风力发电机组的叶片防雷

1 叶片结构

现代风力发电机组叶片都是由复合材料制成的大型中空结构，如玻璃纤维增强复合材料GRP（也称玻璃钢）、木材、复合木板和碳纤维增强塑料（CRP）。碳纤维增强塑料（CRP）一般用于加强叶片结构或特殊元件如带叶尖制动器（叶尖失速制动装置）的叶片变桨轴，有些部分和个别零件如法兰、平衡块、铰链、轴承、导线、电线、弹簧和夹紧装置是金属部件。有些观点认为雷电不会击在绝缘材料制成的叶片上，但实践经验清楚地表明情况不是这样。事实上，雷电会击在没有任何金属材料的叶片上，任何时候电弧对叶片内部的损害都是严重的。

通常叶片的表面是由片状玻璃纤维或其他复合材料沿着前后缘胶合而制成的，叶片的内部承载结构也是由玻璃纤维制成的。在叶片内部，叶片复合材料层间存在大量空隙，并沿着整个叶片长度分布。

根据控制和制动方式的不同，分为几种典型的叶片。图1所示四种主要叶片类型。

图1

A型叶片将前缘外部的一个阻力板（副翼）用于制动。对于A型叶片，常常发现雷击点在钢折板的铰接处，造成严重的损害，因为用来操作折板的钢线通常没有足够的能力传递雷电流。

B型叶片上有一个由弹簧维持的被动式叶尖制动器，叶片超速时在叶尖制动器离心力的作用下，脱开叶尖并旋转至刹车位置。B型叶片的雷击点主要发生在距叶尖点几十厘米处，或在变桨轴最外端的表面。从雷击点开始，雷电弧在叶尖刹车最外端的内部形成，从轴的另一端沿着主叶片传递到叶片根部的安装法兰。这种内部电弧会对叶片造成灾难性的破坏。A型和B型叶片通常用于100kW以下的老式风力发电机组。

C型叶片是一种现代化的叶片，它有一由钢线控制的叶尖刹车。C型叶片的雷击点主要发生在距叶片端点几十厘米处，或在变桨轴最外端的表面。与B型叶片对比，由于雷击而在雷击点和轴最外端形成的电弧会使C型叶片的损坏更严重。当钢线不能传递雷电流时，通常可以见到雷击对C型叶片主体的损害。17m长的叶片，传递雷电流的钢线最小直径为10mm或12mm。这种钢线能传递大部分的雷电流，因此能保护叶片免受雷击损坏（材料的尺寸详见7.5）。

D型叶片完全由非导体材料制成。其他型式的叶片的雷击点大部分是在靠近叶尖的地方，而D型叶片的雷击点则是随意地沿着叶片的长度分布。

雷击非导体叶片的事实，至少部分可解释为由污染和水造成叶片某些时候导电。高电压试验室试验证明，电弧会出现在喷酒了盐水的非导体叶片上，这时叶片就如金属材料一样。另一种解释是叶片正好处于雷击风力发电机组的通道上。此外，众所周知，电荷沿着表面运动比通过空气运动要容易得多。无论如何，实际经验表明严重的雷击非导体叶片（D型）是普遍存在的。

2 叶片损坏机制

雷击点出现的典型损坏是叶片表面复合材料的开裂和灰化，以及雷击点的金属部件烧毁或熔化。

可是，当雷电在叶片内部形成电弧时，风力发电机组叶片的损坏最为严重，空气中的电弧会存在于叶片内的空洞和叶片表面，另一种揭坏是雷电流或部分雷电流传人或传到复合材料层之间时，因为层间有些潮气，内部电弧加热潮气引起压力冲击使叶片爆裂或使叶片表面沿着前后缘和叶片承载梁处撕裂损坏。破坏程度小至叶片表面发生裂纹，大到叶片完全碎裂。有时，受雷击的叶片会通过轮毂将压力波传到其他的叶片上而引起损坏。

