風(fēng)電機(jī)組葉片雷電防護(hù)金屬網(wǎng)防雷研究

文 | 周家東，熊秀，付磊，范曉宇

風(fēng)電機(jī)組葉片雷電防護(hù)金屬網(wǎng)防雷研究

文 | 周家東，熊秀，付磊，范曉宇

隨著風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量不斷增大，輪轂高度和葉輪直徑的不斷增加，以及高原、沿海、海上等新型機(jī)組的開發(fā)，大型機(jī)組越來越容易遭受雷擊。而風(fēng)電機(jī)組的葉片又始終處于機(jī)組的最高位置，是最容易受雷擊的部件，會(huì)對機(jī)組葉片造成不可逆的機(jī)械損傷，在整個(gè)機(jī)組的雷擊損壞維修成本中，它的維修費(fèi)用最高。所以在葉片設(shè)計(jì)初期就做好防雷措施，將大大降低后期的維護(hù)成本。

目前，葉片防雷的主要方法有三種：接閃器與引下線、分段式導(dǎo)流條和雷電防護(hù)金屬網(wǎng)。接閃器與引下線是目前使用最廣泛的雷電防護(hù)方法，但是隨著葉片長度的增加，實(shí)際的雷電并不總是打到葉尖，有時(shí)也會(huì)對葉身造成很大的破壞。分段式導(dǎo)流條是葉片雷電防護(hù)中一種新興的方法，通過分段式導(dǎo)流條和接閃器與引下線系統(tǒng)的配合使用可以擴(kuò)大接閃器的接閃面積，對葉片起到很好的防護(hù)效果。而雷電防護(hù)金屬網(wǎng)是一種既可以充當(dāng)接閃器起到接閃的作用，又能充當(dāng)引下線起到很好的傳導(dǎo)雷電的作用的防雷方法。但是國內(nèi)外對雷電防護(hù)金屬網(wǎng)的雷電防護(hù)研究的比較少，本文基于上述的背景，采用本公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的兩種用于機(jī)組葉片上的雷電防護(hù)金屬網(wǎng)，進(jìn)行了機(jī)組葉片雷電防護(hù)金屬網(wǎng)的防雷研究，對機(jī)組葉片雷電防護(hù)具有重要的意義。

雷電防護(hù)金屬網(wǎng)介紹

雷電防護(hù)金屬網(wǎng)作為一種重要的雷電防護(hù)方法，在飛機(jī)上已經(jīng)取得非常成功的應(yīng)用，近年來延性金屬銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)也開始成為葉片雷電防護(hù)中必不可少的材料。

一、金屬網(wǎng)的介紹

目前國內(nèi)外常見的雷電防護(hù)金屬網(wǎng)包括金屬編織網(wǎng)、延性金屬?zèng)_孔網(wǎng)以及延性金屬斜拉網(wǎng)三種。金屬編織網(wǎng)是由金屬絲在經(jīng)緯兩個(gè)方向編織而成。編織絲網(wǎng)的缺點(diǎn)是在復(fù)合曲率的表面難以覆蓋，影響氣動(dòng)性能；而且編織絲網(wǎng)金屬絲之間搭接電阻比較大，雷電防護(hù)效果遠(yuǎn)不如延性金屬網(wǎng)；編制金屬絲網(wǎng)由于雷電流產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁力也容易斷裂和瓦解。

延性金屬?zèng)_孔網(wǎng)是金屬板經(jīng)鋼板沖剪機(jī)沖剪加工處理后，形成固定網(wǎng)眼狀況的張料物體。而延性金屬斜拉網(wǎng)是由拉伸網(wǎng)沖剪機(jī)經(jīng)過沖剪和拉伸，使金屬板擴(kuò)張成定好的尺寸。因此延性金屬斜拉網(wǎng)和沖孔網(wǎng)相比，生產(chǎn)中不會(huì)產(chǎn)生廢料，成本低；而且網(wǎng)眼連接十分牢固，不會(huì)有斷梗和斷絲的現(xiàn)象；更重要的是延性金屬斜拉網(wǎng)梗絲均勻，不會(huì)出現(xiàn)電流傳導(dǎo)截面突變，影響導(dǎo)電性能。

