陶生金 劉孟 何明

摘 要：玻璃纖維復(fù)合材料葉片由于處于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最高的位置，而本身具有電絕緣性，面臨著嚴(yán)重的雷電威脅。本文基于實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)葉片運(yùn)行中遇到的問(wèn)題，依據(jù)IEC61400-24葉片雷擊試驗(yàn)方法，開(kāi)展葉片尖部雷電試驗(yàn)，獲得不同雷電流等級(jí)、不同位置的葉片后緣雷擊開(kāi)裂特征，分析葉片開(kāi)裂的過(guò)程，得出造成葉片后緣開(kāi)裂的雷電流峰值臨界值。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片;雷電試驗(yàn);葉片雷擊;雷電流臨界值

中圖分類號(hào)：TQ171.77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dá)上百萬(wàn)伏，峰值電流幅值超過(guò)300kA，發(fā)電時(shí)間短至數(shù)百μs，放電過(guò)程表現(xiàn)出強(qiáng)大的沖擊波、巨變電磁場(chǎng)、強(qiáng)烈的電磁輻射以及熾熱的高溫[1]，[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于高大建筑物，本身容易遭受雷電侵害，而葉片處于風(fēng)機(jī)的最高位置，面臨著更加嚴(yán)重的雷電威脅，特別建設(shè)的山地區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)葉片雷電損傷事件[3]。愛(ài)邦電磁根據(jù)國(guó)內(nèi)不同區(qū)域700多臺(tái)風(fēng)機(jī)的雷電損傷統(tǒng)計(jì)，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(fù)合材料制作，具有很高的電絕緣性，當(dāng)雷電擊中葉片復(fù)合材料時(shí)常出現(xiàn)纖維碳化、分層、穿孔、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的問(wèn)題。在葉片雷擊損傷問(wèn)題中，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的修復(fù)難度最高，造成的經(jīng)濟(jì)損失最大。這主要是因?yàn)槿~片殼體之間采用結(jié)構(gòu)膠粘接的方式固定，一旦葉片遭受雷擊，在雷電多物理效應(yīng)的作用下，葉片粘接區(qū)域易出現(xiàn)開(kāi)裂，伴隨著葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)裂程度會(huì)不斷增大，而葉片在空中無(wú)法進(jìn)行大面積開(kāi)裂區(qū)域修復(fù)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(hù)方案的驗(yàn)證。比如閆江燕等對(duì)雷電電弧效應(yīng)下夾層的損傷，并使用分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)手段進(jìn)行定量研究，揭示PVC和巴塞木的不同損傷特性，同時(shí)通過(guò)對(duì)葉片進(jìn)行大電流沖擊試驗(yàn)，獲得了多通道雷擊電弧的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，驗(yàn)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(xiàn)[7]研究雷電流對(duì)復(fù)合材料的損傷，指出焦耳熱能夠?qū)?fù)合材料造成分層和樹脂氣化;郭子炘等對(duì)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下風(fēng)機(jī)葉片雷擊接閃進(jìn)行了研究，指出負(fù)極性接閃不受風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的影響[8]。這些研究揭示了葉片雷擊的機(jī)理，使工程師對(duì)葉片雷擊過(guò)程建立直觀印象，促進(jìn)了風(fēng)機(jī)雷電防護(hù)技術(shù)的發(fā)展。但葉片實(shí)際運(yùn)行中的雷擊問(wèn)題復(fù)雜多樣，相對(duì)于葉片實(shí)際運(yùn)行中遇到的工程問(wèn)題，現(xiàn)有研究仍不夠全面，特別是葉片雷擊開(kāi)裂問(wèn)題還需進(jìn)一步驗(yàn)證和總結(jié)。

本研究基于風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行中數(shù)十kA雷電流造成葉片后緣開(kāi)裂問(wèn)題，依據(jù)IEC規(guī)定的葉片雷電試驗(yàn)方法，開(kāi)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(yàn)實(shí)驗(yàn)室研究。

1 試驗(yàn)對(duì)象

葉片尖部是最容易雷電的部位，根據(jù)文獻(xiàn)[9]的研究，葉片雷擊附著點(diǎn)在尖部3m區(qū)域占比接近90%。本研究選取2MW風(fēng)機(jī)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(gè)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(yàn)件制作按照葉片生產(chǎn)流程，選用同一模具，葉片表面不進(jìn)行噴漆處理，共制作3件。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)波形

