基于高壓測試的風電葉片防雷系統缺陷分析

喬玉軍， 方致陽， 李成良， 丁 惢

（中材科技風電葉片股份有限公司， 北京 100192）

0 引言

隨著國內風電場的大規模建設， 風電場選址逐漸由三北向東南、西南等高雷暴地區發展，風機的運行環境更加嚴苛。 據市場反饋，早期風機葉片雷擊事故率偏高，目前風電機組在全生命周期內葉片雷擊事故已成為安全運行的主要風險之一。我國雷暴特點是北方密度小、雷暴時短、單次雷暴強度高，南方密度高、雷暴時長、單次雷暴強度低，這對葉片的防雷系統提出了更高要求。

經過多年探索， 相關研究機構與企業已具有較為完善的防雷系統體系設計， 但對于設計或生產過程中存在的缺陷還缺乏有效的分析手段。 對此，針對防雷系統的常見典型缺陷進行了基于高壓防雷測試的失效分析， 明確了各缺陷在雷擊測試過程中的失效模式， 為防雷系統的優化設計提供依據，減少由于雷擊造成的經濟損失。

1 防雷規范要求

早期的IEC 61400-24Ed1.0 版本中，葉片高電壓初始先導測試， 使用葉片長度方向于平面電極的三個角度分別為90°，60°和30°。 而在第二版Ed2.0 中，測試角度改變為90°，30°和10°，這表示葉片測試的難度增加了。直接導致對LPS 設計和葉片制造的更高要求， 但也將提供更強的設計和更好的現場性能。

2 防雷系統失效模式統計

據統計， 過去平均一個風場一年雷擊故障率可達14%。 與其他因素導致的故障相比，雷擊故障會造成40%的能量損失，停機時間也會增加20%。造成雷擊損失比例較高的主要原因是早期葉片防雷設計基本沒有進行雷擊驗證、 葉片防雷系統有效接閃率低以及防雷系統缺陷導致的。以下針對葉片防雷損傷分類情況進行分級。根據可修復性分別分為1 到4 級，級別越高，可修復性越差。

表1 防雷系統損傷分級

機械性損傷是由于葉片因雷電接閃造成的葉片表面或結構發生開放性損壞，如葉尖炸裂、蒙皮開裂、葉片斷裂等，屬于功能性損傷，極難或不可修復，分級為3 級；而對于蒙皮分層、 引下線電磁力導致的葉尖開裂等非開放性損傷，屬于可修復性損傷，另外，械性損傷中的熱效應損傷， 如葉片表面雷擊孔、 條狀蒙皮開裂等非開放性損傷，也屬于可修復性損傷，分級為1 級，見表1。

而電氣性損傷絕大多數情況下很難修復， 如葉尖部分導線熔斷； 電氣性損傷主要指接閃器無法耐受超值電流，導致接閃器嚴重損壞結合葉片鑲嵌未至發生開裂、高溫膨脹等問題。 因此對于葉片的電氣性損傷以工藝材料問題為主。

針對上述損傷產生的原因， 選取常見典型缺陷進行了雷擊測試。

3 典型缺陷

針對葉片防雷系統的幾種常見典型缺陷， 以某型號海上葉片為載體，進行了雷擊測試，見表2。

表2 避雷測試記錄

4 高壓防雷測試

高壓試驗是評估接閃系統是否合理， 雷擊是否只發生在接閃器上的試驗。 分為初始先導附著測試與掃掠通道附著試驗。

初始先導測試主要評估雷擊附著位置以及雷電在葉片及其他非到點結構上的閃絡或者擊穿路徑； 掃掠通道附著試驗主要評估非導電表面的可能擊穿位置和非導電表面閃絡路徑。是防雷測試中最關鍵的部分，也是最容易出現問題的部分。

