玻璃纖維復合材料風電葉片雷擊損傷試驗研究

陶生金 劉孟 何明

摘 要：玻璃纖維復合材料葉片由于處于風力發(fā)電機組最高的位置，而本身具有電絕緣性，面臨著嚴重的雷電威脅。本文基于實際風電場葉片運行中遇到的問題，依據(jù)IEC61400-24葉片雷擊試驗方法，開展葉片尖部雷電試驗，獲得不同雷電流等級、不同位置的葉片后緣雷擊開裂特征，分析葉片開裂的過程，得出造成葉片后緣開裂的雷電流峰值臨界值。

關鍵詞：風力發(fā)電機組葉片;雷電試驗;葉片雷擊;雷電流臨界值

中圖分類號：TQ171.77 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）04-0060-04

Abstract：The glass fiber composite blade is in the highest position of the wind turbine， and it has the electrical insulation，which is faced with the serious threat of lightning. In this paper，the lightning problem encountered in the actual wind power plant of blade is studied. According to the lightning test method of IEC61400-24， the blade tip lightning test was carried out to obtain the characteristics of lightning cracking on the trailing edge of the blade at different lightning current levels and different positions. Furthermore， the process of blade cracking was analyzed， and the critical value of lightning current peak which causes blade trailing edge cracking was obtained.

Key words：wind turbine blade;lightning test; lightning stroke on blade; critical value of lightning current

0 前言

雷電放電電壓高達上百萬伏，峰值電流幅值超過300kA，發(fā)電時間短至數(shù)百μs，放電過程表現(xiàn)出強大的沖擊波、巨變電磁場、強烈的電磁輻射以及熾熱的高溫[1]，[2]。風力發(fā)電機組屬于高大建筑物，本身容易遭受雷電侵害，而葉片處于風機的最高位置，面臨著更加嚴重的雷電威脅，特別建設的山地區(qū)域的風場經(jīng)常出現(xiàn)葉片雷電損傷事件[3]。愛邦電磁根據(jù)國內(nèi)不同區(qū)域700多臺風機的雷電損傷統(tǒng)計，葉片的每年雷擊損傷率為8.2片/（100片·年）。葉片主要由玻璃纖維復合材料制作，具有很高的電絕緣性，當雷電擊中葉片復合材料時常出現(xiàn)纖維碳化、分層、穿孔、結構開裂的問題。在葉片雷擊損傷問題中，結構開裂的修復難度最高，造成的經(jīng)濟損失最大。這主要是因為葉片殼體之間采用結構膠粘接的方式固定，一旦葉片遭受雷擊，在雷電多物理效應的作用下，葉片粘接區(qū)域易出現(xiàn)開裂，伴隨著葉片的轉動，開裂程度會不斷增大，而葉片在空中無法進行大面積開裂區(qū)域修復。

目前，國內(nèi)外對玻璃纖維葉片雷擊損傷的研究主要集中在主材性能和防護方案的驗證。比如閆江燕等對雷電電弧效應下夾層的損傷，并使用分子反應動力學手段進行定量研究，揭示PVC和巴塞木的不同損傷特性，同時通過對葉片進行大電流沖擊試驗，獲得了多通道雷擊電弧的動態(tài)演化過程，驗證了不同引下線位置的損傷程度和150kA后緣位置引弧的損傷尺寸[5-6];文獻[7]研究雷電流對復合材料的損傷，指出焦耳熱能夠?qū)秃喜牧显斐煞謱雍蜆渲瑲饣?郭子炘等對旋轉狀態(tài)下風機葉片雷擊接閃進行了研究，指出負極性接閃不受風機旋轉的影響[8]。這些研究揭示了葉片雷擊的機理，使工程師對葉片雷擊過程建立直觀印象，促進了風機雷電防護技術的發(fā)展。但葉片實際運行中的雷擊問題復雜多樣，相對于葉片實際運行中遇到的工程問題，現(xiàn)有研究仍不夠全面，特別是葉片雷擊開裂問題還需進一步驗證和總結。

本研究基于風場運行中數(shù)十kA雷電流造成葉片后緣開裂問題，依據(jù)IEC規(guī)定的葉片雷電試驗方法，開展了葉片不同雷電流峰值、不同擊穿區(qū)域的雷電流損傷試驗實驗室研究。

