大功率风力发电机组叶片的雷击分析与防雷系统

1 叶片损坏现象和机理

雷击点出现的典型损坏现象有以下几种情况：

1.1 开裂和灰化

叶片表面复合材料开裂和灰化，以及雷击点的金属部件烧毁或熔化。开裂属于机械损坏，灰化属于热效应的结果。

1.2 电弧

雷电流在叶片内部形成电弧，或在叶尖雷击点和导体部件之间常会形成内部电弧。风力发电机组的叶片的损坏最为严重，空气中的电弧会存在于叶片内的空洞和叶片表面，属于电气损坏。

1.3 爆裂

雷电流传到复合材料层之间时，因为层间有些潮气，内部电弧加热潮气引起压力冲击使叶片爆裂或使叶片表面沿着前后缘和叶片承载梁处撕裂损坏，小至叶片表面发生裂纹，大到叶片完全碎裂。有时压力波会通过轮毂从受雷击的叶片传到其他的叶片上而引起损坏。属于热效应和机械损坏。

2 雷击试验

2.1 雷击放电极性试验

试验方法是分别对叶片正极性放电和负极性放电各30次，得出的结果是正极性放电未击中接闪器的次数为0 次，捕获率为100%；而负极性放电未击中接闪器的次数为9 次，捕获率为70%。

从上述实验得出重要结论：

（1）雷电可能不击中接闪器而直接击中叶片表面。

（2）叶尖接闪器更容易吸引雷击。

（3）正极性雷电容易击中叶片表面负极性雷电容易击中接闪器。

3 叶片防雷系统设计

根据上述介绍，我们对大功率风力发电机组的叶片防雷系统做如下设计。

3.1基本设计要求

叶片通过装设接闪器、引下线及其连接元件组成雷电防护系统，它可为叶片结构本身的一部分，或合并于叶片的组件当中。它能在规定的雷电保护水平下承受相应的雷电流冲击后，确保叶片无结构性损坏, 不妨碍叶片继续运行直至下一次维修；能耐受因风、潮湿、颗粒物等引起的预期磨损以及振动，但不影响叶片的动力特性。对雷击防护系统的叶片耐受机械应力的能力进行考核。

3.2 叶片中的接收器

叶片接收器应位于叶片表面，能截收绝大部分的雷击先导。叶片接收器能进行维修和更换。

叶片接收器的保护范围不能用保护角法和滚球法来计算确定。叶片接收器系统的设计根据严格的检测和试验来确定。

当叶片中接收器的数量达到或超过下列规定值，可不进行高压雷击接闪试验中的初始先导接闪试验。[6][7][8]叶片长度L<20 m ：叶尖端接收器1 个。叶片长度20 m ≤ L<30 m ：叶尖端接收器1 个，压力侧接收器1 个，吸力侧接收器1 个，与叶尖端有一定距离处。叶片长度30 m ≤
L<45 m ：叶尖端接收器1 个，压力侧接收器2 个，吸力侧接收器2 个，分布在转动的叶片上。叶片长度L ≥ 45 m ：叶尖端接收器1 个，压力侧接收器3 个，吸力侧接收器3 个，分布在转动的叶片上。

3.3 叶片中的引下线

a 引下线应长期可靠连接，并能承受雷电流产生的电、热及电动力效应的联合冲击。引下线宜在进行模拟雷击试验以前就安装在叶片上，应与叶片一起进行耐受机械应力的能力考核。

b 引下线在雷电流的传输中不应超过叶片的温度允许值。

3.4 碳纤维叶片的防雷

碳纤维叶片的防护涉及一些不同的、更复杂的挑战，因为碳纤维与玻璃纤维相反，它是导体。玻璃纤维叶片的损坏常常发生在前缘和后缘，然而对无防护的碳纤维叶片来说，损坏却常常发生在梁帽，因为这里是导电碳所在位置。碳纤维叶片的防雷常采用接闪带。早期一种常用的方法是把一层金属网与碳纤维层接触套埋在叶片的胶层下面。然而击中这层网的闪电电流会引起表壳破坏，必须检查和修理，

该接闪带属于飞机雷达天线整流罩接闪带－多节式，而非连续式。一系列薄的导电元件，布放在电阻材料上，控制间隙拉紧成薄的复合带，粘在要保护的表面上多节式接闪器并不提供传导闪电电流的金属通道，而是提供很多当出现高压电场时会电离的小气隙。

4 检测与验证

叶片接收器和引下线截收并传导雷电流能力可通过以下方法之一进行验证：

（1）叶片雷击防护系统的性能检验和测试应按IEC
61400-24 附录D 给出的高压雷击接闪试验和大电流试验方法。应在具有资质的试验单位，按规定的试验设备、试品、要求的试验布置和试验程序进行试验。叶片应在预期接闪位置接闪，叶片表面无破坏、无沿面闪络，未发生击破叶片表面至内部，叶片层叠结构为破坏。试验合格判据的细节可由厂商和试验单位协商确定。

（2）能够证明其与已验证合格的叶片类型（设计）是相似的，或者与有文件可显示其有成功防雷经验的叶片类型是相似的。

（3）使用已与有成功试验结果或者有成功服务经验的叶片保护设计比较后确认可靠的分析软件进行验证。