風機葉片金屬網防護下的雷擊損傷特性研究

蔣凌峰，蔣正龍，謝鵬康，付志瑤，黃肖琪

(1.長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 4101142；2. 國網湖南省電力有限公司防災減災中心(電網防災減災全國重點實驗室)， 湖南 長沙 410129；3.國網湖南省電力有限公司水電分公司，湖南 長沙 410007)

0 引言

風力發電作為可再生能源發電系統重要組成部分，近年來迅速發展[1-3]。然而，風力發電機常處于高山、平原等開闊地區，隨著風機裝機容量和結構高度不斷增加[4-6]，風機葉片遭受雷擊風險與日俱增?，F有風機葉片防雷裝置有一定接閃失效的概率，文獻[7]對美國德克薩斯地區508臺風機進行了5年的雷擊觀測，發現有304次雷擊造成風機葉片雷擊損傷。據統計，國內南方某風電場13臺1.5 MW風機的損壞率為9.8次/(100臺·年)。風機葉片遭受雷擊損壞需要進行停機檢修，嚴重威脅風電系統的供電可靠性[8-11]。

雷電流幅值與風機葉片雷擊損傷程度直接相關[12-14]。一方面，雷電電弧的熱磁效應會使放電路徑的材料高溫開裂，造成分層損傷；另一方面，雷電電弧會引起葉片腔體氣流的高速膨脹，對葉片產生嚴重的沖擊作用，導致葉片結構損傷[15-17]，如局部開裂甚至整體爆裂。自然界中少數雷電流幅值為100 kA以上，尚不清楚現有接閃器對高幅值雷電流的防護效果。在風機葉片表面鋪設金屬網是一種簡單有效的防雷方法，可以有效減少雷擊葉身現象[18-19]。為驗證風機葉片鋪設防雷金屬網后雷擊大電流耐受特性和防護效果，有必要進行風機葉片雷擊高壓、大電流損傷試驗，研究金屬網防雷方式下風機葉片接閃特性和雷電耐受水平。

因此，本文建立1∶1真型葉片雷擊高壓、大電流閃絡試驗平臺，研究金屬網防護下的葉片雷擊附著點和雷擊直接損傷效應。通過分析葉片不同位置的雷擊損傷差異，得到金屬網雷擊防護效果影響因素，進一步指導風機葉片防雷設計。

1 風機葉片大電流雷擊試驗平臺

1.1 先導附著和電弧引入試驗

文獻[20-22]指出，90%的風機葉片雷擊損傷集中在葉尖前4 m范圍內，因此采用5 MW真型風機葉片前5 m區域進行雷擊試驗。試驗平臺由5 m長真型風機葉片、高壓電極、沖擊電壓發生器、攝像機等組成，如圖1所示。真型風機葉片懸掛在接地板上方，葉尖朝向接地板，引下線與高壓端相連。

圖1 雷擊先導試驗平臺

1)先導附著試驗。風機葉片前緣、后緣、迎風面和背風面分別與水平接地板成10°、30°、90°，進行先導附著試驗，統計雷擊附著位置。葉尖與接地板的距離大于1.5 m，接地板尺寸為9 m×9 m。

2)電弧引入試驗。通過細銅絲兩端連接高壓段和葉身附著點，觀測從雷擊附著點注入的雷電能量對葉片造成的直接損傷效應，分為短沖擊(大電流直接損傷效應)和長沖擊(電荷轉移的灼燒效應)試驗，如圖2所示。

圖2 電弧引入試驗平臺

1.2 試驗設置

實測高壓端電壓幅值為628.96 kV，波形為73.8/80.49 μs。在引弧試驗中，將試樣安裝在牢固支撐的絕緣板桌面上，測試電極是直徑為50 mm的球形電極，放置在樣品區域上方50 mm，將直徑為0.2 mm的銅線用于將電弧引入葉片上的典型位置點。為驗證防雷金屬網的大電流沖擊防護能力和表面燒蝕耐受防護能力，分別進行3次短沖擊(峰值200 kA，能量比9.45 MJ/Ω)和長沖擊(峰值300 A，電荷量200 C)放電試驗。記錄每次放電前后施加的電流波形，并檢查和記錄葉片的外觀，電流波形如圖3所示。

