风电机组叶片雷电防护金属网防雷研究

文 | 周家东，熊秀，付磊，范晓宇

风电机组叶片雷电防护金属网防雷研究

文 | 周家东，熊秀，付磊，范晓宇

随着风电机组的单机容量不断增大，轮毂高度和叶轮直径的不断增加，以及高原、沿海、海上等新型机组的开发，大型机组越来越容易遭受雷击。而风电机组的叶片又始终处于机组的最高位置，是最容易受雷击的部件，会对机组叶片造成不可逆的机械损伤，在整个机组的雷击损坏维修成本中，它的维修费用最高。所以在叶片设计初期就做好防雷措施，将大大降低后期的维护成本。

目前，叶片防雷的主要方法有三种：接闪器与引下线、分段式导流条和雷电防护金属网。接闪器与引下线是目前使用最广泛的雷电防护方法，但是随着叶片长度的增加，实际的雷电并不总是打到叶尖，有时也会对叶身造成很大的破坏。分段式导流条是叶片雷电防护中一种新兴的方法，通过分段式导流条和接闪器与引下线系统的配合使用可以扩大接闪器的接闪面积，对叶片起到很好的防护效果。而雷电防护金属网是一种既可以充当接闪器起到接闪的作用，又能充当引下线起到很好的传导雷电的作用的防雷方法。但是国内外对雷电防护金属网的雷电防护研究的比较少，本文基于上述的背景，采用本公司自主设计研发的两种用于机组叶片上的雷电防护金属网，进行了机组叶片雷电防护金属网的防雷研究，对机组叶片雷电防护具有重要的意义。

雷电防护金属网介绍

雷电防护金属网作为一种重要的雷电防护方法，在飞机上已经取得非常成功的应用，近年来延性金属铜网和铝网也开始成为叶片雷电防护中必不可少的材料。

一、金属网的介绍

目前国内外常见的雷电防护金属网包括金属编织网、延性金属冲孔网以及延性金属斜拉网三种。金属编织网是由金属丝在经纬两个方向编织而成。编织丝网的缺点是在复合曲率的表面难以覆盖，影响气动性能；而且编织丝网金属丝之间搭接电阻比较大，雷电防护效果远不如延性金属网；编制金属丝网由于雷电流产生的强大电磁力也容易断裂和瓦解。

延性金属冲孔网是金属板经钢板冲剪机冲剪加工处理后，形成固定网眼状况的张料物体。而延性金属斜拉网是由拉伸网冲剪机经过冲剪和拉伸，使金属板扩张成定好的尺寸。因此延性金属斜拉网和冲孔网相比，生产中不会产生废料，成本低；而且网眼连接十分牢固，不会有断梗和断丝的现象；更重要的是延性金属斜拉网梗丝均匀，不会出现电流传导截面突变，影响导电性能。

二、金属网雷电防护机理

（一）金属网导流基本机理

金属网格的雷电防护，其实质就是利用金属自身良好

的导电性，将雷电流快速从非金属传导至金属上，从而防止对非金属造成破坏。金属网防雷电的简易模型可用图3所示。

假设有一金属网格，结构如图3所示，金属网的格网为正方形，边长为t，构成格网的金属丝横截面为长方形，尺寸为d×h，金属网的宽度为w，此种金属单位横截面积能承受雷电流为I，当遭遇雷击时，每根金属丝承受电流的概率完全相同，金属网能承受最大雷电流为Imax。

其中：n为金属丝根数，并且d总是远小于t。

所以影响金属网导流能力的因素有材料本身（影响I值），金属网梗宽d，金属网厚度h，金属网的宽度w，以及金属网的网孔密度（影响t值）。

（二）弧根分散机理

当雷电流进入到被防护部件表面的金属网，就会随着金属网分成许多的电流细丝，会在金属网上产生多个附着点，则每根单独的电流细丝耗散的能量减小到原来的1/n2，其中n是电流细丝的数量。

因此，总的耗散能量和发生的损伤与所有的电流输入到表面的单个点时的耗散能量相比就会减少很多。

延性金属网试验验证

一、试验件与试验方法

本次雷电试验中所用的金属网有0.2mm厚、150mm宽的延性金属斜拉铜网和0.15mm厚、190mm宽的延性金属斜拉铝网。为了更真实的模拟风电机组叶片结构，在本试验件的制备过程中，采用了和叶片制造相同的原材料以及真空袋压成型工艺，成型工艺如图4所示。将金属网铺在玻璃纤维上，用树脂将玻璃纤维和金属网同时固化。金属铜网试验件的尺寸是15cm×60cm，金属铝网试验件尺寸是19cm×60cm。

本试验中参考了SAE ARP5416飞机雷电测试方法和风电机组叶片- 24部分：雷电防护中关于大电流物理损坏试验的试验方法。对雷电防护金属网进行电弧引入试验和传导电流试验。大电流传导和电弧引入试验所用电流波形是A波，波形采用震荡波，波形图如图5所示。

二、试验过程

试验过程主要包括试验件的布局方式以及电流试验所施加的试验参数。

（一）试验件布局

金属铜网传导电流试验的试验布置如图6（a）所示，用砂纸将试验件两端表面的树脂打磨掉，保证金属网暴露出来，用万用表测量试验件两端，保证电路处于接通状态。试验件上下两面分别用铝板和木板夹紧，用螺母进行紧固。将电极输入端和地线分别接在试验件两端的铝板上，用螺

母紧固，以减小接触电阻，并在试验件输入端和接地端粘上铜胶带。

金属铜网电弧引入试验，放电电极距离放电位置大于50mm，在电极与试验件放电位置之间放置一根直径0.1mm的细铜丝作为诱发放电引线。试验件接地端上下两面分别用铝板和木板夹紧，用螺母进行紧固。将地线接在试验件接地端的铝板上，用螺母紧固，然后贴上铜胶带。

