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摘 要：玻璃纤维复合材料叶片由于处于风力发电机组最高的位置，而本身具有电绝缘性，面临着严重的雷电威胁。本文基于实际风电场叶片运行中遇到的问题，依据IEC61400-24叶片雷击试验方法，开展叶片尖部雷电试验，获得不同雷电流等级、不同位置的叶片后缘雷击开裂特征，分析叶片开裂的过程，得出造成叶片后缘开裂的雷电流峰值临界值。
关键词：风力发电机组叶片;雷电试验;叶片雷击;雷电流临界值
中图分类号：TQ171.77 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0060-04
Abstract：The glass fiber composite blade is in the highest position of the wind turbine， and it has the electrical insulation，which is faced with the serious threat of lightning. In this paper，the lightning problem encountered in the actual wind power plant of blade is studied. According to the lightning test method of IEC61400-24， the blade tip lightning test was carried out to obtain the characteristics of lightning cracking on the trailing edge of the blade at different lightning current levels and different positions. Furthermore， the process of blade cracking was analyzed， and the critical value of lightning current peak which causes blade trailing edge cracking was obtained.
Key words：wind turbine blade;lightning test; lightning stroke on blade; critical value of lightning current
0 前言
雷电放电电压高达上百万伏，峰值电流幅值超过300kA，发电时间短至数百μs，放电过程表现出强大的冲击波、巨变电磁场、强烈的电磁辐射以及炽热的高温[1]，[2]。风力发电机组属于高大建筑物，本身容易遭受雷电侵害，而叶片处于风机的最高位置，面临着更加严重的雷电威胁，特别建设的山地区域的风场经常出现叶片雷电损伤事件[3]。爱邦电磁根据国内不同区域700多台风机的雷电损伤统计，叶片的每年雷击损伤率为8.2片/（100片·年）。叶片主要由玻璃纤维复合材料制作，具有很高的电绝缘性，当雷电击中叶片复合材料时常出现纤维碳化、分层、穿孔、结构开裂的问题。在叶片雷击损伤问题中，结构开裂的修复难度最高，造成的经济损失最大。这主要是因为叶片壳体之间采用结构胶粘接的方式固定，一旦叶片遭受雷击，在雷电多物理效应的作用下，叶片粘接区域易出现开裂，伴随着叶片的转动，开裂程度会不断增大，而叶片在空中无法进行大面积开裂区域修复。
