风电叶片新型防雷设计的仿真和试验研究

肖 琼，何相勇，冯学斌，梁鹏程，胡杰桦，戴龙侠，姚 威，韩 敏

（1.株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007；2.西安爱邦电磁技术有限责任公司，陕西 西安710077；3.爱邦雷电与电磁环境实验室，陕西 西安710077）

0 引言

中国是风力发电发展最快的国家，特别是2017年7月国家能源局正式发布了《国家能源局关于可再生能源发展“十三五”规划实施的指导意见》，规划2017-2020年各地新增风电建设规模共计110.41 GW。随着风电装机的快速发展，风电系统安全，特别是雷电安全受到了空前的重视，国内外相关案例都表明，雷击是严重威胁风力发电场安全的主要问题之一[1]，[2]。

安装于高原、沿海、海上等空旷地形条件下的风电机组高度普遍超过100m，叶片又处于机组的最高位置，是最容易受雷击的部件[3]。由于叶片的长度长、重量大、运输和更换困难、维修成本高，雷电造成的停机和维修等成本巨大[4]。因此，在叶片设计之初就考虑叶片防雷，进行优化和针对性设计，在风力机运行阶段可大幅降低维护成本、提高运行可靠性[5]，[6]。

本文以株洲时代新材公司某型号的叶片为模型，综合考虑直击雷与雷电电磁脉冲效应的防护，根据叶片的结构特性，研究组合使用叶尖接闪器、叶身接闪器、引下线等设备和方法，并采用仿真和试验相结合的方法，实现了叶片综合雷电防护的优化设计和验证。

1 叶片新型防雷设计

针对风力机叶片的雷击情况已有很多研究，风电场雷击统计数据和有关的理论计算均表明，超过95%的雷击落点集中在叶尖5m区域[2]，[7]～[9]。因此，本文重点研究叶尖6m区域内的防雷设计。

叶片叶尖的防雷设计如图1所示。防雷系统由叶尖接闪器、叶身接闪器、引下线、连接结构和绝缘装置等构成。

图1 叶尖防雷系统的设计Fig.1 The design of lightning protection system at blade tip area

叶尖接闪器作为叶片的第一个接闪装置，在距离叶尖4.5 m处设置了第二个叶身接闪器。叶尖的内置后端采用倒角设计，可有效降低叶尖后部的尖端放电风险，同时采用环氧树脂进行包裹，既能牢固的粘接叶尖，又能起到良好的绝缘作用。叶尖接闪器如图2所示。

图2 叶尖接闪器的设计Fig.2 The design of tip receptor

叶身接闪器的位置设计如图3所示。支导线和主导线的夹角设计成30°，叶身接闪器截面内的总弦长为1m，考虑到叶片在运转过程中先导扫略，接闪器布置在距离后缘0.15 m处。

图3 叶身接闪器的位置设计Fig.3 The position design of body receptor

支导线和主导线连接采用铜管压接的方式，并在连接处采用高压热缩管进行包裹绝缘，用环氧树脂进行绝缘处理，可以防止在高电压作用下，连接处的电场发生畸变，使叶片内部引雷。

与传统防雷系统相比，新型叶片雷电防护系统具有以下特点：

①第二个接闪器的位置更靠近叶尖；

②叶尖接闪器的内置后端采用倒角设计；

③所有叶片内部的裸露金属均采取强绝缘保护；

④支导线和主导线的夹角控制；

⑤叶身接闪器在后缘方向合理布置。

2 叶片在雷电作用下的损伤机理与仿真

复合材料叶片遭受雷击破坏的过程是包含了电、磁、力、热多效应的复杂过程。仿真主要针对雷击的电-热及其耦合效应，对损伤机理进行数值模拟分析，以获得雷击电流的脉冲波形对损伤的影响[10]。

