風電葉片接閃器腐蝕前后的雷擊損傷機理仿真研究

薛浩鵬，劉 孟，杜鳴心，曾明伍，羅 洋

(1. 東方電氣(天津)風電葉片工程有限公司 天津300480；2. 西安愛邦電磁技術有限責任公司 陜西西安710077；3. 東方電氣風電有限公司 四川德陽618000)

0 引 言

隨著人們對于清潔能源的重視，風力發電機產業近年來的發展十分迅速。風力發電機組的安全運行也越來越受重視。雷電這一自然現象對風力發電機組安全運行帶來極大威脅，風力發電機組的雷電防護技術是近年來的研究熱點之一。

多年來的運行經驗和研究成果表明，風電機組遭受雷擊的風險不容忽視，旋轉的風機葉片易產生上行雷電先導[1]。在葉片中預埋接閃器是目前廣泛應用的一種雷電防護技術。預埋接閃器只要在雷擊時不因電弧灼燒發生嚴重的破壞、雷電流可以安全通過導電構件導入地下，那么葉片就可以得到良好防護[2]。

然而，隨著海上風電產業的迅速發展，金屬接閃器的大氣腐蝕成為目前的難題之一。羅莎莎等[3]的研究表明，純銅接閃器經歷 720h的中性鹽霧試驗后表面腐蝕嚴重，大面積區域已無法測出電阻。這一問題主要是因為接閃器為金屬物，暴露在大氣環境中受氧氣、水分、污染物等影響，在表面形成了氧化物或金屬鹽，導電性能發生變化[4]。對于接閃器表面大氣腐蝕后雷擊損傷程度的變化，目前鮮有研究。

本文建立接閃器腐蝕前后的雷電流傳導模型，通過電、熱耦合的多物理場仿真，研究接閃器腐蝕前后的雷擊損傷變化及其機理，為后續海上風電接閃器的防雷設計和防腐蝕設計提供參考。

1 模型設計和仿真參數設置

1.1 模型設計

本文選取φ40的鋁接閃器進行研究。如圖 1所示，雷電流的注入點選擇為接閃器表面正中心，雷電流從接閃器底部流出。

圖1 接閃器腐蝕前后的雷電流傳導模型Fig.1 Lightning current conduction model before and after corrosion of air-termination system

將接閃器的上表面設定為腐蝕產物層。有研究表明，鋁合金材料戶外腐蝕 10年的當量腐蝕深度為43.80μm[5]。模型的腐蝕產物厚度參考此結果的數量級，設置為1、20、50、100、200、500μm。

1.2 材料設置

本研究仿真時用到的材料參數有電導率、介電常數、導熱系數、比熱容和密度。接閃器和腐蝕產物層的材料屬性如表1所示。

表1 材料參數設置Tab.1 Material parameters

由于腐蝕層的厚度極薄，在雷電流注入時會被擊穿。為簡化模擬擊穿過程，將腐蝕產物層的電導率設置為隨電場強度變化的階躍函數。假設腐蝕產物層的擊穿場強為 10kV/mm，當局部場強高于擊穿場強后，該網格節點處的電導率參數值會階躍升高。本文假設被擊穿后的腐蝕產物層變為良導體，其擊穿后電導率升高至3×107S/m(式1)。

1.3 物理場設置

本文所用的雷電流激勵按 IEC雷電防護標準中的波形[6]：

其中：I＝200kA，k＝0.93，T1＝19μs，T2＝485μs。

接閃器上表面中心為電流注入點，底部接地，代表電流流出。接閃器外表面的電學邊界設置為電絕緣，外表面傳熱系數設置為 10W/(m2·K)，以代表接閃器與周圍物質的熱交換。

1.4 電熱耦合方程

本文計算在雷電流激勵下0～500μs內的電流分布和溫度分布。

傳導電流和感應電流分布按麥克斯韋方程組計算如下：

其中：A為磁矢勢，Je為外加電流密度。

接閃器雷擊過程中的熱能量主要來自于電磁損耗，其表達式為：

溫度分布按照固體傳熱能量守恒方程和傅里葉定律計算：

同時，由于溫度的升高，接閃器鋁材質的導電特性也會變化，假設其電阻變化規律符合線性，則電導率與溫度的關系如下式：

其中：Tref為電導率參考溫度，等于 25℃；σ0為鋁材質 25℃時的電導率，見表 1；α 為電阻率溫度系數，等于0.004291/K。

2 仿真結果與分析

2.1 雷擊后接閃器溫度分布

未腐蝕的接閃器和表面覆蓋有不同厚度腐蝕產物的接閃器，注入雷電流分量后的溫度分布見圖 2，遭受雷擊后的最高溫度值見圖3和圖4。

圖2 鋁材質接閃器雷擊后溫度分布Fig.2 Temperature distribution in aluminium air-termination system after lightning strike

圖3 鋁材質接閃器雷擊后最高溫度隨時間變化Fig.3 Change of maximum temperature with time after lightning strike of aluminum air-termination system

圖4 鋁材質接閃器雷擊后最高溫度(t＝500μs)Fig.4 Maximum temperature of aluminum air-termination system after lightning strike(t＝500 μs)