在叶尖雷击点和导体部件之间常会形成内部电弧。C型叶片的损坏常局限在叶尖部分，而叶片主体保持完好。当叶片主体内部形成电弧时，常可看见C型叶片主体的损坏。在控制叶尖刹车的钢线没有足够的截面积将雷电流从轴尖传递到轮毂时，经常会发生叶片主体损坏的情况。对于A型叶片来说，叶片就会完全毁坏。

因此，导致风力发电机组叶片严重损坏的现象是叶片内部的雷电弧周围形成了压力冲击波。当雷电弧在叶片外表面形成或当传递雷电流的金属部件的截面积足够大时，风力发电机组叶片的损坏会比较小。

3 各种风力发电机组叶片防雷

3.1 典型问题

风力发电机组叶片雷电防护的典型问题是将雷电流安全地从雷击点传导到轮毂上，只有这种方式才能避免叶片内部形成雷电弧。方法是通过使用固定在叶片表面或叶片内部的金属导体将雷电流从雷击点引到叶根。另一种方法是在叶片表面材料本身加传导材料，这样使叶片有足够的传导能力将雷电流安全传递到叶根。各种方法的组合均可用于风力发电机组叶片（见图2）。

图2

3.2 叶片表面或嵌入叶片表面的接闪器

叶片表面用作接闪器或引下线的金属避雷带必须有足够的横截面承受直接雷击并传递全部的雷电流。此外，避雷带需有一定的尺寸以便可靠地固定在叶片表面。铝的最小截面为50mm²，要可靠地固定这些存有疑虑的避雷带。而且，安装在叶片表面上的避雷带可能会影响叶片的空气动力学特性或者会产生令人不快的噪音。

一般用铝或铜的线状或网状避雷带，做成嵌入叶片的避雷带。在文献中，描述了几种防护系统，其中有用与叶根连接的金属导线放置在沿叶片后缘表面或嵌入后缘。有些叶片的金避雷线配置在叶片的前缘和后缘（C型），此外，有些将金属避雷带放置在环绕着叶片表面的几个部位，它们都与布置在叶片边缘的导线相连。

3.3 粘贴金属箔和分段式避雷带

在几个研究项目中使用了固定在叶片表面的粘贴铝箔，但是，这种粘贴铝箔在几个月内会脱落。如果叶片表面的金属箔的固定问题能解决的话，金属箔有可能是一个有益的保护方法，尤其是对现存的没有防护措施的叶片。可是，应该注意，强大的压力波同时会将闪电引导到接近叶片表面，这会导致结构上的损坏。

最近已经完成了一些有意义的分段式避雷带实验。有些分段式避雷带用于飞机雷达天线罩，因为它们不会干扰雷达信号。可是，还没有任何关于分段式避雷带用于风力发电机组叶片的报告。

金属箔和分段式避雷带有可能作为雷击后需要更换的一次性防护品。

3.4 内部引下线

用避雷线固定在叶片表面的解决方案不得不将避雷线固定在叶片内部。固定避雷线的金属夹具穿过叶片表面，可作为独立的雷电截收装置。这种防护系统用在飞机上。

目前，在制造用于多叶片的雷电防护系统时，将雷电截收装置配置在叶尖处（A型和B型叶片）。一条内部引下线将雷电流从叶尖处的截收装置引导到叶片根部。如果叶片带尖闸，控制叶尖的钢线也可用作引下线（A型叶片），如果叶片不带尖闸，则可将沿内部加强筋固定的铜丝作引为下线（B型叶片）。

在最近几年中，生产了几千片带有这种防雷保护系统的叶片。早期的经验表明:这种防雷保护系统对于20m左右的叶片效果较好。可是，没有看到那时的足够的出版物介绍较长叶片的经验。

3.5 表面传导材料

将接闪器固定在叶片表面使叶片表面导电，在飞机制造业中，机翼用玻璃纤维和碳纤维复合材料制成，在机翼和飞机表面等暴露在雷电中的部位加传导材料，以减小雷击点附近的损害面积。传导材料可能是喷涂在表面上的金属、复合材料最外层的金涂层、嵌入复合材料外层的金属丝，或配在复合材料表面下方的金属网。风力发电机组叶片的雷电防护措施是在叶片表面涂漆层下沿着叶片的侧面配置金属网（图18之D）。有时叶片的尖端用金属制成或包裹一层金属片。

