風電葉片防雷測試

文 | 李海濤

風電葉片防雷測試

文 | 李海濤

近年來，隨著風電機組裝機量的增多，特別是南方雷電活躍地區(qū)裝機量的增加，葉片遭受雷擊的事故也越來越多。風電機組葉片的防雷問題越來越受到行業(yè)上下游的重視。眾所周知，葉片防雷是風電機組防雷的關鍵，葉片防雷性能的好壞對機組的可靠性至關重要。近年來，隨著服役機組的不斷增加，葉片雷擊損傷事故越來越多。由此暴露出國內(nèi)葉片的防雷系統(tǒng)存在如下問題：

（1）防雷設計缺乏驗證

現(xiàn)有的防雷系統(tǒng)設計普遍采用GL2010標準中，基于葉片長度而推薦使用不同數(shù)量的接閃器的設計形式。業(yè)內(nèi)普遍對設計原理不掌握，也缺乏測試和認證。

（2）故障多發(fā)，維護成本高

據(jù)統(tǒng)計，雷擊引起的風電機組葉片年故障率約為5%。葉片非接閃器區(qū)域遭受雷擊，輕則留下雷擊孔，內(nèi)部形成碳化區(qū)域，造成結(jié)構(gòu)損傷；重則葉片炸裂，甚至斷裂，導致直接報廢。不管是更換報廢的葉片，還是修補葉片表面的雷擊損傷（數(shù)量多），或者是對原有的防雷系統(tǒng)機型改造都會造成高額的維護成本。

（3）難以滿足標準和認證要求

目前國家正在制定《風力發(fā)電機組雷電防護》的國標，該標準等同采用IEC 61400-24:2010國際標準。這意味著行業(yè)和監(jiān)管部門層面已認識到規(guī)范機組防雷的重要性。一旦國標實施，對機組的防雷認證將順理成章的展開。

此外DNV?GL公司在2015年5月已經(jīng)發(fā)布了關于風電機組電氣裝置設計規(guī)范——《Design of electrical installations for wind turbines》，該規(guī)范中明確了葉片接閃器系統(tǒng)需要驗證。意味著如申請GL型式認證，必須通過葉片的防雷測試。

2015年下半年開始，上海電氣開展了葉片防雷研究的相關項目。項目中有一項內(nèi)容是與丹麥GLPS公司合作開展葉片的防雷測試和新型防雷產(chǎn)品的導入。

防雷測試

標準《IEC 61400-24:2010,Wind turbine generator systems-Part 24：Lightning protection》中附錄D對葉片的防雷測試作了詳細的規(guī)定。防雷測試的分類見表1。

目前防雷測試以上海電氣W2000-116機組56.85m葉片為依托，截取葉尖約5.1m1作為測試段，送往位于丹麥海寧（Herning）的GLPS試驗室，按照IEC 62305-1標準中的LPL Ⅰ級進行。試驗于2016年3月下旬進行。

一、初始先導附著測試

初始先導附著測試是評估防雷系統(tǒng)接閃能力的關鍵。試驗的裝置和測試示意圖見標準IEC 61400-24:2010中圖D.1。在該測試中，將葉片的避雷導線與高電壓發(fā)生器相連，不斷改變?nèi)~片試樣段與零電位平板的相對方位和角度，保持葉尖離平板的距離為1.5m。通過高壓發(fā)生器的加壓，葉片與平板間會發(fā)生擊穿，形成一道“閃電”。

表1 防雷測試分類和測試目的

標準中零電位平板在地面上，而GLPS試驗室將平板電極放置在與地面垂直的架子上。試驗時，通過轉(zhuǎn)動架子來調(diào)整葉片與平板間的相對角度，這比調(diào)整葉片更加便捷。

從圖10可看出：選擇Beta(貝塔分布)曲線計算結(jié)果為1.568起/a、選擇Weibull(韋伯分布)曲線計算結(jié)果為1.806起/a、選擇Lognormal(對數(shù)正態(tài)分布)曲線計算結(jié)果為1.933起/a、選擇Gumbel(min)(極小值)曲線計算結(jié)果為1.553起/a、選擇Gumbel(max)(極小值)曲線計算結(jié)果為1.709起/a、選擇Normal(正態(tài)分布)曲線的計算結(jié)果為1.648起/a，已知實際上2016年的碰撞事故6起，計算與實際碰撞事故數(shù)的差值并比較可以得出，選擇運用Lognormal(對數(shù)正態(tài)分布)曲線所進行的運算結(jié)果與實際最為接近。

在試驗中，葉片相對平板電極有4種變槳姿態(tài)，見標準IEC 61400-24:2010中圖D.2中下半部。在該試驗裝置和樣品長度下，主要測試葉片與平板電極呈60°和30°兩種角度（90°時只有一種姿態(tài)）如圖1所示。

圖1 平板電極垂直與地面（此圖中葉片與平板電極呈90°角）

圖2 第40次測試（后緣朝測試平板，30°，負閃，第1次）

圖3 掃掠通道附著試驗測試點與接閃器的位置關系

初始先導附著測試的總試驗測試次數(shù)為54次，詳見表2所示。

測試中，正閃的峰值電壓大概在600kV左右，負閃的峰值電壓大概在-1900kV至-1200kV之間。

試驗是否通過的判斷依據(jù)是54次測試全部通過，即閃絡全部發(fā)生在接閃器上，不能擊中玻璃鋼部位。該測試是評估防雷系統(tǒng)能有效接閃的關鍵，通過的難度很大，第40次測試見圖2。