二、金屬網(wǎng)雷電防護(hù)機(jī)理

（一）金屬網(wǎng)導(dǎo)流基本機(jī)理

金屬網(wǎng)格的雷電防護(hù)，其實(shí)質(zhì)就是利用金屬自身良好

的導(dǎo)電性，將雷電流快速從非金屬傳導(dǎo)至金屬上，從而防止對非金屬造成破壞。金屬網(wǎng)防雷電的簡易模型可用圖3所示。

假設(shè)有一金屬網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)如圖3所示，金屬網(wǎng)的格網(wǎng)為正方形，邊長為t，構(gòu)成格網(wǎng)的金屬絲橫截面為長方形，尺寸為d×h，金屬網(wǎng)的寬度為w，此種金屬單位橫截面積能承受雷電流為I，當(dāng)遭遇雷擊時(shí)，每根金屬絲承受電流的概率完全相同，金屬網(wǎng)能承受最大雷電流為Imax。

其中：n為金屬絲根數(shù)，并且d總是遠(yuǎn)小于t。

所以影響金屬網(wǎng)導(dǎo)流能力的因素有材料本身（影響I值），金屬網(wǎng)梗寬d，金屬網(wǎng)厚度h，金屬網(wǎng)的寬度w，以及金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔密度（影響t值）。

（二）弧根分散機(jī)理

當(dāng)雷電流進(jìn)入到被防護(hù)部件表面的金屬網(wǎng)，就會(huì)隨著金屬網(wǎng)分成許多的電流細(xì)絲，會(huì)在金屬網(wǎng)上產(chǎn)生多個(gè)附著點(diǎn)，則每根單獨(dú)的電流細(xì)絲耗散的能量減小到原來的1/n2，其中n是電流細(xì)絲的數(shù)量。

因此，總的耗散能量和發(fā)生的損傷與所有的電流輸入到表面的單個(gè)點(diǎn)時(shí)的耗散能量相比就會(huì)減少很多。

延性金屬網(wǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

一、試驗(yàn)件與試驗(yàn)方法

本次雷電試驗(yàn)中所用的金屬網(wǎng)有0.2mm厚、150mm寬的延性金屬斜拉銅網(wǎng)和0.15mm厚、190mm寬的延性金屬斜拉鋁網(wǎng)。為了更真實(shí)的模擬風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)，在本試驗(yàn)件的制備過程中，采用了和葉片制造相同的原材料以及真空袋壓成型工藝，成型工藝如圖4所示。將金屬網(wǎng)鋪在玻璃纖維上，用樹脂將玻璃纖維和金屬網(wǎng)同時(shí)固化。金屬銅網(wǎng)試驗(yàn)件的尺寸是15cm×60cm，金屬鋁網(wǎng)試驗(yàn)件尺寸是19cm×60cm。

本試驗(yàn)中參考了SAE ARP5416飛機(jī)雷電測試方法和風(fēng)電機(jī)組葉片- 24部分：雷電防護(hù)中關(guān)于大電流物理損壞試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。對雷電防護(hù)金屬網(wǎng)進(jìn)行電弧引入試驗(yàn)和傳導(dǎo)電流試驗(yàn)。大電流傳導(dǎo)和電弧引入試驗(yàn)所用電流波形是A波，波形采用震蕩波，波形圖如圖5所示。

二、試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程主要包括試驗(yàn)件的布局方式以及電流試驗(yàn)所施加的試驗(yàn)參數(shù)。

（一）試驗(yàn)件布局

金屬銅網(wǎng)傳導(dǎo)電流試驗(yàn)的試驗(yàn)布置如圖6（a）所示，用砂紙將試驗(yàn)件兩端表面的樹脂打磨掉，保證金屬網(wǎng)暴露出來，用萬用表測量試驗(yàn)件兩端，保證電路處于接通狀態(tài)。試驗(yàn)件上下兩面分別用鋁板和木板夾緊，用螺母進(jìn)行緊固。將電極輸入端和地線分別接在試驗(yàn)件兩端的鋁板上，用螺

母緊固，以減小接觸電阻，并在試驗(yàn)件輸入端和接地端粘上銅膠帶。

金屬銅網(wǎng)電弧引入試驗(yàn)，放電電極距離放電位置大于50mm，在電極與試驗(yàn)件放電位置之間放置一根直徑0.1mm的細(xì)銅絲作為誘發(fā)放電引線。試驗(yàn)件接地端上下兩面分別用鋁板和木板夾緊，用螺母進(jìn)行緊固。將地線接在試驗(yàn)件接地端的鋁板上，用螺母緊固，然后貼上銅膠帶。