目前，国内外对玻璃纤维叶片雷击损伤的研究主要集中在主材性能和防护方案的验证。比如闫江燕等对雷电电弧效应下夹层的损伤，并使用分子反应动力学手段进行定量研究，揭示PVC和巴塞木的不同损伤特性，同时通过对叶片进行大电流冲击试验，获得了多通道雷击电弧的动态演化过程，验证了不同引下线位置的损伤程度和150kA后缘位置引弧的损伤尺寸[5-6];文献[7]研究雷电流对复合材料的损伤，指出焦耳热能够对复合材料造成分层和树脂气化;郭子炘等对旋转状态下风机叶片雷击接闪进行了研究，指出负极性接闪不受风机旋转的影响[8]。这些研究揭示了叶片雷击的机理，使工程师对叶片雷击过程建立直观印象，促进了风机雷电防护技术的发展。但叶片实际运行中的雷击问题复杂多样，相对于叶片实际运行中遇到的工程问题，现有研究仍不够全面，特别是叶片雷击开裂问题还需进一步验证和总结。
本研究基于风场运行中数十kA雷电流造成叶片后缘开裂问题，依据IEC规定的叶片雷电试验方法，开展了叶片不同雷电流峰值、不同击穿区域的雷电流损伤试验实验室研究。
1 试验对象
叶片尖部是最容易雷电的部位，根据文献[9]的研究，叶片雷击附着点在尖部3m区域占比接近90%。本研究选取2MW风机叶片尖部3m区域选段，叶片前、后缘腹板均在距叶尖1m处截止，整个防雷系统采用金属柱作为接闪器，70mm2二类铝合金绞线作为引下线。试验件制作按照叶片生产流程，选用同一模具，叶片表面不进行喷漆处理，共制作3件。
2 试验方法
2.1 试验波形
试验根据IEC61400-24：2019附录D规定的电弧引入试验方法，本研究设计的多波形电流发生器能够够产生符合图1所示的冲击电流波形。试验原理如图2所示，考虑到雷电长冲击的电流幅值无变换，带来的雷电效应单一，不是造成叶片后缘开裂的主要原因，研究时仅进行10/350短冲击雷电流试验。实验时，采用半径25mm球电极，粘贴0.5mm的金属铜丝，模拟雷电电弧注入到叶片引下线。
2.2 试验布置及方案
试验时，将叶片使用绝缘支柱将试验件撑起，距离地面的高度大于1m，然后将引下线采用铜板压接进行可靠电气连接后。将冲击电流發生器的输出端连接至放电位置，试验件另一端接地串联接入设备接地回路，试验布置按照图3所示。 本研究主要开展电弧引入试验，电弧注入位置选取PS面距尖部0.5m的后缘侧，试验时人工开开直径3mm的孔，引入0.5mm的金属铜丝。考虑到实际安全性，最高按照IEC61400-24中Ⅱ级防雷等级进行试验，不同等级雷电流损伤测试方案如表1所示。
3 试验结果及讨论
3.1 不同雷电流等级的放电
本试验是假设防雷系统接闪失效前提下，雷电击穿壳体后在叶片内腔产生电弧，与引下线连接进行电荷释放。此试验为破坏性试验，且容易引起火灾，具有一定危险性，应做好安全防护。图4是试验放电的瞬间，但对于80kA以上雷电流电弧试验，放电产生的光热效性极强，无法采用高速相机捕捉到放电瞬间的现象。
3.2 不同雷电流等级的损伤
图5为不同电流等级雷电流试验叶片损伤情况。在20kA和50kA的试验之中，叶片未造成明显损伤，仅是表面玻璃钢受热后变色发黑;80kA雷电流试验时叶片后缘开裂长度约50cm，粘接结构胶保持完整、无碎裂，损伤特征为叶片PS面玻璃钢层间的分层;100kA的试验中叶片后缘开裂约110mm，粘接结构胶出现裂纹，开裂主要为PS面和结构胶粘接界面的剥离;150kA的试验后叶片后缘开裂长度达到220cm，结构胶碎裂并与壳体玻璃钢严重剥离。
3.3 不同位置的注入位置的损伤
通过不同雷电流损伤的情况，可以确定100kA雷电流引入试验能够造成叶片后缘开裂。为验证雷击位置的不同带来的影响，本研究对距叶片尖部2m处、PS面引下线上方进行100kA电弧注入试验，如图6所示。
图7是距尖部2m处引弧的试验后损伤情况，后缘开裂长度约120cm，开裂形式同样为PS面和结构胶粘接界面的剥离。图8是不同引弧位置的100kA试验后损伤对比，可以看出两次试验开裂长度相近及形状。这一现象是叶片前、后缘结构差异造成，前缘使用了内衬粘接法兰且进行外侧玻璃钢补强;叶片后缘由于空间局限，无法制作内衬粘接法兰，PS和SS面采用直接粘接，相对于前缘抗弦向冲击强度低。当雷电击穿叶片后，在内部闪弧时热效应造成强大的冲击力，叶片后缘出现开裂。
3.4 叶片雷击开裂的过程分析
