风机叶片金属网防护下的雷击损伤特性研究

蒋凌峰，蒋正龙，谢鹏康，付志瑶，黄肖琪

(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 4101142；2. 国网湖南省电力有限公司防灾减灾中心(电网防灾减灾全国重点实验室)， 湖南 长沙 410129；3.国网湖南省电力有限公司水电分公司，湖南 长沙 410007)

0 引言

风力发电作为可再生能源发电系统重要组成部分，近年来迅速发展[1-3]。然而，风力发电机常处于高山、平原等开阔地区，随着风机装机容量和结构高度不断增加[4-6]，风机叶片遭受雷击风险与日俱增。现有风机叶片防雷装置有一定接闪失效的概率，文献[7]对美国德克萨斯地区508台风机进行了5年的雷击观测，发现有304次雷击造成风机叶片雷击损伤。据统计，国内南方某风电场13台1.5 MW风机的损坏率为9.8次/(100台·年)。风机叶片遭受雷击损坏需要进行停机检修，严重威胁风电系统的供电可靠性[8-11]。

雷电流幅值与风机叶片雷击损伤程度直接相关[12-14]。一方面，雷电电弧的热磁效应会使放电路径的材料高温开裂，造成分层损伤；另一方面，雷电电弧会引起叶片腔体气流的高速膨胀，对叶片产生严重的冲击作用，导致叶片结构损伤[15-17]，如局部开裂甚至整体爆裂。自然界中少数雷电流幅值为100 kA以上，尚不清楚现有接闪器对高幅值雷电流的防护效果。在风机叶片表面铺设金属网是一种简单有效的防雷方法，可以有效减少雷击叶身现象[18-19]。为验证风机叶片铺设防雷金属网后雷击大电流耐受特性和防护效果，有必要进行风机叶片雷击高压、大电流损伤试验，研究金属网防雷方式下风机叶片接闪特性和雷电耐受水平。

因此，本文建立1∶1真型叶片雷击高压、大电流闪络试验平台，研究金属网防护下的叶片雷击附着点和雷击直接损伤效应。通过分析叶片不同位置的雷击损伤差异，得到金属网雷击防护效果影响因素，进一步指导风机叶片防雷设计。

1 风机叶片大电流雷击试验平台

1.1 先导附着和电弧引入试验

文献[20-22]指出，90%的风机叶片雷击损伤集中在叶尖前4 m范围内，因此采用5 MW真型风机叶片前5 m区域进行雷击试验。试验平台由5 m长真型风机叶片、高压电极、冲击电压发生器、摄像机等组成，如图1所示。真型风机叶片悬挂在接地板上方，叶尖朝向接地板，引下线与高压端相连。

图1 雷击先导试验平台

1)先导附着试验。风机叶片前缘、后缘、迎风面和背风面分别与水平接地板成10°、30°、90°，进行先导附着试验，统计雷击附着位置。叶尖与接地板的距离大于1.5 m，接地板尺寸为9 m×9 m。

2)电弧引入试验。通过细铜丝两端连接高压段和叶身附着点，观测从雷击附着点注入的雷电能量对叶片造成的直接损伤效应，分为短冲击(大电流直接损伤效应)和长冲击(电荷转移的灼烧效应)试验，如图2所示。

图2 电弧引入试验平台

1.2 试验设置

实测高压端电压幅值为628.96 kV，波形为73.8/80.49 μs。在引弧试验中，将试样安装在牢固支撑的绝缘板桌面上，测试电极是直径为50 mm的球形电极，放置在样品区域上方50 mm，将直径为0.2 mm的铜线用于将电弧引入叶片上的典型位置点。为验证防雷金属网的大电流冲击防护能力和表面烧蚀耐受防护能力，分别进行3次短冲击(峰值200 kA，能量比9.45 MJ/Ω)和长冲击(峰值300 A，电荷量200 C)放电试验。记录每次放电前后施加的电流波形，并检查和记录叶片的外观，电流波形如图3所示。

