梁鵬程 肖瓊 周家東 熊秀

隨著新一代風(fēng)電機(jī)組輪轂高度和風(fēng)輪直徑尺寸的增加，為了提供更高的發(fā)電功率，必須增加葉片剛度，使用更多的碳纖維復(fù)合材料。然而，碳纖維復(fù)合材料是導(dǎo)體，因此必須對碳纖維葉片進(jìn)行雷電防護(hù)，以防止碳纖維葉片之間產(chǎn)生內(nèi)部電弧以及碳纖維葉片遭受直接雷擊。同時(shí)，電加熱除冰葉片由于使用碳纖維或其他導(dǎo)電材料作為加熱組件，比傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片更容易遭受雷擊。

得益于防雷金屬網(wǎng)在飛機(jī)碳纖維復(fù)合材料上的成功應(yīng)用，碳纖維葉片和電加熱除冰葉片等含有導(dǎo)電組件的風(fēng)輪葉片也越來越多地采用防雷金屬網(wǎng)進(jìn)行雷電防護(hù)。然而，無論是葉片制造廠、整機(jī)廠，還是業(yè)主對葉片防雷知識還不夠了解，選取防雷金屬網(wǎng)時(shí)也沒有可參考的依據(jù)，造成很多在葉片上使用的金屬網(wǎng)達(dá)不到雷電防護(hù)的要求，葉片遭受雷擊后同樣會造成損傷。本文通過理論計(jì)算、仿真分析以及試驗(yàn)相結(jié)合的方法對防雷金屬網(wǎng)等效截面積進(jìn)行研究，為碳纖維葉片和電加熱除冰葉片選擇合適的防雷金屬網(wǎng)提供了依據(jù)。雷電防護(hù)金屬網(wǎng)等效截面積計(jì)算方法

根據(jù)研究，防雷金屬網(wǎng)宜選用具有較多優(yōu)點(diǎn)的延性金屬網(wǎng)。防雷金屬網(wǎng)在風(fēng)電葉片雷電防護(hù)中同時(shí)起接閃雷電流和傳導(dǎo)雷電流的雙重作用，根據(jù)IEC 62305-3和IEC 61400-24的要求，使用銅導(dǎo)線作為引下線傳導(dǎo)200kA的雷電流，當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度不是必備要求時(shí)，導(dǎo)線的最小截面積為25mm²;當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度是必備要求時(shí)，導(dǎo)線的最小截面積為50mm²。當(dāng)用鋁導(dǎo)線作為引下線時(shí)。導(dǎo)線的最小截面積為50mm²。由于防雷金屬網(wǎng)粘貼于風(fēng)電葉片外表面，使用時(shí)不必考慮金屬網(wǎng)的機(jī)械強(qiáng)度，因此按照IEC 61400-24的要求，防雷銅網(wǎng)作為引下線的最小截面積要求為25mm²，防雷鋁網(wǎng)作為引下線的最小截面積要求為50mm²。通常風(fēng)電技術(shù)人員即根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行金屬網(wǎng)截面積選擇，但該標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的導(dǎo)線最小截面積要求是否適用于防雷金屬網(wǎng)，以及如何計(jì)算防雷金屬網(wǎng)的等效截面積卻并沒有理論依據(jù)。

本文提出了一個(gè)計(jì)算金屬網(wǎng)等效截面積的理論模型，并總結(jié)出防雷金屬網(wǎng)等效截面積的計(jì)算公式。防雷金屬網(wǎng)的等效截面積與金屬網(wǎng)的接地方式有關(guān)，假設(shè)金屬網(wǎng)只采用葉尖接地或者葉根接地的方式，則金屬網(wǎng)上電流只會沿著一個(gè)方向傳導(dǎo)。金屬網(wǎng)的電流傳導(dǎo)模型如圖1所示。

假設(shè)防雷金屬網(wǎng)的電流從左側(cè)流入，電流在菱形金屬網(wǎng)上的傳導(dǎo)方向如圖1中紅色箭頭所示，電流傳導(dǎo)截面垂直于電流方向。如圖中綠色線所示，沿著電流方向做垂線，所有綠色線與菱形金屬網(wǎng)重疊面積之和，即為防雷金屬網(wǎng)的等效截面積。