2.1 仿真模型的建立

根据叶片防雷系统设计，材料和结构划分为以下4部分。

①叶片：为玻璃纤维环氧树脂基复合层合板，由4层单层结构组成，厚度为2.6 ×10-3m，单层结构是构成复合材料板的基本单元，宏观特性表现为准正交各向异性。

②叶尖接闪器：叶片尖端为铝质叶尖接闪器，叶尖接闪器和叶片基体间为一层环氧胶粘接，边框为封闭的铝合金条。叶尖接闪器装在叶片叶尖端部，上部的第一节外形和叶片的翼型完全一致，既能充当正常翼型发电，又能作为接闪器引雷，具有接闪面积大，横截面积大，雷击损伤小的特点。

③叶身接闪器：离叶尖4.5 m位置为铜材质的接闪器，与叶尖之间使用同种材料制作的连接线。为简化模型，接闪器和连接线在仿真中视为各同向性材料。叶身接闪器装在叶片的非叶尖区域，其上部圆形薄板具有接闪作用，贴合叶片外表面安装，既不影响叶片气动性能，又能保护叶片玻璃钢区域不受雷击损伤。

④绝缘填料：连接线使用交联聚乙烯的绝缘材料包裹，嵌入到叶片中。绝缘材料和叶片基体中为一层环氧胶。为简化模型，绝缘材料在仿真中视为各同向性材料。

接闪器的特性决定了整个叶片在遭受雷电流作用后的损伤状况，因此，本文在仿真中采用的模型为单层层合板和接闪器的粘接结构。采用的数值仿真计算软件为CST EM Studio和COMSOL，均基于有限元方法。本文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，精确地建立复杂的几何结构模型，并通过区域取样点的疏密程度适应不同材料和电/磁场分布差异，实现计算精度和计算量的最优组合，网格划分如图4，5所示。

图4 接闪器网格剖分Fig.4 Mesh of receptors

图5 主导线和支导线的网格划分Fig.5 Mesh ofmain conductor and branch conductor

2.2 接闪器在雷电作用下的响应

当叶尖接闪器置于雷电环境中，计算其表面的电场分布。电场较大的部位更易产生雷电先导，雷电先导的部位容易成为雷电的击入点。图6为叶尖接闪器表面电场分布图。由图6可知，叶尖接闪器的多个尖端上电场值超过电场最大值的95%，这些尖端点都有可能成为雷击的击入点。

图6 叶尖接闪器表面电场分布图Fig.6 Electric field distribution of tip receptor surface

根据仿真结果和实际情况设置雷电流入点和流出点的位置，进而通过多物理场计算出铝叶尖遭受雷击后表面的温度分布情况，进一步分析接闪器的雷电损伤效应。

由于铝的电导率较高，且雷电流为脉冲信号，产生了明显的趋肤效应。因此雷电流在铝叶尖上的分布不均匀，主要沿导体外表的薄层传播，越靠近导体表面，电流密度越大，内部电流较小。在电流密度较大的地方可能导致温度升高。图7为铝叶尖表面电流和温度在某时刻的分布情况，图中深色部分的温度为大于或等于复合材料发生损伤的稳定值100℃。更多的仿真表明，随着时间增加，雷电注入点和流出点附近温度逐渐升高，高于100℃的范围也逐渐增大。对于玻璃钢材料，当温度高于100℃时，性能会明显降低，因此，当叶身与图中深色部分紧密接触时便可能产生损伤。

图7 叶尖接闪器某时刻的电流和温度Fig.7 Current and temperature ata certain time of tip receptor

叶身接闪器仿真如图8所示，其遭雷击过程 与叶尖相同，结论也类似。

图8 叶身接闪器某时刻表面电流和温度Fig.8 Currentand temperature ata certain time of body receptor

2.3 数值仿真结论

从仿真结果可以得出结论：接闪器雷电击入点较多，尤其是包裹在叶片内部的两个尖端也会成为雷电的击入点，此时将叶尖接闪器包裹在内部的尖端作圆角处理，降低内部尖端的接闪概率；当叶尖/叶身接闪器整体通流能力足够，接闪器主结构不会有致命损伤；当雷电附着至接闪器边缘时，可能会造成一定局部损伤，进而成为叶片电化学腐蚀的诱因，降低接闪器和叶片的使用年限。