图3 冲击电流波形

2 风机叶片雷击高压、大电流试验

2.1 先导附着试验

叶片在10°、30°和叶尖对地姿态下，分别对迎风面、背风面、前缘和后缘进行了正、负极性先导附着试验。典型接闪位置如图4所示。

(a)叶片后缘接闪

(b)叶尖接闪

叶片不同姿态下的先导附着试验结果见表1。

表1 风机叶片先导附着结果

先导附着试验采用引下线加压方式，当高压端为正极性时，相当于负极性雷云放电，反之亦然。试验结果表明，风机叶片采用金属网作为防雷装置时，可在叶片多姿态角度下有效保护叶片免受雷击损伤，可靠接闪。

2.2 电弧引入试验

将直径为0.2 mm的铜线连接到球形高压电极上，使叶片表面起弧，观察到叶片表面在长冲击和短冲击下的损伤，如图5所示。

(a)后缘短冲击损伤

(b)叶尖处短冲击损伤

(c)叶身处长冲击损伤

电弧引入试验测得短冲击电流幅值为198.47 kA，能量比为9.4 MJ/Ω。观察到叶片表面有许多孔状放电现象，叶尖轻微烧蚀变黑，电流注入处漆层脱落，在靠近铜网的上风侧、背风侧和前缘都会发生过电流损伤。

风机叶片长冲击耐受能力是验证金属网抗雷电流烧蚀能力的重要指标，以确保铜网在成功接闪后能够承受雷电电流波尾部的烧蚀效应。试验平均注入电荷量为208 C，发现注射点油漆层脱落，铜网烧蚀损坏，面积约为4 cm×4 cm。此外，发现经过几次短脉冲放电试验(200 kA)后，叶尖和叶身之间的压接板发生了结构撕裂，如图6所示。

图6 压接板结构损伤

经分析，认为经接闪器和金属网接闪的雷电流都集中在压接板处流入引下线接地。当引下线泄流通道容量不足时，雷电流会产生巨大的电应力，导致压接板脱落和叶片本体发生结构撕裂。因此，应优化接闪器和引下线之间的电气连接，增加引下线通流能力。

3 试验结果分析

3.1 金属网结构对先导附着试验的影响

将高压端连接到引下线进行叶片先导附着试验，检查叶片表面的绝缘隐患。由表1可知，金属网保护方式下叶片雷击接闪的典型方式是雷击叶片本体或前缘。对前文试验结果的分析，发现叶片前缘和后缘是叶片接闪集中区域，这可能与金属网施工结构缺陷有关。风机叶片基材为玻璃纤维增强树脂，由迎风面和背风面两个独立叶片黏合而成。金属网铺贴施工时会在前缘和后缘处发生堆叠，当下行先导持续靠近叶片时，前缘和后缘堆叠的突出几何结构会畸化电场，更易产生上行先导。

3.2 金属网泄流路径对雷击损坏效应的影响

金属网接地通流能力是衡量防雷设置可靠性的重要指标。叶尖与叶身处固定作用的压接板在短冲击下发生结构性损伤，这是因为金属网接闪的雷电流首先汇聚在压接板上，通过压接板连接到引下线将雷电电流释放到地面。此种连接方法使压接板处的电流密度过大，由此产生的电应力易导致压接板脱落，造成叶片表面撕裂损坏。因此建议优化金属网泄流通道设计，将金属网多点连接引下线，增加泄流通道，降低流经压接板的电流密度，等效电路如图7所示。其中Ik为雷电流幅值；Rc、R、Rg分别为金属网、压接板以及引下线的电阻；Rl1、Rl2和Rln分别为金属网与引下线之间新增n个连接点后雷击点至该连接点的电阻。

(a)压接板原泄流通道

(b)优化后压接板泄流通道

4 结论

1)搭建风机叶片雷击高压、大电流试验平台，进行风机叶片先导附着和电弧引入试验，发现金属网防雷方式下风机叶片后缘和前缘是接闪集中区域，这可能是金属网铺设工艺造成的几何结构堆叠导致。

2)风机叶片金属网防雷装置在先导附着试验中能够可靠接闪，但在长冲击电弧引入试验中发生金属网烧蚀，需要对防雷金属网厚度及网孔大小进一步研究。

3)金属网接地通流能力是影响风机叶片雷击损伤效应的重要指标。针对高幅值雷击，需要优化金属网与引下线的连接方式，减少压接板处的电流集中效应，提升叶片雷击损伤耐受能力。