针对复杂环境的风电叶片防雷系统可靠性验证研究

李成良 方致阳 丁惢 杨越

叶片作为风电机组雷电风险最高的部件，其雷电防护的可靠性，对机组能否在全生命周期中安全运行起到决定性作用。相关文献表明，2012年美國风电机组保险索赔中，叶片雷击损伤比例高达41.4%，每笔平均赔偿金额约24万美元，由此可知提高叶片防雷系统可靠性具有重要意义。

国际电工委员会（IEC）在关于风电机组的雷电防护标准IEC 61400-24中对如何验证风电叶片防雷系统的可靠性给出了指导性要求。第三方认证机构也会根据测试结果对叶片防雷系统的效果进行认证评价。随着风电开发地域的多样化，运行在复杂环境（如易发生盐雾腐蚀的海上及高海拔、高雷暴地区）中的叶片，会对防雷系统可靠性、适应性等提出更高要求。因此，针对国内复杂的雷暴环境进行适应性防雷系统认证方案设计，成为目前叶片防雷系统可靠性验证研究的重点。

本文基于通用的认证方法，通过更加全面的测试方案，验证叶片防雷系统在复杂环境中的可靠性。

防雷系统认证研究

叶片防雷系统的通用认证方法主要包括雷击测试验证以及相似性说明验证。

一、雷击测试认证

该认证包括2种高电压测试和2种大电流测试。其中，高电压测试包括高电压初始先导测试与高电压扫掠通道测试；大电流测试包括大电流电弧引入测试与大电流传导测试。

自然界中雷电的形成，往往伴随着超高的电压以及超大的电流注入，但在实验室模拟雷击过程时，无法将雷电的电压及电流同时耦合到一个测试波形中进行测试，因此，需要在雷击测试中分别进行高电压测试以及大电流测试。其中，大电压测试主要验证叶片雷击附着点的区域；大电流测试主要验证叶片接闪器成功接闪后能否将雷电流顺利卸放。根据最新发布的IEC 61400-24―2019标准，相关测试的主要验证内容如下：

（1）高电压初始先导测试：主要验证叶片在实际的接闪过程中可能出现的附着点。高电压初始先导测试情况见图1。

（2）高电压扫掠通道测试：叶片由于自身旋转，会远离雷电通道，进而导致出现雷电流沿叶片表面爬行的情况。该项测试主要验证叶片成功接闪后，在雷电爬行的过程中是否会出现击穿叶片蒙皮的情况。高电压扫掠通道测试情况见图2。

（3）大电流电弧引入测试：主要验证叶片接闪器成功接闪后能否承受相应的能量以及电荷传递量，而不会造成叶片结构层损伤。大电流电弧引入测试情况见图3。

（4）大电流传导测试：主要验证叶片接闪器在成功接闪后，能否将注入能量以及电荷顺利地通过引下系统传导至接地系统，且不会由于引下系统负载能力不足，导致在雷电能量卸放过程中出现火花、引下线熔断、电连接失效等现象。大电流传导测试情况见图4。

二、相似性说明认证

相似性评估是为了表征新开发型号叶片及其防雷系统设计方案，与经过雷击测试验证过的某款叶片及其防雷系统设计方案的接近程度。新产品与已完成验证产品之间的相似性通过叶片设计方案及材料体系两个维度评估认证：

（1）叶片设计相关相似性评估：共包含9项对比指标，主要从叶片外形、蒙皮结构、防雷系统t布置等方面进行评估。

（2）叶片材料相关相似性评估：共包含5项对比指标，主要从树脂纤维体系、接闪器材料与等电位设置等方面进行评估。

所有相似性指标均满足IEC标准后，方可获得认证。

复杂环境可靠性测试验证研究

基于对上述不同测试验证方向的理解，复杂环境中叶片防雷系统的可靠性，可以通过高电压初始先导测试进行验证。本章节采用高电压初始先导测试，先后对使用17.5kV热缩管进行绝缘加强的防雷系统开展叶片防雷系统内部先导诱发情况、叶片防雷系统极限测试、叶片接闪器金属腐蚀后的雷击测试进行防雷系统雷电防护能力的可靠性验证。另外，为验证防雷系统连接可靠性，对叶片防雷系统力学性能进行测试并分析。

