針對復(fù)雜環(huán)境的風電葉片防雷系統(tǒng)可靠性驗證研究

李成良 方致陽 丁惢 楊越

葉片作為風電機組雷電風險最高的部件，其雷電防護的可靠性，對機組能否在全生命周期中安全運行起到?jīng)Q定性作用。相關(guān)文獻表明，2012年美國風電機組保險索賠中，葉片雷擊損傷比例高達41.4%，每筆平均賠償金額約24萬美元，由此可知提高葉片防雷系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

國際電工委員會（IEC）在關(guān)于風電機組的雷電防護標準IEC 61400-24中對如何驗證風電葉片防雷系統(tǒng)的可靠性給出了指導性要求。第三方認證機構(gòu)也會根據(jù)測試結(jié)果對葉片防雷系統(tǒng)的效果進行認證評價。隨著風電開發(fā)地域的多樣化，運行在復(fù)雜環(huán)境（如易發(fā)生鹽霧腐蝕的海上及高海拔、高雷暴地區(qū)）中的葉片，會對防雷系統(tǒng)可靠性、適應(yīng)性等提出更高要求。因此，針對國內(nèi)復(fù)雜的雷暴環(huán)境進行適應(yīng)性防雷系統(tǒng)認證方案設(shè)計，成為目前葉片防雷系統(tǒng)可靠性驗證研究的重點。

本文基于通用的認證方法，通過更加全面的測試方案，驗證葉片防雷系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性。

防雷系統(tǒng)認證研究

葉片防雷系統(tǒng)的通用認證方法主要包括雷擊測試驗證以及相似性說明驗證。

一、雷擊測試認證

該認證包括2種高電壓測試和2種大電流測試。其中，高電壓測試包括高電壓初始先導測試與高電壓掃掠通道測試；大電流測試包括大電流電弧引入測試與大電流傳導測試。

自然界中雷電的形成，往往伴隨著超高的電壓以及超大的電流注入，但在實驗室模擬雷擊過程時，無法將雷電的電壓及電流同時耦合到一個測試波形中進行測試，因此，需要在雷擊測試中分別進行高電壓測試以及大電流測試。其中，大電壓測試主要驗證葉片雷擊附著點的區(qū)域；大電流測試主要驗證葉片接閃器成功接閃后能否將雷電流順利卸放。根據(jù)最新發(fā)布的IEC 61400-24―2019標準，相關(guān)測試的主要驗證內(nèi)容如下：

（1）高電壓初始先導測試：主要驗證葉片在實際的接閃過程中可能出現(xiàn)的附著點。高電壓初始先導測試情況見圖1。

（2）高電壓掃掠通道測試：葉片由于自身旋轉(zhuǎn)，會遠離雷電通道，進而導致出現(xiàn)雷電流沿葉片表面爬行的情況。該項測試主要驗證葉片成功接閃后，在雷電爬行的過程中是否會出現(xiàn)擊穿葉片蒙皮的情況。高電壓掃掠通道測試情況見圖2。

（3）大電流電弧引入測試：主要驗證葉片接閃器成功接閃后能否承受相應(yīng)的能量以及電荷傳遞量，而不會造成葉片結(jié)構(gòu)層損傷。大電流電弧引入測試情況見圖3。

（4）大電流傳導測試：主要驗證葉片接閃器在成功接閃后，能否將注入能量以及電荷順利地通過引下系統(tǒng)傳導至接地系統(tǒng)，且不會由于引下系統(tǒng)負載能力不足，導致在雷電能量卸放過程中出現(xiàn)火花、引下線熔斷、電連接失效等現(xiàn)象。大電流傳導測試情況見圖4。

二、相似性說明認證

相似性評估是為了表征新開發(fā)型號葉片及其防雷系統(tǒng)設(shè)計方案，與經(jīng)過雷擊測試驗證過的某款葉片及其防雷系統(tǒng)設(shè)計方案的接近程度。新產(chǎn)品與已完成驗證產(chǎn)品之間的相似性通過葉片設(shè)計方案及材料體系兩個維度評估認證：

（1）葉片設(shè)計相關(guān)相似性評估：共包含9項對比指標，主要從葉片外形、蒙皮結(jié)構(gòu)、防雷系統(tǒng)t布置等方面進行評估。

（2）葉片材料相關(guān)相似性評估：共包含5項對比指標，主要從樹脂纖維體系、接閃器材料與等電位設(shè)置等方面進行評估。

所有相似性指標均滿足IEC標準后，方可獲得認證。

復(fù)雜環(huán)境可靠性測試驗證研究

基于對上述不同測試驗證方向的理解，復(fù)雜環(huán)境中葉片防雷系統(tǒng)的可靠性，可以通過高電壓初始先導測試進行驗證。本章節(jié)采用高電壓初始先導測試，先后對使用17.5kV熱縮管進行絕緣加強的防雷系統(tǒng)開展葉片防雷系統(tǒng)內(nèi)部先導誘發(fā)情況、葉片防雷系統(tǒng)極限測試、葉片接閃器金屬腐蝕后的雷擊測試進行防雷系統(tǒng)雷電防護能力的可靠性驗證。另外，為驗證防雷系統(tǒng)連接可靠性，對葉片防雷系統(tǒng)力學性能進行測試并分析。