防雷金屬網(wǎng)的網(wǎng)格為菱形，長節(jié)距為Lt，短節(jié)距為st，梗寬為h，厚度為d，金屬網(wǎng)的總寬度為w，垂直于電流方向金屬梗絲的根數(shù)為n，相鄰兩根金屬梗絲之間的距離為r。

結(jié)合圖示可知，垂直于電流方向金屬梗絲根數(shù)n的計(jì)算公式為：

如果防雷金屬網(wǎng)采用葉尖和葉根同時(shí)接地的方式，則金屬網(wǎng)上電流會沿著兩個(gè)方向傳導(dǎo)，電流傳導(dǎo)模型如圖2所示。向右傳導(dǎo)電流如紅色箭頭所示，向左傳導(dǎo)電流如藍(lán)色箭頭所示。

假設(shè)沿著兩個(gè)方向傳導(dǎo)的雷電流大小相同。則防雷金屬網(wǎng)的等效截面積為：

實(shí)際即使采用雙側(cè)接地的方式，由于兩側(cè)接地電阻大小不同，沿著兩側(cè)傳導(dǎo)的雷電流大小不可能相同，因此雙側(cè)接地防雷金屬網(wǎng)的等效截面積小于2·d.h·n。

雷電防護(hù)金屬網(wǎng)等效截面積計(jì)算方法的驗(yàn)證

一、仿真算法的可靠性驗(yàn)證

本文采用了數(shù)值仿真軟件COMSOL Multiphysics來計(jì)算金屬網(wǎng)的電阻熱效應(yīng)，雷電流分量為ICE 61400-24規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)10/350雷電流波形，如果防雷銅網(wǎng)的最高溫度超過銅的熔點(diǎn)1083。C，則認(rèn)為防雷銅網(wǎng)會出現(xiàn)熔斷性損壞。為了證明仿真模型的可靠性。選用不同寬度的ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)進(jìn)行傳導(dǎo)電流仿真，并與雷電試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。雷擊試驗(yàn)為短沖擊電弧注入電流試驗(yàn)，一端接地，注入200kA、10MJ/Ω的電流后，觀察雷電流傳導(dǎo)路徑中有無銅網(wǎng)熔斷損傷。

如圖3（a）所示，寬度為550mm的ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)在150kA的雷電流作用后，其仿真結(jié)果顯示銅網(wǎng)的最高溫度為1250°C，超過了銅網(wǎng)的熔點(diǎn)，會出現(xiàn)防雷銅網(wǎng)熔斷現(xiàn)象：雷電試驗(yàn)結(jié)果也表明防雷銅網(wǎng)發(fā)生大范圍熔斷，如圖3（b）所示。但如圖3（c）所示，當(dāng)防雷銅網(wǎng)的寬度增加到600mm，ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)在150kA雷電流作用下，其溫升只有870°C，不會超過銅網(wǎng)熔點(diǎn);雷電試驗(yàn)結(jié)果也表明防雷銅網(wǎng)不會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象，如圖3（d）所示。圖3仿真和試驗(yàn)結(jié)果的一致性說明了仿真模型的可靠性。

二、等效截面積算法的仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述防雷金屬網(wǎng)等效截面積計(jì)算理論公式（2）和（3）的正確性，選用不同寬度的ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)進(jìn)行傳導(dǎo)電流仿真。

不同寬度的ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)傳導(dǎo)200kA、10MJ/f2的雷電流，其溫度分布如圖4所示。由圖4可以看出，防雷銅網(wǎng)的梗絲處溫度最高，節(jié)點(diǎn)處溫度最低，因此防雷銅網(wǎng)斷裂時(shí)梗絲處先熔斷。當(dāng)銅網(wǎng)的寬度為440mm時(shí)，銅網(wǎng)會熔斷，而當(dāng)銅網(wǎng)的寬度增大到460mm時(shí)，銅網(wǎng)不會熔斷。

ABEMM防雷金屬網(wǎng)的尺寸參數(shù)如表1所示，根據(jù)公式（2）計(jì)算的不同寬度ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)的等效截面積及最高溫度如表2和圖5（a）所示，當(dāng)ABEMM-Cu420防雷銅網(wǎng)的寬度為440mm時(shí)，其金屬網(wǎng)的截面積是24.25mm²，金屬網(wǎng)會熔斷;而當(dāng)其寬度增加到460mm時(shí)，截面積為25.35mm²金屬網(wǎng)不會熔斷。

