梁鹏程 肖琼 周家东 熊秀

随着新一代风电机组轮毂高度和风轮直径尺寸的增加，为了提供更高的发电功率，必须增加叶片刚度，使用更多的碳纤维复合材料。然而，碳纖维复合材料是导体，因此必须对碳纤维叶片进行雷电防护，以防止碳纤维叶片之间产生内部电弧以及碳纤维叶片遭受直接雷击。同时，电加热除冰叶片由于使用碳纤维或其他导电材料作为加热组件，比传统的玻璃纤维叶片更容易遭受雷击。

得益于防雷金属网在飞机碳纤维复合材料上的成功应用，碳纤维叶片和电加热除冰叶片等含有导电组件的风轮叶片也越来越多地采用防雷金属网进行雷电防护。然而，无论是叶片制造厂、整机厂，还是业主对叶片防雷知识还不够了解，选取防雷金属网时也没有可参考的依据，造成很多在叶片上使用的金属网达不到雷电防护的要求，叶片遭受雷击后同样会造成损伤。本文通过理论计算、仿真分析以及试验相结合的方法对防雷金属网等效截面积进行研究，为碳纤维叶片和电加热除冰叶片选择合适的防雷金属网提供了依据。雷电防护金属网等效截面积计算方法

根据研究，防雷金属网宜选用具有较多优点的延性金属网。防雷金属网在风电叶片雷电防护中同时起接闪雷电流和传导雷电流的双重作用，根据IEC 62305-3和IEC 61400-24的要求，使用铜导线作为引下线传导200kA的雷电流，当机械强度不是必备要求时，导线的最小截面积为25mm²;当机械强度是必备要求时，导线的最小截面积为50mm²。当用铝导线作为引下线时。导线的最小截面积为50mm²。由于防雷金属网粘贴于风电叶片外表面，使用时不必考虑金属网的机械强度，因此按照IEC 61400-24的要求，防雷铜网作为引下线的最小截面积要求为25mm²，防雷铝网作为引下线的最小截面积要求为50mm²。通常风电技术人员即根据该标准要求进行金属网截面积选择，但该标准所规定的导线最小截面积要求是否适用于防雷金属网，以及如何计算防雷金属网的等效截面积却并没有理论依据。

本文提出了一个计算金属网等效截面积的理论模型，并总结出防雷金属网等效截面积的计算公式。防雷金属网的等效截面积与金属网的接地方式有关，假设金属网只采用叶尖接地或者叶根接地的方式，则金属网上电流只会沿着一个方向传导。金属网的电流传导模型如图1所示。

假设防雷金属网的电流从左侧流入，电流在菱形金属网上的传导方向如图1中红色箭头所示，电流传导截面垂直于电流方向。如图中绿色线所示，沿着电流方向做垂线，所有绿色线与菱形金属网重叠面积之和，即为防雷金属网的等效截面积。

防雷金属网的网格为菱形，长节距为Lt，短节距为st，梗宽为h，厚度为d，金属网的总宽度为w，垂直于电流方向金属梗丝的根数为n，相邻两根金属梗丝之间的距离为r。

结合图示可知，垂直于电流方向金属梗丝根数n的计算公式为：

如果防雷金属网采用叶尖和叶根同时接地的方式，则金属网上电流会沿着两个方向传导，电流传导模型如图2所示。向右传导电流如红色箭头所示，向左传导电流如蓝色箭头所示。

假设沿着两个方向传导的雷电流大小相同。则防雷金属网的等效截面积为：

实际即使采用双侧接地的方式，由于两侧接地电阻大小不同，沿着两侧传导的雷电流大小不可能相同，因此双侧接地防雷金属网的等效截面积小于2·d.h·n。

雷电防护金属网等效截面积计算方法的验证

一、仿真算法的可靠性验证

本文采用了数值仿真软件COMSOL Multiphysics来计算金属网的电阻热效应，雷电流分量为ICE 61400-24规定的标准10/350雷电流波形，如果防雷铜网的最高温度超过铜的熔点1083。C，则认为防雷铜网会出现熔断性损坏。为了证明仿真模型的可靠性。选用不同宽度的ABEMM-Cu220防雷铜网进行传导电流仿真，并与雷电试验结果进行对比。雷击试验为短冲击电弧注入电流试验，一端接地，注入200kA、10MJ/Ω的电流后，观察雷电流传导路径中有无铜网熔断损伤。

