闪器及引下线防雷系统，经常存在雷电直接击穿叶片造成叶片损坏的事故。因此，在原有的接闪器及引下线防雷系统基础上，对于容易产生上行先导，造成雷电流击穿的引下线或者其他金属结构件，进行雷电先导的抑制。如在引下线、接闪器支架、引下线和接闪器连接部位进行相应的绝缘设计，消除绝缘薄弱环节，抑制感应电荷的产生，抑制上行先导的产生。使所有的雷电都发生在裸露的叶尖接闪器和叶身接闪器上。

三、片段式雷电导流条防雷法

片段式导流条的工作原理是雷电使相邻金属片间发生电离，从而使金属片上方的空气变为等离子体，雷电电压足够高达到导流条的击穿电压时，所有独立的等离子区域继续发展，相互连接在一起，在导流条上方形成一条等离子体通道，雷电流通过这个通道传导到引下线，最终泄放到大地。

然而，以上三种方法都只能应用于传统的玻璃纤维叶片，无法解决除冰叶片和碳纤维叶片遭受雷击的问题。因此，需要开发可对导电材料进行雷电防护的新方法。

碳纤维叶片防雷法——雷电防护金属网

延性雷电防护金属网是为了解决碳纤维叶片和除冰叶片防雷问题而开发的新方法。随着碳纤维复合材料在叶片上的应用，由于碳纤维也是导体，会成为雷电附着点，因此，碳纤维叶片遭雷击的风险远大于玻璃纤维叶片，并且碳纤维复合材料叶片遭受雷击后的损伤效果也远大于玻璃纤维叶片。为了对碳纤维叶片进行有效的雷电防护，常在碳纤维材料的表面铺设防雷金属网来接闪和传导雷电流。

中国风电机组叶片雷电防护采用了GB/T 33629—2017和IEC 61400-24—2000标准，其10μs/350μs波形和航空工业使用的SAE ARP 5416、GJB 3567的6.4μs/69μs以及美国IEEE标准的8μs/20μs都不相同。在同样的电流峰值200kA下，GB/T 33629—2017和IEC 61400-24—2000标准规定的首次短雷击10μs/350μs波形雷电流作用积分为10MJ/Ω，库仑量为100C，远大于军工行业2MJ/Ω的防雷等级。并且风电机组叶片比飞机更易遭受雷击，一般飞机整个飞行周期内最多遭受两次雷击，而风电机组叶片整个运行周期内仅200kA的雷电流就会有3~5次，总的雷击次数可达几十到几百次。因此，风电行业的雷电防护等级是要远高于军工行业的，风电行业所用金属网的防雷能力远高于军工行业。

在叶片上应用雷电防护金属网时，需要考虑雷电防护金属网的选择、雷电防护金属网的应用工艺选择等问题。目前，碳纤维叶片主要用于海上风电场，海上叶片安装成本高，后期维护难。海上碳纤维叶片防雷要选择防雷可靠性高、后期维修少的防雷方案。因此，要选择的雷电防护金属网要满足以下要求：金属网能够接闪雷并且电流金属网的损伤很小，雷击后金属网不需要修复或少修复；金属网能够传导雷电流，沿着电流传导方向不会出现由于金属网的熔断造成雷电流没有泄放通道而发生叶片炸裂。图4是ABEMMAL135-650防雷铝网在200kA、10MJ/Ω作用下的雷电流损伤结果，图4（a）是防雷铝网试验时的雷电流波形图，峰值电流为-193.644kA，能量为9358.09kJ/Ω，电荷量为103.61A·s（C），满足IEC61400-24标准规定的雷电流要求；图4（b）、（c）显示，雷电流引弧区域金属网损伤较小，并且雷电流传导区域金属网无损伤。结果表明ABEMMAL135-650防雷铝网可有效地对复合材料进行雷电流防护。

图5是ABEMM-Cu820-100防雷铜网在200kA、10MJ/Ω作用下的雷电流损伤，如图5（a）所示，引弧区域该防雷铜网基本没有损伤，证明该型号铜网能够承受200kA的冲击雷电流作用不发生损伤。但在雷电流的传导区域，金属网出现整个界面断裂的情况，说明100mm宽度的ABEMM-Cu820铜网的截面积不足以传导200kA的雷电流。ABEMM-Cu820防雷铜网，要传导200kA雷电流需增加金属网的宽度。

除了金属网本身，金属网的应用工艺也会对防雷效果产生很大的影响。雷电防护金属网的应用工艺包含金属网的铺设工艺、金属网的搭接工艺、金属网的接地工艺。图6（a）显示金属网进行搭接时，对接间隙小于1cm的搭接工艺搭接区金属网的损伤比较小，图6（b）显示金属网进行搭接时，对接间隙大于1cm的搭接工艺搭接区金属网和复合材料的损伤都比较大。图7则显示了接地工艺对金属网损伤的影响，图7（a）显示采用螺钉接地的接地工艺接地区金属网的损伤比较小，图7（b）显示采用无螺钉的接地工艺接地区金属网的损伤比较大。

图4 ABEMM-AL135-650防雷铝网200kA、10μs/350μs雷电流作用下损伤

图5 ABEMM-Cu820-100防雷铜网在200kA、10μs/350μs雷电流作用下损伤

图6 搭接工艺对防雷铜网防护效果的影响

因此，在碳纤维叶片和除冰叶片上应用金属网时，不仅要选择合适的金属网，也要选择合适的金属网应用工艺，才能做好叶片的雷电防护。

图7 接地工艺对防雷铜网防护效果的影响

结论

通过对风电机组雷电损伤机理的研究，我们发现对风电机组叶片损伤影响最大的两个因素分别是作用积分和库仑量，风电机组雷电作用积分的最高等级是10MJ/Ω，会在风电机组叶片上产生很大的电阻热，尤其是在雷电流的入点和出点造成比较大的损伤。而风电机组雷电库仑量的最高等级会达到300C，最终会在叶片上烧蚀出很大的孔洞。因此，对于风电机组叶片雷电防护，要比飞机雷电防护更加困难。

风电机组雷电防护的三种方法：接闪器及引下线防雷法、接闪器及引下线绝缘防雷法以及片段式雷电导流条防雷法，都有其各自的优点。将三种方法结合起来使用，可以有效解决传统玻璃纤维叶片雷电防护的问题。金属网则是碳纤维叶片和除冰叶片防雷的重要方法，金属网的选择以及金属网的应用工艺都会对金属网的防雷效果产生决定性的影响。

摄影：吴振华