金屬鋁網(wǎng)試驗(yàn)件只進(jìn)行電流引弧試驗(yàn)，因?yàn)樵诮饘巽~網(wǎng)試驗(yàn)件試驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)，單獨(dú)的傳導(dǎo)試驗(yàn)對試驗(yàn)件的損害非常小，而且在進(jìn)行電流引弧試驗(yàn)的同時(shí)也可以同時(shí)驗(yàn)證其電流傳導(dǎo)能力，所以沒必要再單獨(dú)做傳導(dǎo)電流試驗(yàn)。金屬鋁網(wǎng)試驗(yàn)件的試驗(yàn)布置如圖6（b）所示，試驗(yàn)件接地端樹脂用砂紙打磨后，上下面用厚銅板壓緊，用螺母進(jìn)行緊固，然后將地線接在厚銅板上。

（二）試驗(yàn)過程及試驗(yàn)參數(shù)

金屬銅網(wǎng)電流傳導(dǎo)試驗(yàn)中所用的試驗(yàn)電流為10 kA －70kA，具體的試驗(yàn)參數(shù)如表1所示，每次試驗(yàn)開始和結(jié)束前分別用相機(jī)對該試驗(yàn)件進(jìn)行拍照，記錄被試件狀態(tài)，觀察試驗(yàn)件的破壞情況。

表1 金屬銅網(wǎng)試驗(yàn)件傳導(dǎo)電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 金屬銅網(wǎng)試驗(yàn)件雷電流電弧引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 金屬鋁網(wǎng)試驗(yàn)件雷電流電弧引入試驗(yàn)數(shù)據(jù)

金屬銅網(wǎng)電弧引入試驗(yàn)中所用的試驗(yàn)電流為20kA－

200kA，具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。每次試驗(yàn)開始和結(jié)束前分別對該試驗(yàn)件拍照，記錄被試件狀態(tài)，觀察試驗(yàn)件的破壞情況。

金屬鋁網(wǎng)電弧引入試驗(yàn)中所用試驗(yàn)電流為20kA－100kA，具體試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。每次試驗(yàn)開始和結(jié)束前分別對該試驗(yàn)件拍照，記錄被試件狀態(tài)，觀察試驗(yàn)件的破壞情況。

三、試驗(yàn)結(jié)果及討論

金屬銅網(wǎng)試驗(yàn)件進(jìn)行了10kA－70kA的傳導(dǎo)電流試驗(yàn)，通過對圖7（a）、7（b）照片對比，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過10kA－70kA的傳導(dǎo)電流試驗(yàn)后，試驗(yàn)件沒有發(fā)生任何損傷。試驗(yàn)結(jié)果說明15cm寬的此金屬銅網(wǎng)至少能作為引下線傳到70kA的雷電流而不發(fā)生任何損傷。

金屬銅網(wǎng)試驗(yàn)件還進(jìn)行了20kA－200kA電弧引入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。通過對圖8（a）的觀察，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過51kA的電弧引入試驗(yàn)后，試驗(yàn)件表面的金屬銅網(wǎng)基本沒有發(fā)生任何損壞，只是由于引弧銅絲的熔化，導(dǎo)致引弧區(qū)域變黑。

圖8（b）中，經(jīng)過101kA電弧引入試驗(yàn)后，試驗(yàn)件表面出現(xiàn)了局部點(diǎn)蝕，但沒有出現(xiàn)區(qū)域性的破壞，金屬網(wǎng)基本保持完整。在圖8（c）中，158kA的電弧引入試驗(yàn)后試驗(yàn)件出現(xiàn)了更多的點(diǎn)蝕，并且試驗(yàn)件接地端的薄鋁板發(fā)生了嚴(yán)重變形，金屬銅帶被打脫落，這是由于雷電實(shí)驗(yàn)過程中雷電流在此處出現(xiàn)渦流而產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁力導(dǎo)致。在圖8（d）中，經(jīng)過187kA的電弧引入試驗(yàn)后，試驗(yàn)件出現(xiàn)了如圖中紅色箭頭所示的一條線熔斷現(xiàn)象，說明試驗(yàn)件在187kA的沖擊電流作用下，已經(jīng)出現(xiàn)區(qū)域性熔化，但金屬網(wǎng)下邊被保護(hù)的玻璃纖維未出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。試驗(yàn)件經(jīng)受201kA的雷電流后，試驗(yàn)件出現(xiàn)了多條整線熔斷的現(xiàn)象，金屬網(wǎng)被大范圍的損壞，能量未完全釋放，所以作用積分比較小，但玻璃纖維板未發(fā)生破壞。