通过试验测试发现，距离叶片尖部不同区域的雷电击穿，都会造成叶片后缘开裂，这主要是雷击多物理效应造成。长期的试验研究表明，雷电放电过程为流光过程。在电场的作用下，气体中的电子开始高速定向运动，碰撞中性分子后产生电离，形成成对正离子和电子。由于电场的作用，这些新产生的电子又产生更多的正离子和电子，从而形成电子雪崩使地快速增长，成为电子雪崩过程。电子雪崩过程是原子从低能态跃迁到高能态，形成激发态原子，腐蚀出高能光子，进行电磁传递。光子的能量使叶片内部体积迅速膨胀，瞬间产生气爆冲击力。
叶片自身材质为玻璃纤维增强材料，具有较好的弹性模量和抗冲击能力，但大雷电流峰值的雷电造成的物理效应已经超出叶片本身的承受能力。如同上文分析结果，叶片由于结构的特性决定了后缘粘接区域为相对薄弱区域，所以出现明显损伤。在80kA的试验中，叶片后缘开始出现开裂，而150kA的试验中结构胶碎裂、脱落，这主要是因为结构胶本身具有一定脆性，而雷电造成的物理效应随着雷电流峰值的增大而扩大，最终超过了结构胶机械性能的极限。在80kA试验损伤研究中，叶片开裂形式主要为玻璃纤维与结构粘接界面剥离，与100kA、150kA试验现象相比较，可以发现结构胶材料本身的强度大于粘接强度，玻璃钢和结构胶的粘接界面强度最弱。从叶片损伤情况也可反演遭受雷击的强度，一般出现结构胶开裂的损伤至少是超过100kA雷电流峰值，而叶片玻璃钢开裂的损伤一般是80kA左右的雷击强度。这一结论在叶片检查维护时可以作为参考指标，针对后缘结构发生开裂的叶片应进一步检查整个防雷系统的功能性以及接地电阻，及时解决存在的问题，保证防雷系统的有效性，消除风机运行安全隐患。
3.5 能量的转换和传递
按照能量守恒定律，雷击试验中的充电电能是最初输入的能量，造成开裂造成的机械能、热能以及回路中最终收集的电能是转换的能量。以20kA试验为例，同一试验件设置试验相同的充电参数，引弧注入与短路传导相比较，能比与电荷传递差异最大，而雷電流峰值的变化不大，数据对比见表2。由试验测试数据可以看出，电弧注入实验室能比下降75%。这主要因为电弧注入实验时部分能量以电能转化成了光能和热能进行了释放，整个回路终端收集到的电荷量和传递时间均减少。至于雷电流峰值的变化，由于减小数值小于一般雷电试验的公差范围，可以认为变换不大。
4 结论
本研究通过制作多个相同叶片试验尖部选段，开展雷电电弧引入试验，验证了不同雷电流峰值等级的叶片雷电击穿损失情况，得出了50kA以下的雷电击穿叶片壳体时，叶片腹板和粘接结构无明显损伤，在80kA左右的雷电流峰值时叶片将会发生后缘开裂，150kA左右时结构胶开裂的结论。
根据分析雷电击穿开裂的过程，叶片无论雷击位置距尖部多远，最终造成的结果均是后缘开裂，这主要是因为叶片前缘粘接结构不同造成。因此，可以考虑改变后缘的结构设计，来提升叶片抗雷击能力。
根据分析雷电传导中能量的传递和转换，整个雷击过程峰值电流变化不大，但最终电能呈衰减趋势，转化的能量占大多数。
参考文献
[1]陈渭民.雷电学原理（第二版） [M].北京：气象出版社，2006.
[2]郄秀书，张其林，袁铁， 等.雷电物理学[M].武汉：科学出版社，2013.
[3]IEC61400-24WindTurbines-Part24：LightningProtection[S].2019.
[4]闫江燕，张黎，李庆民，等.风机桨叶用PVC和巴塞木雷击电弧损伤的分子模拟研究[J].中国机电工程学报，2017，37（01）：292-301.
[5]闫江燕，马宇飞，于万水，等. 大型风机叶片雷击多通道电弧气爆损伤的实验[J].中国机电工程学报，2019，39（12）：3569-3578.
[6]OgasawaraT，HiranoY，YoshimuraA.Coupled thermal–electrical analysis for carbonfiber/epoxycomposites exposed to simulated lightning current[J].CompositesPartA：Applied Science and Manufacturing，2010.
