机找术 碳纤维主梁风电叶片防雷系统的仿真和试验研究 碳纤维主梁风电叶片防雷系统的仿真和试验研究 邓航1姚威²肖琼1冯学斌1凡盛1 (1.株洲时代新材料科技股份有限公司；2.爱邦雷电与电磁环境实验室) 摘要：随着风力机装机容量的增加，风力机叶片越来越长也越来越重，要同时满足强度与刚度的要求，最有效的办 法是采用碳纤叶片。碳纤维材料自身具有导电性，非常容易引雷而导致叶片发生重大损伤，必须开发出一套专门应用 于碳纤维叶片的防雷系统。以某型号风电叶片为研究对象，在理论计算的基础上，通过采用铜网+接闪器组合的方式来 提升防雷效果。通过雷电数值仿真和直接雷击试验等方式对防雷设计进行验证。仿真和试验结果表明：该防雷设计可 有效引接雷电并保护碳纤维主梁结构，具有良好的防雷效果。 关键词：碳纤维；风电叶片；防雷设计；数值仿真；试验 中图分类号：TK83;TB332 文章编号：1006-8155-(2023)02-0018-07 文献标志码：A DOl:10.16492/j.fjs.2023.02.0004 Simulation and Experimental Researches on Lightning Protection System of Wind Turbine Blades with Carbon Fiber Spar Hang Deng1 Wei Yao? Qiong Xiao1* Xue-bin Feng' Sheng Fan (1.ZhuZhou Times New Material Technology Co., Ltd.; 2. Lightning and Electromagnetic Environmental Laboratory of Xi' an Airborne Electromagnetic Technology Co., Ltd.) Abstract: With the installed capacity increase of wind turbine, the blade becomes longer and heavier. To reach the re- quirements of both strength and stiffness, the most effective method is to apply carbon fiber blade. Due to the conductivity of carbon fiber, it is very easy to lead to blade damage from triggered lightning. A set of specific lightning protection system applied to carbon fiber blades should be developed. A certain type of wind turbine blade is taken as the research object, based on the theoretical calculation, the lightning protection effect is improved by adopting the combination of copper mesh and lightning accepter. The lightning protection design is verified by lightning numerical simulation and direct lightning stroke test. The simulation and tes results show that the lightning protection design can effectively lead to lightning and protect the structure of carbon fiber spar and get good lightning protection effect which has significant practical value. Keywords: Carbon Fiber; Wind Turbine Blade;Lightning Protection Design; Simulation; Experiment 0引言 发电受到越来越多的重视。我国风电快速发展，已成为 世界第一风电大国，在2020年全国风电并网装机容量达到 风能作为世界上重要的可再生能源之一，使得风力机 2.1亿千瓦，风力发电量占比全国总发电量的6%]。