1 試驗對象

葉片尖部是最容易雷電的部位，根據(jù)文獻[9]的研究，葉片雷擊附著點在尖部3m區(qū)域占比接近90%。本研究選取2MW風機葉片尖部3m區(qū)域選段，葉片前、后緣腹板均在距葉尖1m處截止，整個防雷系統(tǒng)采用金屬柱作為接閃器，70mm2二類鋁合金絞線作為引下線。試驗件制作按照葉片生產(chǎn)流程，選用同一模具，葉片表面不進行噴漆處理，共制作3件。

2 試驗方法

2.1 試驗波形

試驗根據(jù)IEC61400-24：2019附錄D規(guī)定的電弧引入試驗方法，本研究設計的多波形電流發(fā)生器能夠夠產(chǎn)生符合圖1所示的沖擊電流波形。試驗原理如圖2所示，考慮到雷電長沖擊的電流幅值無變換，帶來的雷電效應單一，不是造成葉片后緣開裂的主要原因，研究時僅進行10/350短沖擊雷電流試驗。實驗時，采用半徑25mm球電極，粘貼0.5mm的金屬銅絲，模擬雷電電弧注入到葉片引下線。

2.2 試驗布置及方案

試驗時，將葉片使用絕緣支柱將試驗件撐起，距離地面的高度大于1m，然后將引下線采用銅板壓接進行可靠電氣連接后。將沖擊電流發(fā)生器的輸出端連接至放電位置，試驗件另一端接地串聯(lián)接入設備接地回路，試驗布置按照圖3所示。

本研究主要開展電弧引入試驗，電弧注入位置選取PS面距尖部0.5m的后緣側，試驗時人工開開直徑3mm的孔，引入0.5mm的金屬銅絲?？紤]到實際安全性，最高按照IEC61400-24中Ⅱ級防雷等級進行試驗，不同等級雷電流損傷測試方案如表1所示。

3 試驗結果及討論

3.1 不同雷電流等級的放電

本試驗是假設防雷系統(tǒng)接閃失效前提下，雷電擊穿殼體后在葉片內(nèi)腔產(chǎn)生電弧，與引下線連接進行電荷釋放。此試驗為破壞性試驗，且容易引起火災，具有一定危險性，應做好安全防護。圖4是試驗放電的瞬間，但對于80kA以上雷電流電弧試驗，放電產(chǎn)生的光熱效性極強，無法采用高速相機捕捉到放電瞬間的現(xiàn)象。

3.2 不同雷電流等級的損傷

圖5為不同電流等級雷電流試驗葉片損傷情況。在20kA和50kA的試驗之中，葉片未造成明顯損傷，僅是表面玻璃鋼受熱后變色發(fā)黑;80kA雷電流試驗時葉片后緣開裂長度約50cm，粘接結構膠保持完整、無碎裂，損傷特征為葉片PS面玻璃鋼層間的分層;100kA的試驗中葉片后緣開裂約110mm，粘接結構膠出現(xiàn)裂紋，開裂主要為PS面和結構膠粘接界面的剝離;150kA的試驗后葉片后緣開裂長度達到220cm，結構膠碎裂并與殼體玻璃鋼嚴重剝離。

3.3 不同位置的注入位置的損傷

通過不同雷電流損傷的情況，可以確定100kA雷電流引入試驗能夠造成葉片后緣開裂。為驗證雷擊位置的不同帶來的影響，本研究對距葉片尖部2m處、PS面引下線上方進行100kA電弧注入試驗，如圖6所示。

圖7是距尖部2m處引弧的試驗后損傷情況，后緣開裂長度約120cm，開裂形式同樣為PS面和結構膠粘接界面的剝離。圖8是不同引弧位置的100kA試驗后損傷對比，可以看出兩次試驗開裂長度相近及形狀。這一現(xiàn)象是葉片前、后緣結構差異造成，前緣使用了內(nèi)襯粘接法蘭且進行外側玻璃鋼補強;葉片后緣由于空間局限，無法制作內(nèi)襯粘接法蘭，PS和SS面采用直接粘接，相對于前緣抗弦向沖擊強度低。當雷電擊穿葉片后，在內(nèi)部閃弧時熱效應造成強大的沖擊力，葉片后緣出現(xiàn)開裂。