[7]郭子炘，李庆民，于万水，等. 旋转状态下风机叶片雷击接闪特性的实验研究[J].中国机电工程学报，2018，38（16）： 4951-4959+4999.
关键词：风力发电机组叶片;雷电试验;叶片雷击;雷电流临界值
中图分类号：TQ171.77 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）04-0060-04
Abstract：The glass fiber composite blade is in the highest position of the wind turbine， and it has the electrical insulation，which is faced with the serious threat of lightning. In this paper，the lightning problem encountered in the actual wind power plant of blade is studied. According to the lightning test method of IEC61400-24， the blade tip lightning test was carried out to obtain the characteristics of lightning cracking on the trailing edge of the blade at different lightning current levels and different positions. Furthermore， the process of blade cracking was analyzed， and the critical value of lightning current peak which causes blade trailing edge cracking was obtained.
Key words：wind turbine blade;lightning test; lightning stroke on blade; critical value of lightning current
0 前言
雷电放电电压高达上百万伏，峰值电流幅值超过300kA，发电时间短至数百μs，放电过程表现出强大的冲击波、巨变电磁场、强烈的电磁辐射以及炽热的高温[1]，[2]。风力发电机组属于高大建筑物，本身容易遭受雷电侵害，而叶片处于风机的最高位置，面临着更加严重的雷电威胁，特别建设的山地区域的风场经常出现叶片雷电损伤事件[3]。爱邦电磁根据国内不同区域700多台风机的雷电损伤统计，叶片的每年雷击损伤率为8.2片/（100片·年）。叶片主要由玻璃纤维复合材料制作，具有很高的电绝缘性，当雷电击中叶片复合材料时常出现纤维碳化、分层、穿孔、结构开裂的问题。在叶片雷击损伤问题中，结构开裂的修复难度最高，造成的经济损失最大。这主要是因为叶片壳体之间采用结构胶粘接的方式固定，一旦叶片遭受雷击，在雷电多物理效应的作用下，叶片粘接区域易出现开裂，伴随着叶片的转动，开裂程度会不断增大，而叶片在空中无法进行大面积开裂区域修复。
目前，国内外对玻璃纤维叶片雷击损伤的研究主要集中在主材性能和防护方案的验证。比如闫江燕等对雷电电弧效应下夹层的损伤，并使用分子反应动力学手段进行定量研究，揭示PVC和巴塞木的不同损伤特性，同时通过对叶片进行大电流冲击试验，获得了多通道雷击电弧的动态演化过程，验证了不同引下线位置的损伤程度和150kA后缘位置引弧的损伤尺寸[5-6];文献[7]研究雷电流对复合材料的损伤，指出焦耳热能够对复合材料造成分层和树脂气化;郭子炘等对旋转状态下风机叶片雷击接闪进行了研究，指出负极性接闪不受风机旋转的影响[8]。这些研究揭示了叶片雷击的机理，使工程师对叶片雷击过程建立直观印象，促进了风机雷电防护技术的发展。但叶片实际运行中的雷击问题复杂多样，相对于叶片实际运行中遇到的工程问题，现有研究仍不够全面，特别是叶片雷击开裂问题还需进一步验证和总结。