随着 *基金项目：国家重点研发计划资助(2019YFB1503701) 风力发电技术的不断进步和材料性能的不断提升，风力发 *通讯作者：肖琼，[email protected] 电机组的大型化与轻量化成为风力机优化的新方向3。风 :18: 第65卷，2023年第2期 凡机技术 Http:/turbojour.cftn.cn Vol.65, 2023,No.2 电叶片作为风力发电机组的捕风关键部件，整个机组价值 了第二对叶身接闪器。在1.5~65.5m设置了铜网，碳纤维 最高的部件（约占整机成本的20%~35%），直接决定着风 主梁宽度480mm，铜网宽度520mm，铜网全部覆盖住碳纤 力发电机组的性能、成本和可靠性。随着风电机组单机 维主梁区域。如图3所示，铝叶尖的内置后端采用光滑圆 容量的增大，叶片长度需要增加，而叶片质量通常与叶片 弧设计，可有效降低叶尖后部的尖端放电风险，同时采用 长度的三次方成正比。为使风电叶片在运行过程中叶尖 聚氨酯进行注塑包裹，能起到良好的绝缘作用。如图4所 不触碰塔架，发挥高效的发电效率，轻质高刚度成为大型 示，支导线和主导线的夹角设计为30°。叶身接闪器截面 风电叶片对材料提出的新要求[7-8]。目前叶片大量使用的 内的总弦长为1000mm，考虑到叶片在运转过程中先导扫 玻璃钢复合材料是玻璃纤维增强复合材料9，而碳纤维的 略，接闪器布置在距离后缘200mm处。支导线和主导线连 密度比玻璃纤维的密度小约30%，强度高40%左右，模量 接采用并线夹压接的方式，并在连接处采用聚氨酯注塑绝 高3~8倍，大型叶片主梁结构采用碳纤维增强材料正好充 缘处理，可以防止在高电压作用下，连接处的电场发生畸 分发挥其高模量、小质量的优点"。风力机的工作环境复 变使叶片内部引雷。与传统防雷系统相比，碳纤维主梁叶 杂，安装于空旷地形条件下的风力发电机组叶片处于机 片雷电防护系统具有以下特点：1)采用铜网保护碳纤维主 组的最高位置，是最容易受雷击的部件2)，而且碳纤维相比 梁，采用接闪器+铝叶尖保护叶尖玻璃钢部分；2)叶尖接闪 玻璃纤维具有导电性，更容易遭受雷击。碳纤维导电能力 器的内置后端采用光滑圆弧设计；3)所有叶片内部的裸露 约为铝的千分之一，在遭雷击后不能迅速的将雷电泄放， 金属均采取注塑绝缘保护。 会产生更为严重的损坏,维修成本巨大。刘家军等研究 接闪器2 碳纤维主梁 接闪器1 引下线 铜网玻纤大梁 了碳纤维复合材料的导电特性，对碳纤维复合材料的动态 3.5m 十1.5m 伏安特性进行了测量4。付尚琛等研究了用于飞机和船舰 1.5m 64m 铝叶尖接闪器 的碳纤维材料不同电导率涂层的雷击防护效果，并试验证 76m 明铜网涂层对碳纤维材料具有显著的雷电防护效果5]。孙 图2叶片防雷系统组成 普茹等则研究了碳纤维增强树脂基复合材料层合板在多 Fig. 2Composition of blade lightning protection system 重雷击下的损伤效应[6]。 铝叶尖 采用碳纤维材料的叶片需要对其雷电防护进行专门 分析和特定设计，到叶片正常运转阶段，就可大幅减少雷 击事故的发生，降低风力机的维修成本和停机损失。本文 以株洲时代新材公司某型号的叶片为模型，综合考虑直击 雷与雷电电磁脉冲效应的防护，根据碳纤维主梁叶片的结 构特性，研究组合使用铜网防雷系统和接闪器的防雷系 聚氨酯绝缘层 统，并采用仿真和试验相结合的方法，实现了碳纤维主梁 图3叶尖接闪器的设计 叶片综合雷电防护的优化设计和试验验证。 Fig. 3 The design of tip receptor 碳纤维主梁叶片防雷系统设计 接闪器2 接闪器1 采用并线夹压接,并注塑绝缘处理 碳纤维主梁叶片由碳纤维主梁、玻纤主梁、玻纤腹板 和玻纤壳体等组成，如图1所示。叶片总长76m，其中，碳 纤维主梁铺设从1.5~65m（长度63.5m），玻纤铺设主梁从 图4导线分支处的绝缘设计 65~75m(长度10m)。 Fig. 4 Insulation design of conductor branches 玻纤壳体后缘玻纤腹板 2 碳纤维主梁叶片在雷电作用下的仿真 前缘玻纤腹板碳纤维大梁 玻纤大梁 玻纤或者碳纤叶片的雷击损坏是包括耦合了电、磁 1.5m 63.5m 10m 机械力和传热的综合过程，仿真重点考虑雷击时的电压分 76m 布，电-热及其耦合反应，对叶片电场分布，复合材料及防 雷系统的破坏机制进行仿真分析，以获得雷击电压和雷击 图1叶片结构分布 电流对复合材料及防雷系统的影响[17-18]。 Fig. 1 Blade structure distribution 2.1仿真模型的建立 该叶片的防雷设计如图2所示，由铝叶尖接闪器、叶身 根据叶片防雷系统设计，材料和结构划分为以下5部