海上风电机组碳纤维叶片防雷系统设计及仿真分析

付 斌，曾明伍，林 淑，杨奎滨，杜鸣心，刘 孟

(1.东方电气风电有限公司，四川 德阳 618000；2.西安爱邦电磁技术有限责任公司，陕西 西安 710077)

0 引言

风力发电行业近些年持续显著增长，截至2019年全球总装机容量已超过529 GW。目前，大多数的风力发电机都是新型高塔结构，平均高度都超过100 m，安装地点多位于内陆的平原和地势较高的区域及开阔海域等直接暴露于雷电的场所，因此显著增加了雷击风险。通过收集分析雷击案例，风电机组雷击损伤中，叶片损伤约占20%～28%[1]，所有这些风力发电机在其运行寿命期间都有可能受到多次雷击，单机损坏所造成的直接、间接经济损失比例也越来越大，如何降低雷击后的经济损失是防雷系统存在最为关键的意义[2-3]。然而，作为重要接闪部位，叶片的防雷技术已成为解决风力发电机组防雷系统中的首要问题[4-5]。

目前，风电机组装机方向逐步从陆上小功率机组向海上大功率机组转移，机组功率等级不断提升，风机叶片长度不断被刷新，传统的玻璃纤维在大型叶片的应用中逐渐显现出性能的不足，而碳纤维材料具有一定的导电性，受到叶片厂家的青睐[6]。但因其电阻率较高不利于雷电流的泄放，且碳纤维材料造价较高，叶片厂家一般将碳纤维材料运用在主梁等重要结构中。因此，碳纤维叶片防雷设计的可靠性显得十分重要[7]。目前，风机叶片防雷设计主要参考IEC61400-24，但海上机组叶片在叶片长度、防腐、防盐雾和材料等方面都区别于陆上机组，此时参照IEC标准对海上机组叶片进行防雷设计已经很难满足防雷要求。国内外一些叶片制造商参考飞机防雷设计[8]，将延展性防雷金属网应用于碳纤维叶片的雷电防护。

金属网雷电防护的本质是利用金属自身良好的导电性，将雷电流快速分散到金属网各条梗丝上，防止非金属部件被雷电流破坏[9]。通过试验发现，雷电流对金属网的破坏主要是电磁力和热效应，每次雷击金属网其损伤程度受金属网厚度、金属网克重等条件的影响，一般在3～10 cm。因此，在每次雷击发生后都需要对金属网进行维护，增加了现场维护工作量，不利于技术的进步。

除了金属网外，接闪器结构也是一种重要的防雷措施。接闪器结构的本质是通过金属结构形成雷电流通道，避免叶片内部出现燃弧和保护非金属结构。从国内外目前针对接闪器的模拟实验中可以看出，接闪系统的设计和失效机理研究还有待深入[10]，一旦接闪器结构失效就无法起到防护碳纤维主梁的目的。

为此，综合以上两种防雷结构的优点，本文提出了一种金属网结合接闪器的碳纤维叶片防雷系统，本系统将金属网和接闪器进行耦合，通过对雷电流进行分流，以降低金属网的损伤面积，接闪器和金属网形成双回路，可有效提升系统的可靠性。本文通过电、热耦合的多物理场仿真分析，利用有限元数值计算软件COMSOL Multiphysics 计算，验证该双回路防雷系统的有效性。

1 碳纤维叶片的雷击防护

图1 金属网和接闪器防雷系统示意图Fig.1 Lightning protection system diagram of metal mesh and lightning arrester

金属网和接闪器防雷系统图如图1所示。其中，金属网沿叶片主梁敷设，宽度略宽于主梁，叶尖和叶根金属网通过反复折叠后用铜板进行压接。叶尖接闪器与叶尖处铜网连接，同时引下线与叶尖接闪器连接。在叶片中部设置若干个叶中接闪器，叶中接闪器通过铜板与金属网进行搭接，同时引下线与叶中接闪器连接。引下线在叶根处于叶根金属网铜板连接，最终通过1根70 mm2软铜线接入轮毂接地点。

