风电机组叶片防雷相似性对比研究

文 | 曾明伍，付斌，刘孟，杜鸣心，姚威

由于所处位置较高以及结构的特殊性（尖锐的后缘和叶尖），叶片容易形成雷电上行先导，存在严重的雷击威胁。为降低叶片雷击损失，风电行业实施叶片防雷认证，确保叶片防雷系统的有效性和可靠性。目前，叶片防雷认证主要通过需要制作叶片样件的雷电试验进行，不仅周期长、费用高，而且存在同一设计理念需要重复验证的弊端，不利于新型号叶片的开发和项目投标。IEC61400-24：2019标准中提及了叶片相似性对比的防雷系统考核评估方法，主要从长度、尖部区域特征尺寸、材料体系、防雷设计依据、接闪器布局等方面进行对比和差异性验证，可以缩短防雷系统验证周期。

针对同一公司设计的两款叶片，如果以上相似性条件完全满足，一款叶片通过防雷认证后，可以利用相似性对另一款叶片进行防雷认证；但如果个别技术条件不满足，应对差异进行详细评估，确保被比较叶片的防雷功能满足要求或更优。大多数情况下，即使捕风能力相差不大的两款叶片，以上各方面的技术条件也很难完全满足。因此，相似性防雷认证的关键是对差异性进行评估。

从防雷设计角度来看，叶片防雷系统的评估主要考虑整个系统的有效性和可靠性，目前行业内的验证内容包括可能雷击点和闪络路径、热效应、冲击效应、电磁力几个方面。由于参与防雷相似性对比的两款叶片，具有相同的防雷设计理念以及相同的热效应、冲击效应以及电磁力应对措施，因此差异性评估的主要内容为可能雷击点和闪络路径。目前，行业内除了雷电试验的评估方法之外，计算机仿真技术也有较多应用，采用雷电感应模型可以模拟雷电初始先导阶段叶片表面的电场分布，根据电势差异确定可能的雷电初始附着区域和闪络路径。综合以上分析，两款叶片防雷系统的相似性认证应先按照IEC61400-24：2019标准的技术要求进行相似性对比，然后分析超过偏差的内容，必要时通过雷电试验或仿真进行进一步评估，认证思路如图1所示。本文根据IEC相关标准，结合雷电仿真分析和试验，研究了通过相似性对比验证叶片防雷系统方法的可行性。

叶片相似性对比

一、相似性汇总

图1 相似性防雷认证思路

表1 叶片相似性对比结果

本文研究的对象为东方电气的两款叶片，其中A叶片长度56m，叶片表面积约270m2，额定功率2MW，于2017年完成IEC61400-24：2010防雷认证；B叶片为新设计叶片，长度61m，叶片表面积和额定功率与A叶片相同。以A叶片为参考，对新设计的B叶片进行长度、尖部区域特征尺寸、材料体系、防雷设计依据、接闪器布局等方面的差异进行对比，结果见表1。

二、差异性分析

两款叶片在尖部区域的翼型厚度、宽度、接闪器数量方面存在较大差异。从叶片防雷角度来看，翼型的厚度主要影响叶片接闪系统的雷电接闪。一般情况下，较厚的叶片翼型具有更大的内腔间隙，能够提升雷击从壳体至内部引下线的击穿电压，使得接闪系统更易接闪雷电。从以上分析来看，B叶片翼型厚度小，相比A叶片，防雷系统接闪性能可能下降。

叶片的宽度主要影响接闪系统的布局。一般来说，叶片的后缘是容易遭受雷击的区域，接闪器应尽可能布置在此区域，提升接闪效率。但随着叶片宽度的增加，接闪系统为兼顾叶片前缘的防护，通常布置在距前、后缘适中的位置。B叶片比A叶片更窄，叶片接闪器布置更靠近后缘，接闪器效率更高。

叶片接闪器的数量主要依据叶片长度和适用环境而定，根据国内的叶片防雷研究，目前比较可行的方法是通过仿真计算进行布局设计，原则上叶片越长，接闪器数量应该越多。B叶片比A叶片具有更大的长度，增加2组接闪器，叶片雷电接闪能力更佳，防雷系统将更有效。

综合以上分析，与A叶片相比，虽然B叶片具有对防雷系统不利的翼型厚度，但接闪器布置更靠后缘，且数量更多，防雷系统效果的差异无法直接评估，因此，下文将进行雷电仿真计算分析。

差异性的仿真评估

一、仿真原理

仿真计算采用多台HP Z840专业数值工作站。仿真工具主要应用COMSOL Multiphysics软件，满足整机及系统级雷电电流瞬态或频域问题以及复杂电磁环境问题的求解。仿真计算用到以下物理公式：

（1）安培定律

（2）电流守恒定律

（3）固体传热方程

（4）电磁传热方程

以上各式中，为磁矢量；Je为外加电流源；为导体的速度，此处为零；V为电势；ρ为密度；CP为常压热容；为速度场；T为温度；为热通量矢量；Q为热源；Qted为热电阻尼；Qe为电磁热源；k为导热系数；J为电流密度；为电场强度。