本研究基于风场运行中数十kA雷电流造成叶片后缘开裂问题，依据IEC规定的叶片雷电试验方法，开展了叶片不同雷电流峰值、不同击穿区域的雷电流损伤试验实验室研究。
1 试验对象
叶片尖部是最容易雷电的部位，根据文献[9]的研究，叶片雷击附着点在尖部3m区域占比接近90%。本研究选取2MW风机叶片尖部3m区域选段，叶片前、后缘腹板均在距叶尖1m处截止，整个防雷系统采用金属柱作为接闪器，70mm2二类铝合金绞线作为引下线。试验件制作按照叶片生产流程，选用同一模具，叶片表面不进行喷漆处理，共制作3件。
2 试验方法
2.1 试验波形
试验根据IEC61400-24：2019附录D规定的电弧引入试验方法，本研究设计的多波形电流发生器能够够产生符合图1所示的冲击电流波形。试验原理如图2所示，考虑到雷电长冲击的电流幅值无变换，带来的雷电效应单一，不是造成叶片后缘开裂的主要原因，研究时仅进行10/350短冲击雷电流试验。实验时，采用半径25mm球电极，粘贴0.5mm的金属铜丝，模拟雷电电弧注入到叶片引下线。
2.2 试验布置及方案
试验时，将叶片使用绝缘支柱将试验件撑起，距离地面的高度大于1m，然后将引下线采用铜板压接进行可靠电气连接后。将冲击电流發生器的输出端连接至放电位置，试验件另一端接地串联接入设备接地回路，试验布置按照图3所示。 本研究主要开展电弧引入试验，电弧注入位置选取PS面距尖部0.5m的后缘侧，试验时人工开开直径3mm的孔，引入0.5mm的金属铜丝。考虑到实际安全性，最高按照IEC61400-24中Ⅱ级防雷等级进行试验，不同等级雷电流损伤测试方案如表1所示。
3 试验结果及讨论
3.1 不同雷电流等级的放电
本试验是假设防雷系统接闪失效前提下，雷电击穿壳体后在叶片内腔产生电弧，与引下线连接进行电荷释放。此试验为破坏性试验，且容易引起火灾，具有一定危险性，应做好安全防护。图4是试验放电的瞬间，但对于80kA以上雷电流电弧试验，放电产生的光热效性极强，无法采用高速相机捕捉到放电瞬间的现象。
3.2 不同雷电流等级的损伤
图5为不同电流等级雷电流试验叶片损伤情况。在20kA和50kA的试验之中，叶片未造成明显损伤，仅是表面玻璃钢受热后变色发黑;80kA雷电流试验时叶片后缘开裂长度约50cm，粘接结构胶保持完整、无碎裂，损伤特征为叶片PS面玻璃钢层间的分层;100kA的试验中叶片后缘开裂约110mm，粘接结构胶出现裂纹，开裂主要为PS面和结构胶粘接界面的剥离;150kA的试验后叶片后缘开裂长度达到220cm，结构胶碎裂并与壳体玻璃钢严重剥离。
3.3 不同位置的注入位置的损伤
通过不同雷电流损伤的情况，可以确定100kA雷电流引入试验能够造成叶片后缘开裂。为验证雷击位置的不同带来的影响，本研究对距叶片尖部2m处、PS面引下线上方进行100kA电弧注入试验，如图6所示。
图7是距尖部2m处引弧的试验后损伤情况，后缘开裂长度约120cm，开裂形式同样为PS面和结构胶粘接界面的剥离。图8是不同引弧位置的100kA试验后损伤对比，可以看出两次试验开裂长度相近及形状。这一现象是叶片前、后缘结构差异造成，前缘使用了内衬粘接法兰且进行外侧玻璃钢补强;叶片后缘由于空间局限，无法制作内衬粘接法兰，PS和SS面采用直接粘接，相对于前缘抗弦向冲击强度低。当雷电击穿叶片后，在内部闪弧时热效应造成强大的冲击力，叶片后缘出现开裂。
3.4 叶片雷击开裂的过程分析
通过试验测试发现，距离叶片尖部不同区域的雷电击穿，都会造成叶片后缘开裂，这主要是雷击多物理效应造成。长期的试验研究表明，雷电放电过程为流光过程。在电场的作用下，气体中的电子开始高速定向运动，碰撞中性分子后产生电离，形成成对正离子和电子。由于电场的作用，这些新产生的电子又产生更多的正离子和电子，从而形成电子雪崩使地快速增长，成为电子雪崩过程。电子雪崩过程是原子从低能态跃迁到高能态，形成激发态原子，腐蚀出高能光子，进行电磁传递。光子的能量使叶片内部体积迅速膨胀，瞬间产生气爆冲击力。