試驗(yàn)根據(jù)IEC61400-24：2019附錄D規(guī)定的電弧引入試驗(yàn)方法，本研究設(shè)計(jì)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(yàn)原理如圖2所示，考慮到雷電長(zhǎng)沖擊的電流幅值無(wú)變換，帶來(lái)的雷電效應(yīng)單一，不是造成葉片后緣開(kāi)裂的主要原因，研究時(shí)僅進(jìn)行10/350短沖擊雷電流試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(yàn)布置及方案

試驗(yàn)時(shí)，將葉片使用絕緣支柱將試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)件另一端接地串聯(lián)接入設(shè)備接地回路，試驗(yàn)布置按照?qǐng)D3所示。

本研究主要開(kāi)展電弧引入試驗(yàn)，電弧注入位置選取PS面距尖部0.5m的后緣側(cè)，試驗(yàn)時(shí)人工開(kāi)開(kāi)直徑3mm的孔，引入0.5mm的金屬銅絲?？紤]到實(shí)際安全性，最高按照IEC61400-24中Ⅱ級(jí)防雷等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，不同等級(jí)雷電流損傷測(cè)試方案如表1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 不同雷電流等級(jí)的放電

本試驗(yàn)是假設(shè)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(jìn)行電荷釋放。此試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，且容易引起火災(zāi)，具有一定危險(xiǎn)性，應(yīng)做好安全防護(hù)。圖4是試驗(yàn)放電的瞬間，但對(duì)于80kA以上雷電流電弧試驗(yàn)，放電產(chǎn)生的光熱效性極強(qiáng)，無(wú)法采用高速相機(jī)捕捉到放電瞬間的現(xiàn)象。

3.2 不同雷電流等級(jí)的損傷

圖5為不同電流等級(jí)雷電流試驗(yàn)葉片損傷情況。在20kA和50kA的試驗(yàn)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(yàn)時(shí)葉片后緣開(kāi)裂長(zhǎng)度約50cm，粘接結(jié)構(gòu)膠保持完整、無(wú)碎裂，損傷特征為葉片PS面玻璃鋼層間的分層;100kA的試驗(yàn)中葉片后緣開(kāi)裂約110mm，粘接結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)裂紋，開(kāi)裂主要為PS面和結(jié)構(gòu)膠粘接界面的剝離;150kA的試驗(yàn)后葉片后緣開(kāi)裂長(zhǎng)度達(dá)到220cm，結(jié)構(gòu)膠碎裂并與殼體玻璃鋼嚴(yán)重剝離。

3.3 不同位置的注入位置的損傷

通過(guò)不同雷電流損傷的情況，可以確定100kA雷電流引入試驗(yàn)?zāi)軌蛟斐扇~片后緣開(kāi)裂。為驗(yàn)證雷擊位置的不同帶來(lái)的影響，本研究對(duì)距葉片尖部2m處、PS面引下線上方進(jìn)行100kA電弧注入試驗(yàn)，如圖6所示。

圖7是距尖部2m處引弧的試驗(yàn)后損傷情況，后緣開(kāi)裂長(zhǎng)度約120cm，開(kāi)裂形式同樣為PS面和結(jié)構(gòu)膠粘接界面的剝離。圖8是不同引弧位置的100kA試驗(yàn)后損傷對(duì)比，可以看出兩次試驗(yàn)開(kāi)裂長(zhǎng)度相近及形狀。這一現(xiàn)象是葉片前、后緣結(jié)構(gòu)差異造成，前緣使用了內(nèi)襯粘接法蘭且進(jìn)行外側(cè)玻璃鋼補(bǔ)強(qiáng);葉片后緣由于空間局限，無(wú)法制作內(nèi)襯粘接法蘭，PS和SS面采用直接粘接，相對(duì)于前緣抗弦向沖擊強(qiáng)度低。當(dāng)雷電擊穿葉片后，在內(nèi)部閃弧時(shí)熱效應(yīng)造成強(qiáng)大的沖擊力，葉片后緣出現(xiàn)開(kāi)裂。