3 试验验证

为验证设计和仿真的有效性，委托爱邦电磁雷电与电磁效应试验室对叶片防雷系统进行了验证试验。按照IEC61400-24 Wind turbines-Part 24：Lightning protection包含的所有试验项目，针对叶片进行雷电防护试验，验证风电叶片防雷系统性能。验证试验包括初始先导附着试验、扫掠试验和电流冲击试验。

3.1 验证试验设置

风电叶片雷电试验基本设备如图9所示。图9（a）为冲击电压设备，用于风电叶片初始先导附着试验和扫掠试验，图9（b）为冲击电流设备，用于电弧注入试验和电流传导试验。

图9 试验设备Fig.9 Testequipment

试验件为风电叶片叶尖段，试验件包含以下3个部分：6m试验件、3m叶尖（从6m试验件进行截取）和3m叶身部分（从6m试验件进行截取）（图10）。制作的试验件中接闪器和2.1 节仿真模型是基本一致的（参照2.3 节中的仿真结论，对试验的叶尖接闪器进行了改善，即叶尖接闪器包裹在内部的尖端作圆角处理），数值模拟和物理试验的条件也是基本一致的。

图10 试验样品Fig.10 Test sample

3.2 试验过程和结果

（1）叶片初始先导附着试验

试验装置如图11所示。

根据标准要求，初始先导附着试验波形要求上升沿截断，且截断时间大于50μs。将叶片吊起，使其和接地平面角度为30°，试验结果如图12所示。

图12 相对于接地平面30°两极性试验过程Fig.12 Two kinds of polarity of test in 30°leading edge to ground

初始先导附着试验表明，所有放电附着点均落在叶片接闪系统上，且高压放电未造成叶片结构的绝缘击穿。

图11初始先导附着试验Fig.11 Initial pilotattachment test

（2）扫掠通道附着试验

为了验证叶身接闪器在风电叶片旋转过程中暴露于初始先导雷击沿表面短距离扫掠情况，设置了扫掠通道附着试验（图13）。

图13 扫掠通道附着试验Fig.13 Sweep channel attachment test

试验时：使用绝缘支柱将叶片撑起，距离地面高度1m，将接闪器及雷电防护系统引下线接地；将冲击电压发生器的输出端接放电电极；放电电极为直径50mm的球形电极；放电电极位于试验件放电位置竖直上方50mm处。试验结果如图14所示。

图14 扫掠通道附着试验结果Fig.14 Resultof sweep channel attachment test

扫掠通道附着试验表明，所有电弧均通过叶片外表面闪络到接闪器上，电弧放电未造成叶片结构的绝缘击穿。

（3）电流冲击试验

为了确定因雷电附着于叶片及雷电能量从接闪器注入造成的直接效应损伤，设计了电流冲击试验。试验包括电弧注入和电流传导。电弧注入主要考虑注入电弧对叶片表面及下方导电性结构（用作引下线等）以及对于支撑表面的结构性元件的影响。电流传导主要考虑冲击电流对叶片防雷防护系统各连接部分的影响。试验装置如图15所示，电弧注入和电流传导放在一个试验装置中实现。

图15 电弧注入试验和电流传导试验Fig.15 Arc injection test and current conduction test

如图16所示，试验时，使用绝缘支柱将叶片撑起，距离地面高度1m，将冲击电流发生器的输出端连接至放电电极，将放电电极调整至放电位置竖直上方50mm处，在放电电极和放电位置之间放置一根直径为0.1 mm的铜丝作为放电引线。

图16 电弧注入试验和电流传导试验结果Fig.16 Result of arc injection test and current conduction test

电弧注入试验表明，电流放电未造成叶片雷电防护系统和叶片结构的破坏，连接处螺钉没有松动，试验后接闪器可拆卸。电流传导试验表明，电流传导未造成叶片雷电防护系统和连接处结构的破坏。

4 结论

风力发电机组中的叶片最容易遭受雷击损坏，本文设计了一套新型风力机叶片雷电防护系统，分析了叶片遭受雷击损坏的机理，并通过仿真和雷电试验，验证了该系统可以有效拦截直击雷，对雷电扫掠等过程造成的雷电损伤实现了有效的防护。