3.4 葉片雷擊開裂的過程分析

通過試驗測試發(fā)現(xiàn)，距離葉片尖部不同區(qū)域的雷電擊穿，都會造成葉片后緣開裂，這主要是雷擊多物理效應造成。長期的試驗研究表明，雷電放電過程為流光過程。在電場的作用下，氣體中的電子開始高速定向運動，碰撞中性分子后產(chǎn)生電離，形成成對正離子和電子。由于電場的作用，這些新產(chǎn)生的電子又產(chǎn)生更多的正離子和電子，從而形成電子雪崩使地快速增長，成為電子雪崩過程。電子雪崩過程是原子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，形成激發(fā)態(tài)原子，腐蝕出高能光子，進行電磁傳遞。光子的能量使葉片內(nèi)部體積迅速膨脹，瞬間產(chǎn)生氣爆沖擊力。

葉片自身材質(zhì)為玻璃纖維增強材料，具有較好的彈性模量和抗沖擊能力，但大雷電流峰值的雷電造成的物理效應已經(jīng)超出葉片本身的承受能力。如同上文分析結果，葉片由于結構的特性決定了后緣粘接區(qū)域為相對薄弱區(qū)域，所以出現(xiàn)明顯損傷。在80kA的試驗中，葉片后緣開始出現(xiàn)開裂，而150kA的試驗中結構膠碎裂、脫落，這主要是因為結構膠本身具有一定脆性，而雷電造成的物理效應隨著雷電流峰值的增大而擴大，最終超過了結構膠機械性能的極限。在80kA試驗損傷研究中，葉片開裂形式主要為玻璃纖維與結構粘接界面剝離，與100kA、150kA試驗現(xiàn)象相比較，可以發(fā)現(xiàn)結構膠材料本身的強度大于粘接強度，玻璃鋼和結構膠的粘接界面強度最弱。從葉片損傷情況也可反演遭受雷擊的強度，一般出現(xiàn)結構膠開裂的損傷至少是超過100kA雷電流峰值，而葉片玻璃鋼開裂的損傷一般是80kA左右的雷擊強度。這一結論在葉片檢查維護時可以作為參考指標，針對后緣結構發(fā)生開裂的葉片應進一步檢查整個防雷系統(tǒng)的功能性以及接地電阻，及時解決存在的問題，保證防雷系統(tǒng)的有效性，消除風機運行安全隱患。

3.5 能量的轉換和傳遞

按照能量守恒定律，雷擊試驗中的充電電能是最初輸入的能量，造成開裂造成的機械能、熱能以及回路中最終收集的電能是轉換的能量。以20kA試驗為例，同一試驗件設置試驗相同的充電參數(shù)，引弧注入與短路傳導相比較，能比與電荷傳遞差異最大，而雷電流峰值的變化不大，數(shù)據(jù)對比見表2。由試驗測試數(shù)據(jù)可以看出，電弧注入實驗室能比下降75%。這主要因為電弧注入實驗時部分能量以電能轉化成了光能和熱能進行了釋放，整個回路終端收集到的電荷量和傳遞時間均減少。至于雷電流峰值的變化，由于減小數(shù)值小于一般雷電試驗的公差范圍，可以認為變換不大。

4 結論

本研究通過制作多個相同葉片試驗尖部選段，開展雷電電弧引入試驗，驗證了不同雷電流峰值等級的葉片雷電擊穿損失情況，得出了50kA以下的雷電擊穿葉片殼體時，葉片腹板和粘接結構無明顯損傷，在80kA左右的雷電流峰值時葉片將會發(fā)生后緣開裂，150kA左右時結構膠開裂的結論。

根據(jù)分析雷電擊穿開裂的過程，葉片無論雷擊位置距尖部多遠，最終造成的結果均是后緣開裂，這主要是因為葉片前緣粘接結構不同造成。因此，可以考慮改變后緣的結構設計，來提升葉片抗雷擊能力。

根據(jù)分析雷電傳導中能量的傳遞和轉換，整個雷擊過程峰值電流變化不大，但最終電能呈衰減趨勢，轉化的能量占大多數(shù)。

參考文獻

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