一、葉片防雷系統(tǒng)內(nèi)部先導誘發(fā)情況分析

研究表明，對葉片防雷系統(tǒng)進行絕緣防護可以有效抑制葉片內(nèi)部金屬出現(xiàn)先導現(xiàn)象。為了判斷使用的葉片防雷系統(tǒng)的絕緣強度是否滿足使用要求，需要了解葉片防雷系統(tǒng)內(nèi)部先導的誘發(fā)情況，因此，以下針對葉片防雷系統(tǒng)（無葉片結(jié)構(gòu)）進行測試研究。

方案布置參考高電壓初始先導測試。測試樣件由葉片變?yōu)槿~片防雷系統(tǒng)本身，本次測試樣件長度為5m，在54次高電壓初始先導測試過程中，未發(fā)生防雷系統(tǒng)絕緣擊穿現(xiàn)象，但是在前緣對地第2次負極性測試中發(fā)現(xiàn)，在距離葉尖1.5m的位置，由引下線誘發(fā)了可見先導，見圖5。通過觀測可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)的先導較弱，不存在繼續(xù)發(fā)展的可能。因此，可以表明增加防雷系統(tǒng)的絕緣強度可大幅度降低葉片內(nèi)部先導的發(fā)生，增強葉片防雷系統(tǒng)可靠性。

二、防雷系統(tǒng)極限測試驗證

基于國內(nèi)復(fù)雜的雷暴環(huán)境，僅通過54次高電壓初始先導測試，不能保證葉片在高雷暴環(huán)境中的全生命周期安全運行。高雷暴環(huán)境往往位于高海拔地區(qū)，而在高海拔地區(qū)葉片會出現(xiàn)在雷云中運行的情況。同時，根據(jù)之前的測試研究發(fā)現(xiàn)，擊穿現(xiàn)象全部集中在負極性測試上。因此，本文在原有驗證要求基礎(chǔ)上增加對10°工況的負極性測試，形成可驗證模擬高海拔、高雷暴環(huán)境中防雷系統(tǒng)防護能力的兩輪極限測試。

第一輪測試為依據(jù)IEC 61400-24要求的54次高電壓初始先導測試。第二輪測試在原有測試樣件基礎(chǔ)上在10°工況對應(yīng)的A、B、C、D 4個測試姿態(tài)，分別增加7次負極性雷擊測試，共計28次試驗。圖6為防雷系統(tǒng)測試情況。

兩輪極限測試均未發(fā)生擊穿現(xiàn)象。實驗結(jié)果證明葉片防雷系統(tǒng)的可靠性滿足高海拔、高雷暴環(huán)境條件的使用要求。

三、接閃器腐蝕后雷擊測試分析

海上掛機試驗表明海上葉片金屬接閃器會出現(xiàn)一定的腐蝕現(xiàn)象。而對于金屬腐蝕后對葉片防雷系統(tǒng)的接閃效率是否會出現(xiàn)影響，并沒有相關(guān)規(guī)范予以規(guī)定。因此，為了驗證腐蝕后的葉尖對防雷系統(tǒng)是否有較大影響，對葉尖進行鹽霧試驗。試驗參考標準ISO 12944《色漆和清漆―防護涂料體系對鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護》中C5-M等級，達到該等級的主要指標要求為鹽霧試驗時間不低于1440h（鹽霧試驗詳細要求如表1所示），試驗符合GB/T 10125―2012/ISO 9227：2006要求。將完成鹽霧試驗的葉尖安裝到葉片雷擊測試樣件上，按照規(guī)范要求進行高電壓初始先導測試。

試驗結(jié)果表明，54次試驗均未發(fā)生擊穿現(xiàn)象，試驗全部通過。測試詳情見圖7。由此可知，防雷系統(tǒng)接閃器在經(jīng)過鹽霧腐蝕后，對防雷系統(tǒng)的防護性能影響在可控范圍內(nèi)。

四、葉片防雷系統(tǒng)力學性能測試分析

風電葉片需要在風電場安全運行20年以上，而葉片防雷系統(tǒng)安裝在葉片中很難進行維護，為了保證葉片防雷系統(tǒng)安全運行，必須保證防雷系統(tǒng)連接可靠。因此，需要對葉片防雷系統(tǒng)進行力學性能測試。驗證方法為對附帶防雷系統(tǒng)的風電葉片進行全尺寸結(jié)構(gòu)性能測試驗證 。

測試包括靜力測試、疲勞測試以及疲勞后靜力測試三個階段。通過觀測葉片防雷系統(tǒng)力學性能測試前后的電阻變化，來確認葉片防雷系統(tǒng)的連接可靠性。圖8為某型號葉片防雷系統(tǒng)測試前后的電阻變化情況。由圖可知，葉片測試前后電阻差值僅在±3mΩ以內(nèi)，葉片防雷系統(tǒng)在全生命運行周期內(nèi)連接滿足要求。

結(jié)論

本文主要基于規(guī)范中的認證驗證手段、高電壓初始先導測試以及力學性能測試，來驗證風電葉片防雷系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的可靠性。通過本文研究可知：

葉片防雷系統(tǒng)認證要求已經(jīng)趨近完善，有多種方式可以進行防雷系統(tǒng)認證。同時，現(xiàn)有葉片防雷系統(tǒng)的絕緣強度足以抑制內(nèi)部先導的發(fā)生，且可以滿足高雷暴環(huán)境、高海拔地區(qū)、海上地區(qū)對葉片全生命周期內(nèi)雷電防護的要求。

（作者單位：中材科技風電葉片股份有限公司）