金属铝网试验件只进行电流引弧试验，因为在金属铜网试验件试验的过程中发现，单独的传导试验对试验件的损害非常小，而且在进行电流引弧试验的同时也可以同时验证其电流传导能力，所以没必要再单独做传导电流试验。金属铝网试验件的试验布置如图6（b）所示，试验件接地端树脂用砂纸打磨后，上下面用厚铜板压紧，用螺母进行紧固，然后将地线接在厚铜板上。

（二）试验过程及试验参数

金属铜网电流传导试验中所用的试验电流为10 kA －70kA，具体的试验参数如表1所示，每次试验开始和结束前分别用相机对该试验件进行拍照，记录被试件状态，观察试验件的破坏情况。

表1 金属铜网试验件传导电流试验数据

表2 金属铜网试验件雷电流电弧引入试验数据

表3 金属铝网试验件雷电流电弧引入试验数据

金属铜网电弧引入试验中所用的试验电流为20kA－

200kA，具体试验参数如表2所示。每次试验开始和结束前分别对该试验件拍照，记录被试件状态，观察试验件的破坏情况。

金属铝网电弧引入试验中所用试验电流为20kA－100kA，具体试验参数如表3所示。每次试验开始和结束前分别对该试验件拍照，记录被试件状态，观察试验件的破坏情况。

三、试验结果及讨论

金属铜网试验件进行了10kA－70kA的传导电流试验，通过对图7（a）、7（b）照片对比，我们发现经过10kA－70kA的传导电流试验后，试验件没有发生任何损伤。试验结果说明15cm宽的此金属铜网至少能作为引下线传到70kA的雷电流而不发生任何损伤。

金属铜网试验件还进行了20kA－200kA电弧引入试验，试验结果如图8所示。通过对图8（a）的观察，我们发现经过51kA的电弧引入试验后，试验件表面的金属铜网基本没有发生任何损坏，只是由于引弧铜丝的熔化，导致引弧区域变黑。

图8（b）中，经过101kA电弧引入试验后，试验件表面出现了局部点蚀，但没有出现区域性的破坏，金属网基本保持完整。在图8（c）中，158kA的电弧引入试验后试验件出现了更多的点蚀，并且试验件接地端的薄铝板发生了严重变形，金属铜带被打脱落，这是由于雷电实验过程中雷电流在此处出现涡流而产生的强大电磁力导致。在图8（d）中，经过187kA的电弧引入试验后，试验件出现了如图中红色箭头所示的一条线熔断现象，说明试验件在187kA的冲击电流作用下，已经出现区域性熔化，但金属网下边被保护的玻璃纤维未出现炸裂现象。试验件经受201kA的雷电流后，试验件出现了多条整线熔断的现象，金属网被大范围的损坏，能量未完全释放，所以作用积分比较小，但玻璃纤维板未发生破坏。

综上所述，该金属网可以承受158kA的雷电流金属网本身不被破坏，承受201kA雷电流保护试验件不被破坏。

金属铝网试验件进行了10kA－100kA电弧引入试验，试验结果如图9所示。通过对图9（a）的观察，我们发现经过29kA的电弧引入实验后，试验件表面的金属铝网没有发生任何损坏，只是引弧区域变黑。经过51kA的雷电流后，试验件表面金属网开始出现点蚀现象，如图9（b）所示。

而在图9（c），经过72kA的电弧引入试验后，试验件表面出现了局部点蚀，但没有出现区域性的破坏，金属网基本保持完整。

图9（d）中，101kA的引弧试验后试验件靠近接地端出现了如图中红色箭头所示的一条线熔断现象，并且接地铜板下的金属铝网已经出现了大块儿区域被熔化，说明此金属网不被破坏的临界电流应不大于101kA，但在该电流下，金属网下边被保护的玻璃纤维未出现炸裂现象。综上所述，该金属铝网可以承受101kA雷电流保护玻璃纤维板免遭破坏。

通过对金属铜网和金属铝网的大电流物理破坏试验，我们发现金属铜网的雷电防护效果更好，因此在风电机组叶片上最好是选择金属铜网进行雷电防护。金属网进行雷电防护中，金属网的破坏区域可能并不一定是在电流的引弧区域，在接地端和近接地端，金属网也会产生较大的破坏。因为电流会在此处汇集，不仅电流强度比较大，而且雷电流在此处传导时由于接地会出现电流从一个平面向另一个平面的传递而产生涡流，形成非常大的电磁力而导致金属网的破坏。

结论

金属铜网和金属铝网进行的大电流物理破坏试验，验证了金属铜网和铝网既可以作为接闪器接闪雷电流，也能作为引下线传导雷电流，对风电机组叶片进行雷电防护能起到非常好的防护效果。

根据IEC62305和GB/T21714中不同雷电防护等级对雷电防护的要求，宽度15cm的此种金属铜网，可以承受158kA雷电流金属网本身不被破坏，承受201kA雷电流保护玻璃纤维不被破坏，所以此延性金属拉伸铜网可以对叶片提供Ⅰ级的雷电防护。宽度19cm的金属铝网试验件，可以承受70kA雷电流金属网本身不被破坏，承受100kA雷电流保护玻璃纤维不被破坏，此延性金属拉伸铝网可以对叶片提供Ⅲ级的雷电防护，但如果增大金属网的宽度，此铝网也能提供Ⅰ级的雷电防护。

通过试验我们还发现雷电流对金属网的破坏是电磁力与热效应的综合结果，在引弧区域主要是热效应的影响，在接地端则主要的电磁力的影响。

（作者单位：西安爱邦电磁技术有限公司）