風電機組葉片雷電防護金屬網防雷研究

文 | 周家東，熊秀，付磊，范曉宇

風電機組葉片雷電防護金屬網防雷研究

文 | 周家東，熊秀，付磊，范曉宇

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

目前，葉片防雷的主要方法有三種：接閃器與引下線、分段式導流條和雷電防護金屬網。接閃器與引下線是目前使用最廣泛的雷電防護方法，但是隨著葉片長度的增加，實際的雷電并不總是打到葉尖，有時也會對葉身造成很大的破壞。分段式導流條是葉片雷電防護中一種新興的方法，通過分段式導流條和接閃器與引下線系統的配合使用可以擴大接閃器的接閃面積，對葉片起到很好的防護效果。而雷電防護金屬網是一種既可以充當接閃器起到接閃的作用，又能充當引下線起到很好的傳導雷電的作用的防雷方法。但是國內外對雷電防護金屬網的雷電防護研究的比較少，本文基于上述的背景，采用本公司自主設計研發的兩種用于機組葉片上的雷電防護金屬網，進行了機組葉片雷電防護金屬網的防雷研究，對機組葉片雷電防護具有重要的意義。

雷電防護金屬網介紹

雷電防護金屬網作為一種重要的雷電防護方法，在飛機上已經取得非常成功的應用，近年來延性金屬銅網和鋁網也開始成為葉片雷電防護中必不可少的材料。

一、金屬網的介紹

目前國內外常見的雷電防護金屬網包括金屬編織網、延性金屬沖孔網以及延性金屬斜拉網三種。金屬編織網是由金屬絲在經緯兩個方向編織而成。編織絲網的缺點是在復合曲率的表面難以覆蓋，影響氣動性能；而且編織絲網金屬絲之間搭接電阻比較大，雷電防護效果遠不如延性金屬網；編制金屬絲網由于雷電流產生的強大電磁力也容易斷裂和瓦解。

延性金屬沖孔網是金屬板經鋼板沖剪機沖剪加工處理后，形成固定網眼狀況的張料物體。而延性金屬斜拉網是由拉伸網沖剪機經過沖剪和拉伸，使金屬板擴張成定好的尺寸。因此延性金屬斜拉網和沖孔網相比，生產中不會產生廢料，成本低；而且網眼連接十分牢固，不會有斷梗和斷絲的現象；更重要的是延性金屬斜拉網梗絲均勻，不會出現電流傳導截面突變，影響導電性能。

二、金屬網雷電防護機理

（一）金屬網導流基本機理

金屬網格的雷電防護，其實質就是利用金屬自身良好

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

假設有一金屬網格，結構如圖3所示，金屬網的格網為正方形，邊長為t，構成格網的金屬絲橫截面為長方形，尺寸為d×h，金屬網的寬度為w，此種金屬單位橫截面積能承受雷電流為I，當遭遇雷擊時，每根金屬絲承受電流的概率完全相同，金屬網能承受最大雷電流為Imax。

其中：n為金屬絲根數，并且d總是遠小于t。

所以影響金屬網導流能力的因素有材料本身（影響I值），金屬網梗寬d，金屬網厚度h，金屬網的寬度w，以及金屬網的網孔密度（影響t值）。

（二）弧根分散機理

當雷電流進入到被防護部件表面的金屬網，就會隨著金屬網分成許多的電流細絲，會在金屬網上產生多個附著點，則每根單獨的電流細絲耗散的能量減小到原來的1/n2，其中n是電流細絲的數量。

因此，總的耗散能量和發生的損傷與所有的電流輸入到表面的單個點時的耗散能量相比就會減少很多。

延性金屬網試驗驗證

一、試驗件與試驗方法

本次雷電試驗中所用的金屬網有0.2mm厚、150mm寬的延性金屬斜拉銅網和0.15mm厚、190mm寬的延性金屬斜拉鋁網。為了更真實的模擬風電機組葉片結構，在本試驗件的制備過程中，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。將金屬網鋪在玻璃纖維上，用樹脂將玻璃纖維和金屬網同時固化。金屬銅網試驗件的尺寸是15cm×60cm，金屬鋁網試驗件尺寸是19cm×60cm。

本試驗中參考了SAE ARP5416飛機雷電測試方法和風電機組葉片- 24部分：雷電防護中關于大電流物理損壞試驗的試驗方法。對雷電防護金屬網進行電弧引入試驗和傳導電流試驗。大電流傳導和電弧引入試驗所用電流波形是A波，波形采用震蕩波，波形圖如圖5所示。