二、掃掠通道附著試驗

掃掠通道附著試驗的示意圖見圖3。在該測試中，將葉片的避雷導線與高電壓發(fā)生器相連，測試點（直徑5cm的銅的球形電極）分別位于圖3中1.1、1.2、2.1、2.2的位置，電極與葉片表面的距離為5cm。通過高壓發(fā)生器的加壓，接閃器與電極間會發(fā)生擊穿，形成閃絡。

試驗次數(shù)總共為48次，詳見表3。

因為電極離接閃器的距離很近，本試驗中峰值電壓比初始附著測試中的電壓要小很多，大概在+200kV或-200kV左右（圖4）。

試驗是否通過的判斷依據(jù)是48次測試全部通過。從測試結(jié)果來看，葉片順利通過了該測試。

三、電弧擊入試驗

電弧擊入試驗分別在葉身接閃器和葉尖接閃器上完成，目標是注入3500庫倫以上的電荷。測試波形為30kA的震蕩電流波形疊加100至300庫侖的直流波形。試驗次數(shù)根據(jù)每次實際注入的電荷量的不同而不同，約13至15次（圖5）。

表2 初始先導附著測試試驗次數(shù)

表3 掃略通道附著測試試驗次數(shù)

葉身接閃器電弧注入試驗共進行14次（圖6），總共注入3632 C的電荷量。葉尖接閃器的電弧注入試驗如圖7所示。在測試中，電極分別放置在接閃器上方的6個位置。試驗共進行15次，總共注入3640C的電荷量。試驗完成后，葉尖接閃器的外觀如圖8所示。

電弧注入試驗是否通過的判斷依據(jù)是試驗后葉尖和葉身接閃器的受損程度沒有影響到其接閃的功能，且能通過常規(guī)工具拆卸。從試驗結(jié)果來看，目前國內(nèi)普遍使用的螺釘式葉身接閃器難以通過該測試。

四、非導電性表面試驗

本試驗未進行。據(jù)GLPS介紹，IEC61400-24中這部分內(nèi)容是從航空測試標準SAE ARP 5416中遺留而來的。最初是為了覆蓋絕緣涂層和飛機鋁機身頂部以及擋風玻璃上的貼紙的風險。目前這個測試從未在葉片上做過，這也得到了GL的認可。并且會在IEC 61400-24 Ed2.0中刪除。目前的觀點認為非導電性表面試驗的影響可以由掃略通道試驗和電弧注入試驗覆蓋。

五、傳導電流試驗

傳導電流試驗的測試參數(shù)見表4所示。測試是以防雷等級I的參數(shù)實施的。與電弧注入試驗類似，傳導電流測試也分葉尖接閃器與導線的連接組件（如圖9）和葉身接閃器與底座的連接組件（如圖10）兩項。

圖4 位置2.2 負閃第1次

圖5 葉身接閃器與底座連接件及試驗裝置照片

每次試驗依次施加下列數(shù)量和波形的電流：7×50kA 10/350us、8×100kA 10/350us、3×150kA 10/350us、2×200kA 10/350us。葉身接閃器與導線的連接組件的試驗數(shù)據(jù)見表5。

圖6 葉身接閃器第10次測試照片（注入電荷量311C，峰值電流41.9kA）

圖7 葉尖接閃器的電弧注入試驗照片

圖8 完成測試后的葉尖接閃器

表4 傳導電流測試參數(shù)（引自IEC62305-01附錄C 表C.1）

圖9 葉尖接閃器與導線的連接組件的傳導電流試驗

圖10 葉身接閃器與導線的連接組件的傳導電流試驗

從表4中可以看出，峰值電流、單位能量和電量都滿足標準的要求。最大施加的單位能量達到了13.06 MJ/Ω。

傳導電流測試是否通過的判斷依據(jù)是：連接結(jié)構(gòu)連接牢固，無松開、脫落；無火花和大的電弧產(chǎn)生；試驗前后，連接組件的連通性能無明顯變化（測量電阻）；可更換部分可使用普通工具拆卸。從測試結(jié)果來看，該測試對導線連接的牢固性有較大的考驗。在設計時需重點關注導線連接的可靠性。

結(jié)論

依據(jù)標準的要求對葉片防雷性能進行測試、評估是驗證葉片防雷可靠性的關鍵。通過本次防雷系統(tǒng)的測試，我們見證了自身防雷系統(tǒng)的優(yōu)勢，也檢視了自身防雷系統(tǒng)的不足。最后與GLPS一起，對原有的防雷系統(tǒng)進行了改進，之后順利通過了全部的測試，取得了GLPS出具的防雷系統(tǒng)符合IEC61400-24標準的證明。

表5 葉身接閃器與導線的連接組件的試驗數(shù)據(jù)

（注1：GLPS接受全尺寸的葉片防雷系統(tǒng)測試。為節(jié)省運輸成本，試驗樣品長度的依據(jù)是IEC61400-24中規(guī)定，初始附著測試中，如裝置A受垂直空間的實際限制，可能要求對較短葉片試樣（長度可能為2m－4m）在60° 及90°位置進行試驗。考慮到我們自身防雷系統(tǒng)的第一對葉身接閃器在離葉尖5m處，為將該對接閃器涵蓋，最后定了5.8m這一集裝箱最大的長度限制（扣除包裝箱的厚度）。葉片試驗段未涂裝，雖然IEC61400-24中要求“所有表面處理以及油漆處理都應當包括在內(nèi)，以確保測試結(jié)果與現(xiàn)實相符合”，但GLPS認為如果有無涂層是造成測試是否通過的因素的話，那該設計也太靠近極限了。且之前他們測試過很多未涂裝的葉片，其中一些是要求DNV·GL認證的，且最終獲得了認證。）

（作者單位：上海電氣風電集團）