圖1 高壓先導防雷測試示意圖

試驗樣品可以僅為葉尖部分葉片， 長度需依據IEC61400-24 中的規定來確定。 根據上節的典型缺陷進行布置與測試。

4.1 導線絕緣損傷測試

模擬高壓導線在安裝過程中受損， 導致絕緣皮絕緣性能降低，見圖2。

圖2 導線損傷

通常， 在引下線離開腹板的位置極易出現擊穿孔， 且該該位置在轉運過程中很容易受到機械應力， 電纜本身不僅要支撐其自身的重量， 而且還需承受避雷系統其它部件的重量，見圖3。

圖3 避雷測試失效

從測試結果可知，在葉片內部導線絕緣性能較弱區域出現電弧放電現象。使前緣對地負極性第一次測試時出現擊穿顯現，見圖4。

圖4 缺陷分析

試驗過程中，在葉片表面觀察到針尖內側約242cm 處出現小孔。擊穿導致接閃，試驗失敗并停止。 擊穿發生在高壓電纜上， 而不是發生在避雷系統上。

4.2 導線彎曲測試

首先對S 形導線布置進行了電場模擬。 對葉片下穿導體幾何進行了二維有限元建模， 用于模擬制造過程中常見的類似S 形導線布置。 如圖5 所示。

圖5 S 型導線二維電場模擬

前緣與地面成10°時導線周圍電場分布可知，在導線下彎部分電場明顯增強，是導線上彎部分的9 倍，如果設計絕緣強度沿電纜是恒定的，會在這個特定的位置（上彎部分）發生擊穿，見圖6。

圖6 導線在蒙皮上的分布

4.3 接閃底座氣泡

通常接閃器都安裝在接閃底座上， 接閃底座通過粘接膠或者手糊到葉片內蒙皮，見圖7。

圖7 防雷底座粘接膠存在氣泡

常見的問題是， 接閃底座粘接區域存在小氣泡，見圖8。

圖8 葉身接閃器附近放電

從測試結果可知， 擊穿前（前緣指向下方，檢測為負極性）， 在壓力側接閃點底座附近出現微弱放電發光現象。這種光通常是由于葉片內部存在暴露的金屬引起的，如果葉身接閃器沒有正確地布置在葉片內部蒙皮上， 就可能發生這種情況， 其結果是葉片內部裸露的金屬表面產生部分放電， 同時在葉片表面尋找通向葉片外部并最終到達地面的傳導路徑。

4.4 葉片修復缺陷

由于葉片雷擊接閃失效后形成的可修復性損傷需要進行維修， 而維修過程中產生的缺陷很可能成為第二次避雷失效隱患， 本節給出了維修后穿孔缺陷引起的的雷擊失效，見圖9。

由于維修過程中會進行開窗等開放性操作，將局部蒙皮打開，替換避雷部件后重新修復，在修復過程中，往往會出現修復不徹底的現象，形成如圖10 中的穿孔缺陷。

圖9 維修后穿孔缺陷

圖10 避雷測試失效

通過分析整個測試中穿孔附近的詳細圖像， 得知，在所有負極性測試中，幾乎在同一位置都可以看到放電現象。 這是由于維修后形成的穿孔導致閃絡。

5 結論與展望

可以看到，在高壓雷擊測試后，即使在有缺陷存在的情況下，葉片出現的損傷均為可修復，從側面說明原防雷系統設計等級較高，較為可靠。 通過高壓雷擊測試與模擬分析，明確了葉片防雷系統常見缺陷在測試過程中的失效模式，為防雷系統的優化設計提供了依據。

未來對于以下幾個方向還需要開展進一步的研究：

（1）防雷引下線絕緣損傷程度或絕緣等級。

（2）導線布置彎曲半徑。

（3）接閃器底座粘接區域缺膠與氣泡程度。

（4）接閃器與底座連接可靠程度。

（5）葉片維修后的恢復程度。

對于海上機組，提出了如鹽霧腐蝕影響等更為苛刻的要求。