綜上所述，該金屬網(wǎng)可以承受158kA的雷電流金屬網(wǎng)本身不被破壞，承受201kA雷電流保護(hù)試驗(yàn)件不被破壞。

金屬鋁網(wǎng)試驗(yàn)件進(jìn)行了10kA－100kA電弧引入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過對圖9（a）的觀察，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)過29kA的電弧引入實(shí)驗(yàn)后，試驗(yàn)件表面的金屬鋁網(wǎng)沒有發(fā)生任何損壞，只是引弧區(qū)域變黑。經(jīng)過51kA的雷電流后，試驗(yàn)件表面金屬網(wǎng)開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，如圖9（b）所示。

而在圖9（c），經(jīng)過72kA的電弧引入試驗(yàn)后，試驗(yàn)件表面出現(xiàn)了局部點(diǎn)蝕，但沒有出現(xiàn)區(qū)域性的破壞，金屬網(wǎng)基本保持完整。

圖9（d）中，101kA的引弧試驗(yàn)后試驗(yàn)件靠近接地端出現(xiàn)了如圖中紅色箭頭所示的一條線熔斷現(xiàn)象，并且接地銅板下的金屬鋁網(wǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了大塊兒區(qū)域被熔化，說明此金屬網(wǎng)不被破壞的臨界電流應(yīng)不大于101kA，但在該電流下，金屬網(wǎng)下邊被保護(hù)的玻璃纖維未出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。綜上所述，該金屬鋁網(wǎng)可以承受101kA雷電流保護(hù)玻璃纖維板免遭破壞。

通過對金屬銅網(wǎng)和金屬鋁網(wǎng)的大電流物理破壞試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)金屬銅網(wǎng)的雷電防護(hù)效果更好，因此在風(fēng)電機(jī)組葉片上最好是選擇金屬銅網(wǎng)進(jìn)行雷電防護(hù)。金屬網(wǎng)進(jìn)行雷電防護(hù)中，金屬網(wǎng)的破壞區(qū)域可能并不一定是在電流的引弧區(qū)域，在接地端和近接地端，金屬網(wǎng)也會(huì)產(chǎn)生較大的破壞。因?yàn)殡娏鲿?huì)在此處匯集，不僅電流強(qiáng)度比較大，而且雷電流在此處傳導(dǎo)時(shí)由于接地會(huì)出現(xiàn)電流從一個(gè)平面向另一個(gè)平面的傳遞而產(chǎn)生渦流，形成非常大的電磁力而導(dǎo)致金屬網(wǎng)的破壞。

結(jié)論

金屬銅網(wǎng)和金屬鋁網(wǎng)進(jìn)行的大電流物理破壞試驗(yàn)，驗(yàn)證了金屬銅網(wǎng)和鋁網(wǎng)既可以作為接閃器接閃雷電流，也能作為引下線傳導(dǎo)雷電流，對風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行雷電防護(hù)能起到非常好的防護(hù)效果。

根據(jù)IEC62305和GB/T21714中不同雷電防護(hù)等級對雷電防護(hù)的要求，寬度15cm的此種金屬銅網(wǎng)，可以承受158kA雷電流金屬網(wǎng)本身不被破壞，承受201kA雷電流保護(hù)玻璃纖維不被破壞，所以此延性金屬拉伸銅網(wǎng)可以對葉片提供Ⅰ級的雷電防護(hù)。寬度19cm的金屬鋁網(wǎng)試驗(yàn)件，可以承受70kA雷電流金屬網(wǎng)本身不被破壞，承受100kA雷電流保護(hù)玻璃纖維不被破壞，此延性金屬拉伸鋁網(wǎng)可以對葉片提供Ⅲ級的雷電防護(hù)，但如果增大金屬網(wǎng)的寬度，此鋁網(wǎng)也能提供Ⅰ級的雷電防護(hù)。

通過試驗(yàn)我們還發(fā)現(xiàn)雷電流對金屬網(wǎng)的破壞是電磁力與熱效應(yīng)的綜合結(jié)果，在引弧區(qū)域主要是熱效應(yīng)的影響，在接地端則主要的電磁力的影響。

（作者單位：西安愛邦電磁技術(shù)有限公司）