本仿真为三维电磁数值仿真，选用稳定性较好的自由四面体为基本网格单元对仿真体进行网格设计，图2 为基本网格单元示意图。

二、建模说明

图2 四面体网格单元

图3 叶片雷击附着点仿真模型设计

如图3所示 ，叶片雷击附着点仿真需要建立叶片的雷电感应仿真模型。将叶片放置在平板电极模拟的雷电环境中，平板电极的中心位置位于叶片模型中心位置的垂直上方，叶片与接地平板存在θ夹角。IEC61400-24：2019中规定雷电测试时θ的取值为10°、30°和90°，仿真计算考虑叶片实际旋转时叶尖竖直朝上的极限情况和叶片与水平面夹角最小的雷电接闪严苛条件，主要评估θ为5°和90°的情况。仿真时，叶片放置方式有迎风面对地、背风面对地、前缘对地和后缘对地四种情况。

三、仿真结果

为考察叶片表面电场强度的差异，将场强较高区域以红色表示，图4 、图5 为极端情况下的数据处理结果。由图可以看出，B叶片叶根至叶尖第二接闪器范围内的叶片表面电场强度与A叶片叶根至叶尖第一接闪器范围内的叶片表面电场强度相同，具有相同的雷电初始附着风险。

图4 θ=5°时的叶片部分姿态电场分布

图5 θ=90°时的叶片整体电场分布

图6 叶尖前12.5m处的电势分布

为了更深一步评估两款叶片防雷系统的差异，选取12.5m的尖部（A叶片叶身第一接闪器位置至叶尖的长度）进行电场强度对比，处理结果见图6 。由图可知，对于两款叶片尖部12.5m区域，B叶片表面局部电势比A叶片更低。根据实际仿真计算数据，θ=90°时B叶片表面电势比A叶片低40%。因此，B叶片表面遭受雷击的风险更低，接闪器布局更优。

由以上整体分析结果可知，叶片表面高电场区域主要在铝叶尖和叶身接闪器附近。本研究接着对铝叶尖和叶身接闪器及邻近小范围区域电场分布规律进行对比，两款叶片叶身接闪器相同，铝叶尖尺寸存在较大差异（B叶片为A叶片高度的1.9倍，宽度的0.7倍），仿真处理结果见图7 。由图可知，两款叶片电场分布规律类似—接闪器和铝叶尖边缘均为叶片表面电场强度最高的区域，即接闪器易于接闪雷电，防雷系统防护效果相同。

雷电试验验证

除了雷电仿真分析之外，本研究依据IEC61400-24：2019规定的叶片雷电试验方法对B叶片进行雷击初始附着点试验，使用高清相机捕捉电弧击穿位置，表2为试验结果汇总。

图7 接闪器电场强度分布

表2 B叶片雷电试验结果

图8 30º迎风面对地负极性试验

图9 30º后缘对地负极性试验

图10 30°背风面对地负极性试验

图11 30º 前缘对地负极性试验

按照IEC61400-24：2019的试验方法，本研究的测试总计进行了54次，其中叶片在与地面夹角为10°和30°时，进行四种姿态（每种姿态正、负极性各3次）的测试；叶片在与地面夹角为90°时只进行一种姿态（正、负极性各3次）的测试。根据试验测试结果，各种角度和姿态下，B叶片防雷系统均为叶片表面提供有效的雷电保护，其接闪器成为雷电初始先导附着点，尤其是叶片尖部雷电附着占比达80%以上（测试54次，接闪42次）。图8－图11 为30°时的部分接闪瞬间，尖部接闪器和铝叶尖在迎风面对地、背风面对地、前缘对地、后缘对地四种情况下均成功接闪雷电，叶片玻璃钢壳体表面无击穿孔。

同时，这一试验结果与仿真计算结果相一致。根据IEC61400-24：2019雷电防护标准，叶片的尖部一定长度是雷击主要附着区域，因此，雷电试验一般选取长度为叶片长度15%左右的尖部。但实际雷电防护设计时应考虑使用环境，例如，安装在高原区域的风力发电机组，由于海拔高，叶片往往伸入雷云之中，根部和叶身面临云间放电的雷电威胁，此时可以采用仿真计算分析，进行全尺寸的附着点评估。

结论

叶片是风力发电机组最易遭受雷击的部件，其雷电防护系统的可靠性关系到整个机组的安全运行。随着IEC61400-24：2019标准的发布，叶片防雷系统的可靠性和有效性验证方法将更加完善。本文依据该雷电防护标准，对“防雷相似性对比―差异性分析―仿真差异性评估”这一叶片防雷系统验证方式进行了研究。研究结果表明，该方法便捷、可靠，具有一定的推广应用价值。

摄影：胡明生