如图3（a）所示，宽度为550mm的ABEMM-Cu220防雷铜网在150kA的雷电流作用后，其仿真结果显示铜网的最高温度为1250°C，超过了铜网的熔点，会出现防雷铜网熔断现象：雷电试验结果也表明防雷铜网发生大范围熔断，如图3（b）所示。但如图3（c）所示，当防雷铜网的宽度增加到600mm，ABEMM-Cu220防雷铜网在150kA雷电流作用下，其温升只有870°C，不会超过铜网熔点;雷电试验结果也表明防雷铜网不会出现熔断现象，如图3（d）所示。图3仿真和试验结果的一致性说明了仿真模型的可靠性。

二、等效截面积算法的仿真验证

为了验证上述防雷金属网等效截面积计算理论公式（2）和（3）的正确性，选用不同宽度的ABEMM-Cu420防雷铜网进行传导电流仿真。

不同宽度的ABEMM-Cu420防雷铜网传导200kA、10MJ/f2的雷电流，其温度分布如图4所示。由图4可以看出，防雷铜网的梗丝处温度最高，节点处温度最低，因此防雷铜网断裂时梗丝处先熔断。当铜网的宽度为440mm时，铜网会熔断，而当铜网的宽度增大到460mm时，铜网不会熔断。

ABEMM防雷金属网的尺寸参数如表1所示，根据公式（2）计算的不同宽度ABEMM-Cu420防雷铜网的等效截面积及最高温度如表2和图5（a）所示，当ABEMM-Cu420防雷铜网的宽度为440mm时，其金属网的截面积是24.25mm²，金属网会熔断;而当其宽度增加到460mm时，截面积为25.35mm²金属网不会熔断。

由图5（b）可以看出，当按公式（2）计算的ABEMM-Cu220防雷铜网的截面积大于25mm²时，防雷铜网的最高温度也低于铜的熔点1083°C，即铜网不会出现熔断现象。而防雷铜网传导一次200kA、10MJ/Ω的雷电流，其最小截面积要求在25mm²左右，这说明按照公式（2）计算防雷金属网的等效截面积是正确的。防雷铝网的最小截面积要求

一、防雷铝网的等效截面积计算

防雷铜网仿真结果证明了防雷金属网等效截面积理论公式（2）的正确性。因此，可以用该公式来计算不同型号防雷铝网的等效截面积，并用仿真软件计算不同截面积防雷铝网的最高温度，以找到防雷铝网传导一次200kA、10MJ/Q雷电流的最小截面积要求。

在本计算中，选用了ABEMM-All35、ABEMM-All87、ABEMM-A1220三种不同面密度型号的防雷铝网进行最小截面积计算，根据公式（2）计算不同宽度ABEMM防雷铝网的等效截面积，并用仿真软件计算不同宽度防雷铝网的温度分布。取不同截面积防雷铝网的最高温度进行绘图，结果如图6所示。由图6可以看出，对于不同型号ABEMM防雷铝网，当防雷铝网的截面积大于35mm²时，防雷铝网的最高温度均低于铝的熔点660°C，即金属铝网不会出现熔断现象。因此，对于防雷铝网，其最小截面积达到35mm²左右时，即可满足传导一次200kA、10MJ/Ω雷电流的防护要求。