叶片自身材质为玻璃纤维增强材料，具有较好的弹性模量和抗冲击能力，但大雷电流峰值的雷电造成的物理效应已经超出叶片本身的承受能力。如同上文分析结果，叶片由于结构的特性决定了后缘粘接区域为相对薄弱区域，所以出现明显损伤。在80kA的试验中，叶片后缘开始出现开裂，而150kA的试验中结构胶碎裂、脱落，这主要是因为结构胶本身具有一定脆性，而雷电造成的物理效应随着雷电流峰值的增大而扩大，最终超过了结构胶机械性能的极限。在80kA试验损伤研究中，叶片开裂形式主要为玻璃纤维与结构粘接界面剥离，与100kA、150kA试验现象相比较，可以发现结构胶材料本身的强度大于粘接强度，玻璃钢和结构胶的粘接界面强度最弱。从叶片损伤情况也可反演遭受雷击的强度，一般出现结构胶开裂的损伤至少是超过100kA雷电流峰值，而叶片玻璃钢开裂的损伤一般是80kA左右的雷击强度。这一结论在叶片检查维护时可以作为参考指标，针对后缘结构发生开裂的叶片应进一步检查整个防雷系统的功能性以及接地电阻，及时解决存在的问题，保证防雷系统的有效性，消除风机运行安全隐患。
3.5 能量的转换和传递
按照能量守恒定律，雷击试验中的充电电能是最初输入的能量，造成开裂造成的机械能、热能以及回路中最终收集的电能是转换的能量。以20kA试验为例，同一试验件设置试验相同的充电参数，引弧注入与短路传导相比较，能比与电荷传递差异最大，而雷電流峰值的变化不大，数据对比见表2。由试验测试数据可以看出，电弧注入实验室能比下降75%。这主要因为电弧注入实验时部分能量以电能转化成了光能和热能进行了释放，整个回路终端收集到的电荷量和传递时间均减少。至于雷电流峰值的变化，由于减小数值小于一般雷电试验的公差范围，可以认为变换不大。
4 结论
本研究通过制作多个相同叶片试验尖部选段，开展雷电电弧引入试验，验证了不同雷电流峰值等级的叶片雷电击穿损失情况，得出了50kA以下的雷电击穿叶片壳体时，叶片腹板和粘接结构无明显损伤，在80kA左右的雷电流峰值时叶片将会发生后缘开裂，150kA左右时结构胶开裂的结论。
根据分析雷电击穿开裂的过程，叶片无论雷击位置距尖部多远，最终造成的结果均是后缘开裂，这主要是因为叶片前缘粘接结构不同造成。因此，可以考虑改变后缘的结构设计，来提升叶片抗雷击能力。
根据分析雷电传导中能量的传递和转换，整个雷击过程峰值电流变化不大，但最终电能呈衰减趋势，转化的能量占大多数。
参考文献
[1]陈渭民.雷电学原理（第二版） [M].北京：气象出版社，2006.
[2]郄秀书，张其林，袁铁， 等.雷电物理学[M].武汉：科学出版社，2013.
[3]IEC61400-24WindTurbines-Part24：LightningProtection[S].2019.
[4]闫江燕，张黎，李庆民，等.风机桨叶用PVC和巴塞木雷击电弧损伤的分子模拟研究[J].中国机电工程学报，2017，37（01）：292-301.
[5]闫江燕，马宇飞，于万水，等. 大型风机叶片雷击多通道电弧气爆损伤的实验[J].中国机电工程学报，2019，39（12）：3569-3578.
[6]OgasawaraT，HiranoY，YoshimuraA.Coupled thermal–electrical analysis for carbonfiber/epoxycomposites exposed to simulated lightning current[J].CompositesPartA：Applied Science and Manufacturing，2010.
[7]郭子炘，李庆民，于万水，等. 旋转状态下风机叶片雷击接闪特性的实验研究[J].中国机电工程学报，2018，38（16）： 4951-4959+4999.