周铭：碳纤维叶片防雷系统设计

 

周铭：大家好！我是POLYTECH的技术周铭，今天很荣幸和大家分享碳纤维叶片防雷设计的议题。

（PPT图示）雷击趋势方面，目前风机的尺寸和高度日益增长，风机更多位于海上及更偏远的地区，这会直接导致风机更容易遭受到雷击，现在由于全球变暖的问题，雷击越来越多，根据2016年的统计报告，全球气温每升高一度雷击会多发生11%，这会导致会有更多直接或者潜在的雷击风险及雷击造成的损伤，防雷系统有不足，同时停机和维修的成本也会逐渐增加。

（PPT图示）雷电环境，对于风机来说，现在风机越来越高，意味着雷电会越来越多打到风机上，更大的风机意味着更多的停机成本，更远的风场更高的维修成本。根据1998年的防雷标准来说，雷电损伤已经成为最多停机和最高维修成本的原因，保险公司的公开文件中也有这样的声明承认雷电损伤的原因。对于现在来说，雷电损伤和前缘腐蚀依旧是风机最多停机时间和维修的原因，我们要评估环境，承认影响，在实际设计和运营中主动采取措施。

以欧洲海上为例，现在主要的风机已经是8到10的兆瓦，在风机成本是10%到15%，海上对于陆上不同的是，海上的成本高很多，海上的天气有一些不可预测性，所以停机时间可能有增长。而8到10兆瓦停机一天的损失可能在18000到20000欧元的水平。

雷电属于不可抗力，如果雷击打到叶片上它们会受到损伤，保险公司或者整机厂商负责维修的费用。老的2010年的防雷标准中通过与不通过测试只是提供一个信息，并没有做强制性的要求。而在2019年新的防雷标准中，已经将两个大电流的测试作为强制性要求。同时标准中建议，雷击需要一个驱动风机设计和运行的参数。雷电的风险评估应该成为风场的微观选址的部分，还要建议在风机上安装雷电监测系统，通过结合当地雷击情况，结合风机防雷系统的测试表现定制比较好的科学的监测和保养风机的计划。

（PPT图示）2010年防雷标准，那时候防雷系统只要能够承受最高等级的雷电流，对叶片不造成结构性损伤就可以了。雷击损伤能够让风机持续运营一直到下一次例行维护和检测范围之内即可。在新的标准中，对这些做了改进。在标准中要求雷击环境有文件的记录，写到设计文件中。还有四个雷电测试，在附录D中有纪录，是强制性测试。还有一些易损件有一些要求，易损件通过大电流测试后要结合当地雷击的情况定制维修和保养的间隔。

以上是背景知识。

关于碳纤维防雷系统的设计的流程。对于叶片或者所有的防雷系统原则只有两个，一是保证雷击在正确的位置，二是将雷电流安全导向地面。如何做到这两点？首先，如何让雷击击到正确的位置，这时候需要设计一个接闪器，让雷故意打击这个位置，在接闪器之间做绝缘线条做绝缘设计，这样可以让电场主要产生在接闪器位置上，更容易让雷击打中接闪器，最后要合理布置接闪器，接闪器布置在叶片上哪一个问题需要详细进行设计，接闪器和接闪器需要有一个绝缘协作，做良好的绝缘。

如何将雷电流安全地导向地面？这时候对引下线做设计，对于碳纤维讲，引下线设计比玻纤复杂很多。总体来说，引下线首先要确保足够电流路径，通过连接，绝缘和分离控制电流路径，让其能够在每个导体上足以承受雷电。设计完之后需要进行测试验证每一个导体的电流传导能力是足够的。所有的都要建立在最后一点，即设计和设计生产、质量是一致的，这样才是完好的防雷系统。

（PPT图示）让雷电击中正确的位置，以上是比较成功的案例，当有雷击发生的时候，有数个上行先导，接通之后是一次雷击。上面的例子雷击发生在接闪器，这是比较成功的例子。下面的例子，在导线上也产生了上行先导，在雷击打中了导线上产生的先导，这是失败的例子，这样的雷击可能对叶片造成损伤。

在布置接闪器的时候需要考虑一系列的因素，我们可以做仿真，结合标准中的要求，再结合实际左下角美国、中国、日本一些雷击的数据收集，可以看到雷击都是集中发生在夜间前5米的位置，所以在前5米要良好地设计接闪器，结合其保护半径，防止好接闪器，对于碳纤维叶片来说，在夜间前5米尽量不要布置碳板，这在高危的位置可能遭受到雷击。

对于引下线来说，对于碳纤维叶片，碳纤维本身导电，所以R0过来之后，不仅在电缆上有雷电流，在碳板上也有雷电流，在各个位置做好好的分流和连接，将电流成功地导入到机舱上去，这就是比较成功的案例。而下面是失败的案例，黄色的部分可能产生了侧闪异常情况。在机舱中没有成功地将雷电流导入到机舱中去，没有进入机舱的接地系统，所以下面是失败的防雷演示。

对于碳板中雷电流，进行碳纤维叶片设计时需要做以下几步，首先测量碳纤维的导电性，当有雷电流过来之后计算电流和电压分布情况。通过协调绝缘控制电压分布，避免侧闪，即当有雷电过来后因为内部有电压差而产生内部闪电的情况。最后定义每个电流分布是否合理，定义测试规范验证电流传导对于每个导体来说是否能够承受。一种是中心以下线，接碳板的方法，现在常用的是右图，使用金属网对碳纤维进行分流和保护。

在进行电流和电压分布时，我们公司采用这种方法，即对叶片整体进行三维建模，对其进行网格化处理，2.5D的有限元将每个叶片截面分为小的截面要素，输入其电阻、电感、互电容，装备起来形成电路，将雷电流注入进去再看整个叶片的电流和电压分布的情况。

（PPT图示）假如只有一个引下线，对于碳板之间的等电流连接不做会发生什么情况？右边有电压差，电压差远大于虚线，即这之间的绝缘层玻璃钢的集成电压，对于这样的系统有巨大的侧闪的风险。我们得到仿真结果后需要对整个仿真系统进行改进，这里可以添加金属网，将金属网、引下线、碳板之间做等电位连接。现在右图电压差已经在200千伏范围内，电压差是低于玻璃钢板的电压差，所以测算风险非常小。

除了对整个碳板考虑电压差之外，还需要考虑碳板和碳板之间存在的电压差，可以考虑连接部分碳板，甚至增加一些连接件。我们推荐间隙层铺碳布等做连续连接的方法消除电压差。

（PPT图示）这是工作标准防雷系统的实例，夜间部分采用了聚氨酯整体灌注的方法，可以保证夜间最危险的部分接闪非常可靠。之后的部分有几种方法进行测接闪器的布置，包括直线式测接闪器，及分支式测接闪器。在金属网可以采用连接块的方法做连接，这套系统整体每个组件做过大电流的测试，可以作为标准化使用。

防雷系统设计完之后需要用4个测试，两个大电压，两个大电流，测试全部通过之后碳纤维的防雷系统已经完成了。如果采用我们公司POLYTECH产品，不需要使用大电流测试，我们已经测试过。

我们POLYTECH是丹麦公司，业务覆盖超过20个国家，我们前缘防护产品已经安装超过3万个叶片上，同时还有一些光纤传感器可以监测叶片的载荷、结冰状况和损伤状况，传感器安装超过了1.5万台。我们是一个材料专家，提供一站式的解决方案。大家如果会后对于防雷或者前缘防护及叶片监测有相关要求的话可以会后交流，谢谢大家！

（文章内容来自于现场速记，未经本人审核）