二、防雷铝网等效截面积的验证

为了验证35mm²的最小截面积要求是否合理，本文选择了两种不同型号的防雷铝网进行仿真和试验验证，这两种不同型号的防雷铝网等效截面积分别分布于35mm²两侧。如图7（a）所示，仿真结果表明。截面积为32.83mm²的ABEMM-A1135-650防雷铝网传导一次200kA雷电流时，其最高温升为719°C，高于金属铝的熔点660°C，ABEMM-A1135-650防雷铝网会出现断裂现象。电流试验结果也表明，在雷电流传导路径中，金属铝网出现大范围熔断现象，如图7（b）红色箭头所示。结果表明，当防雷铝网的截面积为32.83mm²时，达不到传导200kA雷电流的雷电防护要求。

如图8（a）所示，仿真分析结果表明，截面积为37.88mm²（超过35mm²的极限截面积）的ABEMM-A1187-500防雷铝网传导200kA雷电流时，其最高温升为425°C，小于金属铝的熔点660°C，ABEMM-A1187-500防雷铝网不会出现断裂现象，满足200kA的雷电防护要求。电流引弧试验结果也表明，除了引弧区防雷铝网有部分熔化现象，在雷电流传导路径中，没有出现金属网熔断现象，如图8（b）所示。结果表明，当防雷铝网的截面积为37.88mm²时，可满足传导一次200kA、10MJ/Ω雷电流的雷电防护要求。因此，防雷铝网传导一次200kA、10MJ/Ω的雷电流，35mm²左右的最小截面积要求是合理的。防雷金属网的安全截面积要求

根据ICE 61400-24要求，防雷金属网做鉴定试验时，需传导3次200kA、10MJ/Ω的短冲击雷电流和三次200C的长冲击雷电流，其中影响防雷金属网等效截面积的主要是短冲击雷电流。在进行防雷金属网短冲击雷电流试验时，如图9所示，截面积为25mm²的ABEMM-Cu220-760防雷铜网传导一次200kA雷电流时，铜网传导截面无断裂，但当该铜网传导第二次200kA雷电流时，铜网传导截面断裂。这主要是由于损伤的累加所致，传导第一次雷电流时，由于铜网的趋肤效应，铜网丝梗表面的温度高于内部，造成铜网丝梗表面温度可能会超過熔点，因此会有部分熔化，造成表面铜网丝梗变细，相当于等效截面积变小，所以第二次传导雷电流时会造成铜网熔断。

因此，为了保证防雷金属网能安全传导3次200kA、10MJ/Ω的短冲击雷电流，在防雷金属网最小截面积要求的基础上，应适当增加金属网截面积。

通过图5和图6中金属网的截面积和金属网最高温度关系图可以看出，在金属网极限截面积附近，即金属网的熔点附近，截面积对熔点的影响很大，超过金属网极限截面积20%之后，金属网的最高温度已远低于金属网的熔点，铜网丝梗不会出现熔断变细现象。因此对于防雷金属网而言，为了能传导3次200kA的雷电流，应保证20%的最小传导截面积余量。对防雷铜网而言，30mm²是防雷铜网能传导3次200kA雷电流的安全截面积要求，42mm²是防雷铝网传导3次200kA雷电流的安全截面积要求，防雷金属网在安全截面积附近，肯定不会出现熔断。如图10所示，处于安全截面积的防雷金属网经过3次200kA，10MJ/Ω雷电流作用后，传导区金属网无断裂现象。

结论

根据本文所提出的防雷金属网等效截面积计算方法可判断防雷金属网是否满足200kA、lOMJ/Ω雷电流的雷电防护要求。

对于防雷金属网而言，传导一次200kA、IOMJ/Ω的雷电流，防雷铜网的最小截面积要求为25mm²，防雷铝网的最小截面积要求为35mm²。为了保证能传导3次200kA、10MJ/Ω的雷电流，30mm²为防雷铜网的安全截面积要求，42mm²为防雷铝网的安全截面积要求。