一、叶片防雷系统内部先导诱发情况分析

研究表明，对叶片防雷系统进行绝缘防护可以有效抑制叶片内部金属出现先导现象。为了判断使用的叶片防雷系统的绝缘强度是否满足使用要求，需要了解叶片防雷系统内部先导的诱发情况，因此，以下针对叶片防雷系统（无叶片结构）进行测试研究。

方案布置参考高电压初始先导测试。测试样件由叶片变为叶片防雷系统本身，本次测试样件长度为5m，在54次高电压初始先导测试过程中，未发生防雷系统绝缘击穿现象，但是在前缘对地第2次负极性测试中发现，在距离叶尖1.5m的位置，由引下线诱发了可见先导，见图5。通过观测可以发现，出现的先导较弱，不存在继续发展的可能。因此，可以表明增加防雷系统的绝缘强度可大幅度降低叶片内部先导的发生，增强叶片防雷系统可靠性。

二、防雷系统极限测试验证

基于国内复杂的雷暴环境，仅通过54次高电压初始先导测试，不能保证叶片在高雷暴环境中的全生命周期安全运行。高雷暴环境往往位于高海拔地区，而在高海拔地区叶片会出现在雷云中运行的情况。同时，根据之前的测试研究发现，击穿现象全部集中在负极性测试上。因此，本文在原有验证要求基础上增加对10°工况的负极性测试，形成可验证模拟高海拔、高雷暴环境中防雷系统防护能力的两轮极限测试。

第一轮测试为依据IEC 61400-24要求的54次高电压初始先导测试。第二轮测试在原有测试样件基础上在10°工况对应的A、B、C、D 4个测试姿态，分别增加7次负极性雷击测试，共计28次试验。图6为防雷系统测试情况。

两轮极限测试均未发生击穿现象。实验结果证明叶片防雷系统的可靠性满足高海拔、高雷暴环境条件的使用要求。

三、接闪器腐蚀后雷击测试分析

海上挂机试验表明海上叶片金属接闪器会出现一定的腐蚀现象。而对于金属腐蚀后对叶片防雷系统的接闪效率是否会出现影响，并没有相关规范予以规定。因此，为了验证腐蚀后的叶尖对防雷系统是否有较大影响，对叶尖进行盐雾试验。试验参考标准ISO 12944《色漆和清漆―防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护》中C5-M等级，达到该等级的主要指标要求为盐雾试验时间不低于1440h（盐雾试验详细要求如表1所示），试验符合GB/T 10125―2012/ISO 9227：2006要求。将完成盐雾试验的叶尖安装到叶片雷击测试样件上，按照规范要求进行高电压初始先导测试。

试验结果表明，54次试验均未发生击穿现象，试验全部通过。测试详情见图7。由此可知，防雷系统接闪器在经过盐雾腐蚀后，对防雷系统的防护性能影响在可控范围内。

四、叶片防雷系统力学性能测试分析

风电叶片需要在风电场安全运行20年以上，而叶片防雷系统安装在叶片中很难进行维护，为了保证叶片防雷系统安全运行，必须保证防雷系统连接可靠。因此，需要对叶片防雷系统进行力学性能测试。验证方法为对附带防雷系统的风电叶片进行全尺寸结构性能测试验证 。

测试包括静力测试、疲劳测试以及疲劳后静力测试三个阶段。通过观测叶片防雷系统力学性能测试前后的电阻变化，来确认叶片防雷系统的连接可靠性。图8为某型号叶片防雷系统测试前后的电阻变化情况。由图可知，叶片测试前后电阻差值仅在±3mΩ以内，叶片防雷系统在全生命运行周期内连接满足要求。

结论

本文主要基于规范中的认证验证手段、高电压初始先导测试以及力学性能测试，来验证风电叶片防雷系统在复杂环境中的可靠性。通过本文研究可知：

葉片防雷系统认证要求已经趋近完善，有多种方式可以进行防雷系统认证。同时，现有叶片防雷系统的绝缘强度足以抑制内部先导的发生，且可以满足高雷暴环境、高海拔地区、海上地区对叶片全生命周期内雷电防护的要求。

（作者单位：中材科技风电叶片股份有限公司）