4 叶片接闪器拦截效率

对于固定在叶片表面不连续的接闪器，要考虑拦截效率。在叶片表面布置实心导体、分段式避雷器和不连续的接闪器时，应使叶片表面没有防护的部分遭受雷击的可能性降到可以接受的水平。

当沿叶片表面的闪络电压低于叶片外表面的击穿电压时，给定拦截效率的分段式接闪器各段的间隔距离，理论上等于实心导体的间隔距离。实际上，由于复合材料的种类不同及老化，材质将产生变化，以及叶片的裂纹、潮湿和污染，叶片外表面的击穿电压和表面闪络电压都难以确定。此外，分段式避雷器和不连续接闪器的拦截效率会受到叶片内部的传导材料的影响。例如，飞机雷达天线罩导线固定在叶片表面，间距为30cm~60cm，可是，由于飞机雷达天线偶然也被雷击穿，所以拦截效率不是100%。

由于机械的原因，固定在雷达天线罩内部的导线每隔15m要用扣件固定，扣件伸到外面可当接闪器使用。

对于长度20m以下的叶片，叶尖一个接闪器就足够了。对于较长的叶片，有必要安装不少于一个接闪器以获得理想的拦截效率。实际经验和进一步的研究表明，带有接闪器的风力发电机组叶片应长于20m。

5 材料尺寸

用于防雷的风力发电机组叶片的材料应能承受雷电流引起的电应力、热应力和电动力。用于接闪器和引下线的材料最小尺寸见表1（参考GB/T21714.3）。

表1

6 叶片与轮毂的连接

在叶片根部，引下线系统通常终接在叶片法兰上或轮毂上。如果叶片的桨距是可调的（D型叶片），雷电流既可以从桨距轴承不加控制的通过，也可以从轴承的一些搭接，如有充分空隙可以保证轴承运转的滑套或连接软线通过。过轴承的连接软线要与叶片的引

下线的最里面的部分相连。带叶尖刹车的叶片（C型叶片），控制钢线的液压系统必须进行防护。闪络会从拉杆传到缸体而使标准液压缸损坏。通常，液压缸的雷电防护是通过柔性有足够间距的连接带来转移雷电流。还有一种方法是利用滑动空气间隙结构。

一定要注意减小这种连接带的张弛度，因为连接带松弛部分两端的感应电压降会变得很高而影响液压缸的防护。

7 碳纤维增强塑料（CRP）

碳纤维增强塑料（CRP）广泛应用于变浆轴上，有时用于加固叶片。由于叶片将越来越大，预计CRP的用途也会增加。

CRP材料的传导性完全取决于纤维的方向性。虽然碳纤维是导电的，但碳纤维层固定在基质上，CRP材料的导电率大约比铝低1000倍。因此，CRP传导电流的电阻热非常高，当温度大约为200℃时基质蒸发，材料气化。蒸发气体的压力会引起CRP材料断裂和材料分层。尤其是在雷击点，CRP材料甚至会烧坏。

使用CRP材料的飞机，对有可能遭雷击或可能传导雷电流的CRP元件要强制采取防雷措施。

一些案例表明，采用CRP的风力发电机组叶尖变桨轴被雷电损坏，一些实验室也证实了CRP轴能传导雷电流。对CRP叶片表面的试验证明雷击点会造成叶片分层和灰化。

应当将CRP材料视作为导体，因此，应在CRP材料和其他传导部件之间进行适当的搭接。尺寸大的CRP部件可以安全地传递雷电流。因为没有足够的合适的资料说明CRP传递雷电流的能力，尤其是没有专门用于风力发电机组叶片的CRP材料的资料，所以还需要进一步的研究。

8 叶片内置线路

固定在叶片上或叶片内部的传感器导线应通过适当的方式与引下线作等电位连接。导线可以是屏蔽电缆也可以敷设在金属管内，屏蔽电缆或金属管应尽可能接近引下线系统并与之连接。