3.4 葉片雷擊開(kāi)裂的過(guò)程分析

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，距離葉片尖部不同區(qū)域的雷電擊穿，都會(huì)造成葉片后緣開(kāi)裂，這主要是雷擊多物理效應(yīng)造成。長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究表明，雷電放電過(guò)程為流光過(guò)程。在電場(chǎng)的作用下，氣體中的電子開(kāi)始高速定向運(yùn)動(dòng)，碰撞中性分子后產(chǎn)生電離，形成成對(duì)正離子和電子。由于電場(chǎng)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(zhǎng)，成為電子雪崩過(guò)程。電子雪崩過(guò)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(jìn)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(qiáng)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(yīng)已經(jīng)超出葉片本身的承受能力。如同上文分析結(jié)果，葉片由于結(jié)構(gòu)的特性決定了后緣粘接區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)薄弱區(qū)域，所以出現(xiàn)明顯損傷。在80kA的試驗(yàn)中，葉片后緣開(kāi)始出現(xiàn)開(kāi)裂，而150kA的試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)膠碎裂、脫落，這主要是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)膠本身具有一定脆性，而雷電造成的物理效應(yīng)隨著雷電流峰值的增大而擴(kuò)大，最終超過(guò)了結(jié)構(gòu)膠機(jī)械性能的極限。在80kA試驗(yàn)損傷研究中，葉片開(kāi)裂形式主要為玻璃纖維與結(jié)構(gòu)粘接界面剝離，與100kA、150kA試驗(yàn)現(xiàn)象相比較，可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠材料本身的強(qiáng)度大于粘接強(qiáng)度，玻璃鋼和結(jié)構(gòu)膠的粘接界面強(qiáng)度最弱。從葉片損傷情況也可反演遭受雷擊的強(qiáng)度，一般出現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠開(kāi)裂的損傷至少是超過(guò)100kA雷電流峰值，而葉片玻璃鋼開(kāi)裂的損傷一般是80kA左右的雷擊強(qiáng)度。這一結(jié)論在葉片檢查維護(hù)時(shí)可以作為參考指標(biāo)，針對(duì)后緣結(jié)構(gòu)發(fā)生開(kāi)裂的葉片應(yīng)進(jìn)一步檢查整個(gè)防雷系統(tǒng)的功能性以及接地電阻，及時(shí)解決存在的問(wèn)題，保證防雷系統(tǒng)的有效性，消除風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全隱患。

3.5 能量的轉(zhuǎn)換和傳遞

按照能量守恒定律，雷擊試驗(yàn)中的充電電能是最初輸入的能量，造成開(kāi)裂造成的機(jī)械能、熱能以及回路中最終收集的電能是轉(zhuǎn)換的能量。以20kA試驗(yàn)為例，同一試驗(yàn)件設(shè)置試驗(yàn)相同的充電參數(shù)，引弧注入與短路傳導(dǎo)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(duì)比見(jiàn)表2。由試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，電弧注入實(shí)驗(yàn)室能比下降75%。這主要因?yàn)殡娀∽⑷雽?shí)驗(yàn)時(shí)部分能量以電能轉(zhuǎn)化成了光能和熱能進(jìn)行了釋放，整個(gè)回路終端收集到的電荷量和傳遞時(shí)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(yàn)的公差范圍，可以認(rèn)為變換不大。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)制作多個(gè)相同葉片試驗(yàn)尖部選段，開(kāi)展雷電電弧引入試驗(yàn)，驗(yàn)證了不同雷電流峰值等級(jí)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(shí)，葉片腹板和粘接結(jié)構(gòu)無(wú)明顯損傷，在80kA左右的雷電流峰值時(shí)葉片將會(huì)發(fā)生后緣開(kāi)裂，150kA左右時(shí)結(jié)構(gòu)膠開(kāi)裂的結(jié)論。

根據(jù)分析雷電擊穿開(kāi)裂的過(guò)程，葉片無(wú)論雷擊位置距尖部多遠(yuǎn)，最終造成的結(jié)果均是后緣開(kāi)裂，這主要是因?yàn)槿~片前緣粘接結(jié)構(gòu)不同造成。因此，可以考慮改變后緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，來(lái)提升葉片抗雷擊能力。

根據(jù)分析雷電傳導(dǎo)中能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，整個(gè)雷擊過(guò)程峰值電流變化不大，但最終電能呈衰減趨勢(shì)，轉(zhuǎn)化的能量占大多數(shù)。

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