2 仿真流程分析

雷电问题属于多物理场问题，当风机遭到雷击时，雷电流流过风机，常常伴随着电磁、热、力效应。对旋转叶片的模拟雷击实验结果表明，旋转叶片的接闪点会随着叶片的旋转发生偏移，会降低接闪器的接闪效率[11]。因此，需要对包含防雷系统的全尺寸叶片模型进行仿真分析，以确保叶片运行的安全性。仿真流程图如下图2所示。

图2 仿真流程图Fig.2 Simulation flow chart

将全尺寸叶片模型放置于预设的平板电极中心，叶片与接地面呈30°、60°和90°，雷电流参考IEC 62305-1中的10/350 us标准波形，通过设置不用的叶片姿态和雷击注入点模拟真实环境中叶片遭受雷击的状态。仿真模型示意图如图3所示。

图3 仿真模型示意图Fig.3 Schematic diagram of simulation model

3 仿真结果分析

依据上述仿真流程图对包含防雷系统的全尺寸叶片模型进行仿真建模并分析，主要包括雷击附着点仿真和雷电流通流能力仿真。

3.1 雷击附着点仿真

当θ=30°碳纤维叶片无防护时，迎风面整体电场分布如图4(a)所示。θ=30°碳纤维叶片有防护时，迎风面整体电场分布如图4(b)所示。

图4 θ=30°时迎风面电场分布Fig.4 Distribution of electric field on windward side when θ=30°

由图4(a)可知，在叶片上电场强度高的区域有靠近叶尖的碳纤维主梁边缘。在雷电环境下高强度的电场容易击穿空气产生雷电先导，因此电场高的区域被判定为雷电的附着区域。θ=30°时雷电的附着区域为靠近叶尖的碳纤维主梁边缘。

由图4(b)可知，在叶片上电场强度高的区域有：叶尖接闪器、靠近叶尖的铜网边缘以及主梁上的铜网搭接结构。因此θ=30°时雷电的附着区域为叶尖接闪器、铜网边缘以及与主梁铜网搭接的叶中接闪器。

依照上述方法，根据IEC 61400-24标准，分别仿真30°、60°和90°叶片有防护和无防护时电场分布，仿真结果如下表1所示。

综合分析，无防护时靠近叶尖的碳纤维主梁边缘可能会成为雷击的附着区域，有防护时叶尖接闪器、靠近叶尖的铜网边缘以及主梁上的铜网搭接结构可能会成为雷击的附着区域。叶片防雷系统可以有效降低碳纤维主梁遭受雷击的概率。

表1 不同叶片角度的雷击附着区域Table 1 Attachment area of lightning stroke with different blade angles

3.2 通流能力仿真

图5给出了雷电流注入金属网与引下线结构时叶片防雷系统整体的电流分布。

图5 雷击点为接闪器连接结构时的雷电流分布Fig.5 Lightning current distribution when the lightning point is the connecting structure of the lightning arrester

图6 叶根铜网及引下线雷击时雷电流分布及温度分布Fig.6 Lightning current distribution and temperature distribution during lightning stroke of copper net and down lead of blade root

由图5可知，铜网折叠处电流分布不均匀。雷电流从接闪器连接结构处注入，一部分电流通过金属铜网向叶根传导，一部分电流通过金属网与引下线连接结构传导至引下线系统进而流出，还有一部分通过叶尖接闪器回流至引下线。铜网产生了轻微熔蚀损伤，损伤区域呈扇形。叶尖接闪器、铜网其余部分、碳纤维主梁、搭接结构及引下线系统的温度不高于70 ℃，不会产生损伤。

图6验证了叶根连接结构的通流能力。由图6可知，在铜板与引下线连接处电流密度最大，雷电流通过搭接结构传导至引下线。电流密度较大的地方可能导致温度升高，最高温度不大于25 ℃。

综合分析，该叶片防雷系统整体通流能力良好，有效对雷电流进行分流，没有电流聚集和局部热损伤，满足雷电防护要求。

4 结论

本文针对碳纤维叶片的防雷技术问题，提出了一种金属网结合接闪器的碳纤维叶片防雷系统，并通过仿真进行分析。结果表明，所设计的叶片防雷系统能有效对雷电流进行分流，没有电流聚集和局部热损伤，满足防雷保护要求，对提高风机安全可靠性, 提升风电产品的市场竞争力极为有意义。