由圖2可知，無論接閃器表面是否覆蓋有腐蝕產物，雷電流流過接閃器時，高溫區域集中于注入點附近。覆蓋有腐蝕產物時，接閃器表面高溫區域分布與未腐蝕時的溫度分布接近。接閃器底部為雷電流流出點，由仿真結果可見流出點附近的溫度較低，說明通流面積對于雷擊損傷的影響十分明顯，即局部電流密度的大小對于雷擊后的溫升影響較大。由仿真結果可以推斷，當防雷系統引線下面積大于或等于本模型中接閃器底面積時，引線下具備良好的同流能力。

由圖3可知，未腐蝕和腐蝕后的接閃器內部最高溫度隨雷電流注入時間增加而不斷增高。雷電流波形在 32μs左右達到峰值，之后逐漸降低，接閃器內部最高溫度也因雷電流能量的逐漸降低而趨于平穩。由于雷電流注入時間段遠小于達到熱平衡所需的時間段，在雷電流注入期間接閃器內部最高溫度沒有減小的趨勢。由溫度曲線可知，接閃器各類工況在43～57μs以后，最高溫度超過鋁材質熔點660℃，有可能出現燒蝕。

由圖 4可知，無腐蝕和腐蝕產物層厚度在 1～200μm 時，接閃器雷擊后鋁材質區域最高溫度較為接近。腐蝕產物層厚度在 500μm 時，接閃器內部最高溫度有一定程度降低。由于損傷區域的大小與損傷區域最高溫度呈正相關，由圖還可知，腐蝕產物層由 1μm增大到 50μm時雷擊損傷程度逐漸嚴重，腐蝕產物層由50μm增大到500μm時雷擊損傷程度有所減輕。

2.2 雷擊過程中電磁損耗隨時間變化

接閃器雷擊主要來自于電磁損耗產生的焦耳熱。圖5為腐蝕產物厚度為20μm情況下，接閃器表面腐蝕參數內的電磁損耗密度最大值和鋁材質內部電磁損耗密度最大值隨時間變化曲線。由圖可知，腐蝕產物層內部電磁損耗功率在10μs以內比鋁材質內部的電磁損耗功率高出3個數量級以上，在腐蝕產物層擊穿后，其電磁損耗功率最高值趨于穩定，與鋁材質內的電磁損耗功率最高值較為接近。

由于接閃器上表面的面積較大，雷電流注入后因趨膚效應會使電流路徑發生彎曲，而電流路徑的彎曲處往往成為電流密度和電場強度極值點，因此金屬內部電磁功率的極大值略大于腐蝕產物層內部的電磁功率極大值。

圖5 腐蝕產物厚度為 20μm時，鋁材質內部和腐蝕產物內部的電磁損耗對比(對數坐標)Fig.5 Comparison of electromagnetic losses in aluminum and corrosion products at 20μm thickness of corrosion products

圖6和圖7為不同腐蝕產物厚度下，腐蝕產物內部和接閃器鋁材質內部電磁損耗密度最高值隨之變化關系。可見腐蝕產物層厚度增加時，腐蝕產物內部電磁損耗密度最高值隨之增大，鋁材質內部電磁損耗密度最高值隨之減小。這是因為本仿真中未考慮擊穿或燒蝕過程中的能量釋放與轉移，而注入的雷電流波形相同，所以根據能量守恒原則，腐蝕層內部能量增加時接閃器內部能量會相應減小，故腐蝕產物層內電磁功率密度隨厚度變化關系與接閃器鋁材質內部功率密度呈現相反的趨勢。

圖6 不同腐蝕產物厚度下，腐蝕產物內部電磁損耗隨時間變化關系Fig.6 Change of electromagnetic losses in corrosion products with time under different corrosion product thicknesses

圖7 不同腐蝕產物厚度下，接閃器鋁材質區域內部電磁損耗隨時間變化關系Fig.7 Change of electromagnetic loss in aluminum material area of air-termination system with time under different corrosion product thicknesses

2.3 不同厚度腐蝕產物層注入雷電流后的擊穿半徑

圖 8為腐蝕產物層被擊穿后擊穿區域半徑隨時間變化曲線。由圖可以看出，腐蝕產物擊穿后，擊穿區域半徑迅速達到穩定，且腐蝕產物層厚度越厚，擊穿半徑越大。腐蝕產物厚度達到 500μm 時，接閃器表面最高溫度有一定降低。這是因為腐蝕產物層厚度增加時，腐蝕產物層被擊穿后形成的電流通流直徑增加，令注入點處的電流密度降低。由于本文中沒有考慮腐蝕產物層被擊穿時的能量釋放，擊穿點處電流密度降低會導致溫度極值降低，故仿真結果中，接閃器內部雷擊時最高溫度并沒有隨腐蝕層厚度增加而明顯提高。如果要獲得更精確的溫度分布結果，需要用數學語言描述出腐蝕層被擊穿時的能量釋放。

圖8 腐蝕產物層擊穿路徑半徑隨時間變化關系Fig.8 Change of breakdown path radius of corrosion product layer with time

3 結 論

①接閃器注入雷電流 A分量后，損傷區域集中于注入點附近。表面覆蓋有腐蝕產物層后，損傷區域大小未有明顯改變。

②腐蝕產物覆蓋厚度在 100～200μm 以內時，雷擊損傷嚴重程度略大于未腐蝕狀態。腐蝕產物覆蓋厚度為 500μm 時，雷擊損傷嚴重程度略小于未腐蝕狀態。

③腐蝕產物在雷擊過程中會積聚較高的能量密度，在后續研究中應考慮腐蝕產物層被擊穿時的能量釋放與轉移。