二、試驗過程

試驗過程主要包括試驗件的布局方式以及電流試驗所施加的試驗參數。

（一）試驗件布局

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

母緊固，以減小接觸電阻，并在試驗件輸入端和接地端粘上銅膠帶。

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

金屬鋁網試驗件只進行電流引弧試驗，因為在金屬銅網試驗件試驗的過程中發現，單獨的傳導試驗對試驗件的損害非常小，而且在進行電流引弧試驗的同時也可以同時驗證其電流傳導能力，所以沒必要再單獨做傳導電流試驗。金屬鋁網試驗件的試驗布置如圖6（b）所示，試驗件接地端樹脂用砂紙打磨后，上下面用厚銅板壓緊，用螺母進行緊固，然后將地線接在厚銅板上。

（二）試驗過程及試驗參數

金屬銅網電流傳導試驗中所用的試驗電流為10 kA －70kA，具體的試驗參數如表1所示，每次試驗開始和結束前分別用相機對該試驗件進行拍照，記錄被試件狀態，觀察試驗件的破壞情況。

表1 金屬銅網試驗件傳導電流試驗數據

表2 金屬銅網試驗件雷電流電弧引入試驗數據

表3 金屬鋁網試驗件雷電流電弧引入試驗數據

金屬銅網電弧引入試驗中所用的試驗電流為20kA－

200kA，具體試驗參數如表2所示。每次試驗開始和結束前分別對該試驗件拍照，記錄被試件狀態，觀察試驗件的破壞情況。

金屬鋁網電弧引入試驗中所用試驗電流為20kA－100kA，具體試驗參數如表3所示。每次試驗開始和結束前分別對該試驗件拍照，記錄被試件狀態，觀察試驗件的破壞情況。

三、試驗結果及討論

金屬銅網試驗件進行了10kA－70kA的傳導電流試驗，通過對圖7（a）、7（b）照片對比，我們發現經過10kA－70kA的傳導電流試驗后，試驗件沒有發生任何損傷。試驗結果說明15cm寬的此金屬銅網至少能作為引下線傳到70kA的雷電流而不發生任何損傷。

金屬銅網試驗件還進行了20kA－200kA電弧引入試驗，試驗結果如圖8所示。通過對圖8（a）的觀察，我們發現經過51kA的電弧引入試驗后，試驗件表面的金屬銅網基本沒有發生任何損壞，只是由于引弧銅絲的熔化，導致引弧區域變黑。

圖8（b）中，經過101kA電弧引入試驗后，試驗件表面出現了局部點蝕，但沒有出現區域性的破壞，金屬網基本保持完整。在圖8（c）中，158kA的電弧引入試驗后試驗件出現了更多的點蝕，并且試驗件接地端的薄鋁板發生了嚴重變形，金屬銅帶被打脫落，這是由于雷電實驗過程中雷電流在此處出現渦流而產生的強大電磁力導致。在圖8（d）中，經過187kA的電弧引入試驗后，試驗件出現了如圖中紅色箭頭所示的一條線熔斷現象，說明試驗件在187kA的沖擊電流作用下，已經出現區域性熔化，但金屬網下邊被保護的玻璃纖維未出現炸裂現象。試驗件經受201kA的雷電流后，試驗件出現了多條整線熔斷的現象，金屬網被大范圍的損壞，能量未完全釋放，所以作用積分比較小，但玻璃纖維板未發生破壞。

綜上所述，該金屬網可以承受158kA的雷電流金屬網本身不被破壞，承受201kA雷電流保護試驗件不被破壞。

金屬鋁網試驗件進行了10kA－100kA電弧引入試驗，試驗結果如圖9所示。通過對圖9（a）的觀察，我們發現經過29kA的電弧引入實驗后，試驗件表面的金屬鋁網沒有發生任何損壞，只是引弧區域變黑。經過51kA的雷電流后，試驗件表面金屬網開始出現點蝕現象，如圖9（b）所示。

而在圖9（c），經過72kA的電弧引入試驗后，試驗件表面出現了局部點蝕，但沒有出現區域性的破壞，金屬網基本保持完整。

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

通過對金屬銅網和金屬鋁網的大電流物理破壞試驗，我們發現金屬銅網的雷電防護效果更好，因此在風電機組葉片上最好是選擇金屬銅網進行雷電防護。金屬網進行雷電防護中，金屬網的破壞區域可能并不一定是在電流的引弧區域，在接地端和近接地端，金屬網也會產生較大的破壞。因為電流會在此處匯集，不僅電流強度比較大，而且雷電流在此處傳導時由于接地會出現電流從一個平面向另一個平面的傳遞而產生渦流，形成非常大的電磁力而導致金屬網的破壞。

結論

金屬銅網和金屬鋁網進行的大電流物理破壞試驗，驗證了金屬銅網和鋁網既可以作為接閃器接閃雷電流，也能作為引下線傳導雷電流，對風電機組葉片進行雷電防護能起到非常好的防護效果。

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

通過試驗我們還發現雷電流對金屬網的破壞是電磁力與熱效應的綜合結果，在引弧區域主要是熱效應的影響，在接地端則主要的電磁力的影響。

（作者單位：西安愛邦電磁技術有限公司）