由圖5（b）可以看出，當(dāng)按公式（2）計(jì)算的ABEMM-Cu220防雷銅網(wǎng)的截面積大于25mm²時(shí)，防雷銅網(wǎng)的最高溫度也低于銅的熔點(diǎn)1083°C，即銅網(wǎng)不會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象。而防雷銅網(wǎng)傳導(dǎo)一次200kA、10MJ/Ω的雷電流，其最小截面積要求在25mm²左右，這說明按照公式（2）計(jì)算防雷金屬網(wǎng)的等效截面積是正確的。防雷鋁網(wǎng)的最小截面積要求

一、防雷鋁網(wǎng)的等效截面積計(jì)算

防雷銅網(wǎng)仿真結(jié)果證明了防雷金屬網(wǎng)等效截面積理論公式（2）的正確性。因此，可以用該公式來計(jì)算不同型號防雷鋁網(wǎng)的等效截面積，并用仿真軟件計(jì)算不同截面積防雷鋁網(wǎng)的最高溫度，以找到防雷鋁網(wǎng)傳導(dǎo)一次200kA、10MJ/Q雷電流的最小截面積要求。

在本計(jì)算中，選用了ABEMM-All35、ABEMM-All87、ABEMM-A1220三種不同面密度型號的防雷鋁網(wǎng)進(jìn)行最小截面積計(jì)算，根據(jù)公式（2）計(jì)算不同寬度ABEMM防雷鋁網(wǎng)的等效截面積，并用仿真軟件計(jì)算不同寬度防雷鋁網(wǎng)的溫度分布。取不同截面積防雷鋁網(wǎng)的最高溫度進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出，對于不同型號ABEMM防雷鋁網(wǎng)，當(dāng)防雷鋁網(wǎng)的截面積大于35mm²時(shí)，防雷鋁網(wǎng)的最高溫度均低于鋁的熔點(diǎn)660°C，即金屬鋁網(wǎng)不會出現(xiàn)熔斷現(xiàn)象。因此，對于防雷鋁網(wǎng)，其最小截面積達(dá)到35mm²左右時(shí)，即可滿足傳導(dǎo)一次200kA、10MJ/Ω雷電流的防護(hù)要求。

二、防雷鋁網(wǎng)等效截面積的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證35mm²的最小截面積要求是否合理，本文選擇了兩種不同型號的防雷鋁網(wǎng)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，這兩種不同型號的防雷鋁網(wǎng)等效截面積分別分布于35mm²兩側(cè)。如圖7（a）所示，仿真結(jié)果表明。截面積為32.83mm²的ABEMM-A1135-650防雷鋁網(wǎng)傳導(dǎo)一次200kA雷電流時(shí)，其最高溫升為719°C，高于金屬鋁的熔點(diǎn)660°C，ABEMM-A1135-650防雷鋁網(wǎng)會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。電流試驗(yàn)結(jié)果也表明，在雷電流傳導(dǎo)路徑中，金屬鋁網(wǎng)出現(xiàn)大范圍熔斷現(xiàn)象，如圖7（b）紅色箭頭所示。結(jié)果表明，當(dāng)防雷鋁網(wǎng)的截面積為32.83mm²時(shí)，達(dá)不到傳導(dǎo)200kA雷電流的雷電防護(hù)要求。

如圖8（a）所示，仿真分析結(jié)果表明，截面積為37.88mm²（超過35mm²的極限截面積）的ABEMM-A1187-500防雷鋁網(wǎng)傳導(dǎo)200kA雷電流時(shí)，其最高溫升為425°C，小于金屬鋁的熔點(diǎn)660°C，ABEMM-A1187-500防雷鋁網(wǎng)不會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，滿足200kA的雷電防護(hù)要求。電流引弧試驗(yàn)結(jié)果也表明，除了引弧區(qū)防雷鋁網(wǎng)有部分熔化現(xiàn)象，在雷電流傳導(dǎo)路徑中，沒有出現(xiàn)金屬網(wǎng)熔斷現(xiàn)象，如圖8（b）所示。結(jié)果表明，當(dāng)防雷鋁網(wǎng)的截面積為37.88mm²時(shí)，可滿足傳導(dǎo)一次200kA、10MJ/Ω雷電流的雷電防護(hù)要求。因此，防雷鋁網(wǎng)傳導(dǎo)一次200kA、10MJ/Ω的雷電流，35mm²左右的最小截面積要求是合理的。防雷金屬網(wǎng)的安全截面積要求

