乔玉军， 方致阳， 李成良， 丁 惢

（中材科技风电叶片股份有限公司， 北京 100192）

0 引言

随着国内风电场的大规模建设， 风电场选址逐渐由三北向东南、西南等高雷暴地区发展，风机的运行环境更加严苛。 据市场反馈，早期风机叶片雷击事故率偏高，目前风电机组在全生命周期内叶片雷击事故已成为安全运行的主要风险之一。我国雷暴特点是北方密度小、雷暴时短、单次雷暴强度高，南方密度高、雷暴时长、单次雷暴强度低，这对叶片的防雷系统提出了更高要求。

经过多年探索， 相关研究机构与企业已具有较为完善的防雷系统体系设计， 但对于设计或生产过程中存在的缺陷还缺乏有效的分析手段。 对此，针对防雷系统的常见典型缺陷进行了基于高压防雷测试的失效分析， 明确了各缺陷在雷击测试过程中的失效模式， 为防雷系统的优化设计提供依据，减少由于雷击造成的经济损失。

1 防雷规范要求

早期的IEC 61400-24Ed1.0 版本中，叶片高电压初始先导测试， 使用叶片长度方向于平面电极的三个角度分别为90°，60°和30°。 而在第二版Ed2.0 中，测试角度改变为90°，30°和10°，这表示叶片测试的难度增加了。直接导致对LPS 设计和叶片制造的更高要求， 但也将提供更强的设计和更好的现场性能。

2 防雷系统失效模式统计

据统计， 过去平均一个风场一年雷击故障率可达14%。 与其他因素导致的故障相比，雷击故障会造成40%的能量损失，停机时间也会增加20%。造成雷击损失比例较高的主要原因是早期叶片防雷设计基本没有进行雷击验证、 叶片防雷系统有效接闪率低以及防雷系统缺陷导致的。以下针对叶片防雷损伤分类情况进行分级。根据可修复性分别分为1 到4 级，级别越高，可修复性越差。

表1 防雷系统损伤分级

机械性损伤是由于叶片因雷电接闪造成的叶片表面或结构发生开放性损坏，如叶尖炸裂、蒙皮开裂、叶片断裂等，属于功能性损伤，极难或不可修复，分级为3 级；而对于蒙皮分层、 引下线电磁力导致的叶尖开裂等非开放性损伤，属于可修复性损伤，另外，械性损伤中的热效应损伤， 如叶片表面雷击孔、 条状蒙皮开裂等非开放性损伤，也属于可修复性损伤，分级为1 级，见表1。

而电气性损伤绝大多数情况下很难修复， 如叶尖部分导线熔断； 电气性损伤主要指接闪器无法耐受超值电流，导致接闪器严重损坏结合叶片镶嵌未至发生开裂、高温膨胀等问题。 因此对于叶片的电气性损伤以工艺材料问题为主。

针对上述损伤产生的原因， 选取常见典型缺陷进行了雷击测试。

3 典型缺陷

针对叶片防雷系统的几种常见典型缺陷， 以某型号海上叶片为载体，进行了雷击测试，见表2。

表2 避雷测试记录

4 高压防雷测试

高压试验是评估接闪系统是否合理， 雷击是否只发生在接闪器上的试验。 分为初始先导附着测试与扫掠通道附着试验。

初始先导测试主要评估雷击附着位置以及雷电在叶片及其他非到点结构上的闪络或者击穿路径； 扫掠通道附着试验主要评估非导电表面的可能击穿位置和非导电表面闪络路径。是防雷测试中最关键的部分，也是最容易出现问题的部分。

图1 高压先导防雷测试示意图

试验样品可以仅为叶尖部分叶片， 长度需依据IEC61400-24 中的规定来确定。 根据上节的典型缺陷进行布置与测试。

4.1 导线绝缘损伤测试

模拟高压导线在安装过程中受损， 导致绝缘皮绝缘性能降低，见图2。

图2 导线损伤

通常， 在引下线离开腹板的位置极易出现击穿孔， 且该该位置在转运过程中很容易受到机械应力， 电缆本身不仅要支撑其自身的重量， 而且还需承受避雷系统其它部件的重量，见图3。

图3 避雷测试失效

从测试结果可知，在叶片内部导线绝缘性能较弱区域出现电弧放电现象。使前缘对地负极性第一次测试时出现击穿显现，见图4。

图4 缺陷分析

试验过程中，在叶片表面观察到针尖内侧约242cm 处出现小孔。击穿导致接闪，试验失败并停止。 击穿发生在高压电缆上， 而不是发生在避雷系统上。

4.2 导线弯曲测试

首先对S 形导线布置进行了电场模拟。 对叶片下穿导体几何进行了二维有限元建模， 用于模拟制造过程中常见的类似S 形导线布置。 如图5 所示。

图5 S 型导线二维电场模拟

前缘与地面成10°时导线周围电场分布可知，在导线下弯部分电场明显增强，是导线上弯部分的9 倍，如果设计绝缘强度沿电缆是恒定的，会在这个特定的位置（上弯部分）发生击穿，见图6。

图6 导线在蒙皮上的分布

4.3 接闪底座气泡

通常接闪器都安装在接闪底座上， 接闪底座通过粘接胶或者手糊到叶片内蒙皮，见图7。

图7 防雷底座粘接胶存在气泡

常见的问题是， 接闪底座粘接区域存在小气泡，见图8。

图8 叶身接闪器附近放电

从测试结果可知， 击穿前（前缘指向下方，检测为负极性）， 在压力侧接闪点底座附近出现微弱放电发光现象。这种光通常是由于叶片内部存在暴露的金属引起的，如果叶身接闪器没有正确地布置在叶片内部蒙皮上， 就可能发生这种情况， 其结果是叶片内部裸露的金属表面产生部分放电， 同时在叶片表面寻找通向叶片外部并最终到达地面的传导路径。

4.4 叶片修复缺陷

由于叶片雷击接闪失效后形成的可修复性损伤需要进行维修， 而维修过程中产生的缺陷很可能成为第二次避雷失效隐患， 本节给出了维修后穿孔缺陷引起的的雷击失效，见图9。

由于维修过程中会进行开窗等开放性操作，将局部蒙皮打开，替换避雷部件后重新修复，在修复过程中，往往会出现修复不彻底的现象，形成如图10 中的穿孔缺陷。

图9 维修后穿孔缺陷

图10 避雷测试失效

通过分析整个测试中穿孔附近的详细图像， 得知，在所有负极性测试中，几乎在同一位置都可以看到放电现象。 这是由于维修后形成的穿孔导致闪络。

5 结论与展望

可以看到，在高压雷击测试后，即使在有缺陷存在的情况下，叶片出现的损伤均为可修复，从侧面说明原防雷系统设计等级较高，较为可靠。 通过高压雷击测试与模拟分析，明确了叶片防雷系统常见缺陷在测试过程中的失效模式，为防雷系统的优化设计提供了依据。

未来对于以下几个方向还需要开展进一步的研究：

（1）防雷引下线绝缘损伤程度或绝缘等级。

（2）导线布置弯曲半径。

（3）接闪器底座粘接区域缺胶与气泡程度。

（4）接闪器与底座连接可靠程度。

（5）叶片维修后的恢复程度。

对于海上机组，提出了如盐雾腐蚀影响等更为苛刻的要求。