圖3 沖擊電流波形

2 風機葉片雷擊高壓、大電流試驗

2.1 先導附著試驗

葉片在10°、30°和葉尖對地姿態下，分別對迎風面、背風面、前緣和后緣進行了正、負極性先導附著試驗。典型接閃位置如圖4所示。

(a)葉片后緣接閃

(b)葉尖接閃

葉片不同姿態下的先導附著試驗結果見表1。

表1 風機葉片先導附著結果

先導附著試驗采用引下線加壓方式，當高壓端為正極性時，相當于負極性雷云放電，反之亦然。試驗結果表明，風機葉片采用金屬網作為防雷裝置時，可在葉片多姿態角度下有效保護葉片免受雷擊損傷，可靠接閃。

2.2 電弧引入試驗

將直徑為0.2 mm的銅線連接到球形高壓電極上，使葉片表面起弧，觀察到葉片表面在長沖擊和短沖擊下的損傷，如圖5所示。

(a)后緣短沖擊損傷

(b)葉尖處短沖擊損傷

(c)葉身處長沖擊損傷

電弧引入試驗測得短沖擊電流幅值為198.47 kA，能量比為9.4 MJ/Ω。觀察到葉片表面有許多孔狀放電現象，葉尖輕微燒蝕變黑，電流注入處漆層脫落，在靠近銅網的上風側、背風側和前緣都會發生過電流損傷。

風機葉片長沖擊耐受能力是驗證金屬網抗雷電流燒蝕能力的重要指標，以確保銅網在成功接閃后能夠承受雷電電流波尾部的燒蝕效應。試驗平均注入電荷量為208 C，發現注射點油漆層脫落，銅網燒蝕損壞，面積約為4 cm×4 cm。此外，發現經過幾次短脈沖放電試驗(200 kA)后，葉尖和葉身之間的壓接板發生了結構撕裂，如圖6所示。

圖6 壓接板結構損傷

經分析，認為經接閃器和金屬網接閃的雷電流都集中在壓接板處流入引下線接地。當引下線泄流通道容量不足時，雷電流會產生巨大的電應力，導致壓接板脫落和葉片本體發生結構撕裂。因此，應優化接閃器和引下線之間的電氣連接，增加引下線通流能力。

3 試驗結果分析

3.1 金屬網結構對先導附著試驗的影響

將高壓端連接到引下線進行葉片先導附著試驗，檢查葉片表面的絕緣隱患。由表1可知，金屬網保護方式下葉片雷擊接閃的典型方式是雷擊葉片本體或前緣。對前文試驗結果的分析，發現葉片前緣和后緣是葉片接閃集中區域，這可能與金屬網施工結構缺陷有關。風機葉片基材為玻璃纖維增強樹脂，由迎風面和背風面兩個獨立葉片黏合而成。金屬網鋪貼施工時會在前緣和后緣處發生堆疊，當下行先導持續靠近葉片時，前緣和后緣堆疊的突出幾何結構會畸化電場，更易產生上行先導。

3.2 金屬網泄流路徑對雷擊損壞效應的影響

金屬網接地通流能力是衡量防雷設置可靠性的重要指標。葉尖與葉身處固定作用的壓接板在短沖擊下發生結構性損傷，這是因為金屬網接閃的雷電流首先匯聚在壓接板上，通過壓接板連接到引下線將雷電電流釋放到地面。此種連接方法使壓接板處的電流密度過大，由此產生的電應力易導致壓接板脫落，造成葉片表面撕裂損壞。因此建議優化金屬網泄流通道設計，將金屬網多點連接引下線，增加泄流通道，降低流經壓接板的電流密度，等效電路如圖7所示。其中Ik為雷電流幅值；Rc、R、Rg分別為金屬網、壓接板以及引下線的電阻；Rl1、Rl2和Rln分別為金屬網與引下線之間新增n個連接點后雷擊點至該連接點的電阻。

(a)壓接板原泄流通道

(b)優化后壓接板泄流通道

4 結論

1)搭建風機葉片雷擊高壓、大電流試驗平臺，進行風機葉片先導附著和電弧引入試驗，發現金屬網防雷方式下風機葉片后緣和前緣是接閃集中區域，這可能是金屬網鋪設工藝造成的幾何結構堆疊導致。

2)風機葉片金屬網防雷裝置在先導附著試驗中能夠可靠接閃，但在長沖擊電弧引入試驗中發生金屬網燒蝕，需要對防雷金屬網厚度及網孔大小進一步研究。

3)金屬網接地通流能力是影響風機葉片雷擊損傷效應的重要指標。針對高幅值雷擊，需要優化金屬網與引下線的連接方式，減少壓接板處的電流集中效應，提升葉片雷擊損傷耐受能力。