根據(jù)ICE 61400-24要求，防雷金屬網(wǎng)做鑒定試驗(yàn)時(shí)，需傳導(dǎo)3次200kA、10MJ/Ω的短沖擊雷電流和三次200C的長沖擊雷電流，其中影響防雷金屬網(wǎng)等效截面積的主要是短沖擊雷電流。在進(jìn)行防雷金屬網(wǎng)短沖擊雷電流試驗(yàn)時(shí)，如圖9所示，截面積為25mm²的ABEMM-Cu220-760防雷銅網(wǎng)傳導(dǎo)一次200kA雷電流時(shí)，銅網(wǎng)傳導(dǎo)截面無斷裂，但當(dāng)該銅網(wǎng)傳導(dǎo)第二次200kA雷電流時(shí)，銅網(wǎng)傳導(dǎo)截面斷裂。這主要是由于損傷的累加所致，傳導(dǎo)第一次雷電流時(shí)，由于銅網(wǎng)的趨膚效應(yīng)，銅網(wǎng)絲梗表面的溫度高于內(nèi)部，造成銅網(wǎng)絲梗表面溫度可能會超過熔點(diǎn)，因此會有部分熔化，造成表面銅網(wǎng)絲梗變細(xì)，相當(dāng)于等效截面積變小，所以第二次傳導(dǎo)雷電流時(shí)會造成銅網(wǎng)熔斷。

因此，為了保證防雷金屬網(wǎng)能安全傳導(dǎo)3次200kA、10MJ/Ω的短沖擊雷電流，在防雷金屬網(wǎng)最小截面積要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)增加金屬網(wǎng)截面積。

通過圖5和圖6中金屬網(wǎng)的截面積和金屬網(wǎng)最高溫度關(guān)系圖可以看出，在金屬網(wǎng)極限截面積附近，即金屬網(wǎng)的熔點(diǎn)附近，截面積對熔點(diǎn)的影響很大，超過金屬網(wǎng)極限截面積20%之后，金屬網(wǎng)的最高溫度已遠(yuǎn)低于金屬網(wǎng)的熔點(diǎn)，銅網(wǎng)絲梗不會出現(xiàn)熔斷變細(xì)現(xiàn)象。因此對于防雷金屬網(wǎng)而言，為了能傳導(dǎo)3次200kA的雷電流，應(yīng)保證20%的最小傳導(dǎo)截面積余量。對防雷銅網(wǎng)而言，30mm²是防雷銅網(wǎng)能傳導(dǎo)3次200kA雷電流的安全截面積要求，42mm²是防雷鋁網(wǎng)傳導(dǎo)3次200kA雷電流的安全截面積要求，防雷金屬網(wǎng)在安全截面積附近，肯定不會出現(xiàn)熔斷。如圖10所示，處于安全截面積的防雷金屬網(wǎng)經(jīng)過3次200kA，10MJ/Ω雷電流作用后，傳導(dǎo)區(qū)金屬網(wǎng)無斷裂現(xiàn)象。

結(jié)論

根據(jù)本文所提出的防雷金屬網(wǎng)等效截面積計(jì)算方法可判斷防雷金屬網(wǎng)是否滿足200kA、lOMJ/Ω雷電流的雷電防護(hù)要求。

對于防雷金屬網(wǎng)而言，傳導(dǎo)一次200kA、IOMJ/Ω的雷電流，防雷銅網(wǎng)的最小截面積要求為25mm²，防雷鋁網(wǎng)的最小截面積要求為35mm²。為了保證能傳導(dǎo)3次200kA、10MJ/Ω的雷電流，30mm²為防雷銅網(wǎng)的安全截面積要求，42mm²為防雷鋁網(wǎng)的安全截面積要求。