大功率風力發電機組葉片的雷擊分析與防雷系統

1 葉片損壞現象和機理
雷擊點出現的典型損壞現象有以下幾種情況：
1.1 開裂和灰化
葉片表面復合材料開裂和灰化，以及雷擊點的金屬部件燒毀或熔化。開裂屬于機械損壞，灰化屬于熱效應的結果。
1.2 電弧
雷電流在葉片內部形成電弧，或在葉尖雷擊點和導體部件之間常會形成內部電弧。風力發電機組的葉片的損壞最為嚴重，空氣中的電弧會存在于葉片內的空洞和葉片表面，屬于電氣損壞。
1.3 爆裂
雷電流傳到復合材料層之間時，因為層間有些潮氣，內部電弧加熱潮氣引起壓力沖擊使葉片爆裂或使葉片表面沿著前后緣和葉片承載梁處撕裂損壞，小至葉片表面發生裂紋，大到葉片完全碎裂。有時壓力波會通過輪轂從受雷擊的葉片傳到其他的葉片上而引起損壞。屬于熱效應和機械損壞。
2 雷擊試驗
2.1 雷擊放電極性試驗
試驗方法是分別對葉片正極性放電和負極性放電各30次，得出的結果是正極性放電未擊中接閃器的次數為0 次，捕獲率為100%；而負極性放電未擊中接閃器的次數為9 次，捕獲率為70%。
從上述實驗得出重要結論：
（1）雷電可能不擊中接閃器而直接擊中葉片表面。
（2）葉尖接閃器更容易吸引雷擊。
（3）正極性雷電容易擊中葉片表面負極性雷電容易擊中接閃器。
3 葉片防雷系統設計
根據上述介紹，我們對大功率風力發電機組的葉片防雷系統做如下設計。
3.1基本設計要求
葉片通過裝設接閃器、引下線及其連接元件組成雷電防護系統，它可為葉片結構本身的一部分，或合并于葉片的組件當中。它能在規定的雷電保護水平下承受相應的雷電流沖擊后，確保葉片無結構性損壞, 不妨礙葉片繼續運行直至下一次維修；能耐受因風、潮濕、顆粒物等引起的預期磨損以及振動，但不影響葉片的動力特性。對雷擊防護系統的葉片耐受機械應力的能力進行考核。
3.2 葉片中的接收器
葉片接收器應位于葉片表面，能截收絕大部分的雷擊先導。葉片接收器能進行維修和更換。
葉片接收器的保護范圍不能用保護角法和滾球法來計算確定。葉片接收器系統的設計根據嚴格的檢測和試驗來確定。
當葉片中接收器的數量達到或超過下列規定值，可不進行高壓雷擊接閃試驗中的初始先導接閃試驗。[6][7][8] 葉片長度L<20 m ：葉尖端接收器1 個。葉片長度20 m ≤ L<30 m ：葉尖端接收器1 個，壓力側接收器1 個，吸力側接收器1 個，與葉尖端有一定距離處。葉片長度30 m ≤ L<45 m ：葉尖端接收器1 個，壓力側接收器2 個，吸力側接收器2 個，分布在轉動的葉片上。葉片長度L ≥ 45 m ：葉尖端接收器1 個，壓力側接收器3 個，吸力側接收器3 個，分布在轉動的葉片上。
3.3 葉片中的引下線
a 引下線應長期可靠連接，并能承受雷電流產生的電、熱及電動力效應的聯合沖擊。引下線宜在進行模擬雷擊試驗以前就安裝在葉片上，應與葉片一起進行耐受機械應力的能力考核。
b 引下線在雷電流的傳輸中不應超過葉片的溫度允許值。
3.4 碳纖維葉片的防雷
碳纖維葉片的防護涉及一些不同的、更復雜的挑戰，因為碳纖維與玻璃纖維相反，它是導體。玻璃纖維葉片的損壞常常發生在前緣和后緣，然而對無防護的碳纖維葉片來說，損壞卻常常發生在梁帽，因為這里是導電碳所在位置。碳纖維葉片的防雷常采用接閃帶。早期一種常用的方法是把一層金屬網與碳纖維層接觸套埋在葉片的膠層下面。然而擊中這層網的閃電電流會引起表殼破壞，必須檢查和修理，
該接閃帶屬于飛機雷達天線整流罩接閃帶－多節式，而非連續式。一系列薄的導電元件，布放在電阻材料上，控制間隙拉緊成薄的復合帶，粘在要保護的表面上多節式接閃器并不提供傳導閃電電流的金屬通道，而是提供很多當出現高壓電場時會電離的小氣隙。
4 檢測與驗證
葉片接收器和引下線截收并傳導雷電流能力可通過以下方法之一進行驗證：
（1）葉片雷擊防護系統的性能檢驗和測試應按IEC 61400-24 附錄D 給出的高壓雷擊接閃試驗和大電流試驗方法。應在具有資質的試驗單位，按規定的試驗設備、試品、要求的試驗布置和試驗程序進行試驗。葉片應在預期接閃位置接閃，葉片表面無破壞、無沿面閃絡，未發生擊破葉片表面至內部，葉片層疊結構為破壞。試驗合格判據的細節可由廠商和試驗單位協商確定。
（2）能夠證明其與已驗證合格的葉片類型（設計）是相似的，或者與有文件可顯示其有成功防雷經驗的葉片類型是相似的。
（3）使用已與有成功試驗結果或者有成功服務經驗的葉片保護設計比較后確認可靠的分析軟件進行驗證。