POLYTECH 應用工程師 周銘

周銘：大家好！我是POLYTECH的技術周銘，今天很榮幸和大家分享碳纖維葉片防雷設計的議題。

（PPT圖示）雷擊趨勢方面，目前風機的尺寸和高度日益增長，風機更多位于海上及更偏遠的地區，這會直接導致風機更容易遭受到雷擊，現在由于全球變暖的問題，雷擊越來越多，根據2016年的統計報告，全球氣溫每升高一度雷擊會多發生11%，這會導致會有更多直接或者潛在的雷擊風險及雷擊造成的損傷，防雷系統有不足，同時停機和維修的成本也會逐漸增加。

（PPT圖示）雷電環境，對于風機來說，現在風機越來越高，意味著雷電會越來越多打到風機上，更大的風機意味著更多的停機成本，更遠的風場更高的維修成本。根據1998年的防雷標準來說，雷電損傷已經成為最多停機和最高維修成本的原因，保險公司的公開文件中也有這樣的聲明承認雷電損傷的原因。對于現在來說，雷電損傷和前緣腐蝕依舊是風機最多停機時間和維修的原因，我們要評估環境，承認影響，在實際設計和運營中主動采取措施。

以歐洲海上為例，現在主要的風機已經是8到10的兆瓦，在風機成本是10%到15%，海上對于陸上不同的是，海上的成本高很多，海上的天氣有一些不可預測性，所以停機時間可能有增長。而8到10兆瓦停機一天的損失可能在18000到20000歐元的水平。

雷電屬于不可抗力，如果雷擊打到葉片上它們會受到損傷，保險公司或者整機廠商負責維修的費用。老的2010年的防雷標準中通過與不通過測試只是提供一個信息，并沒有做強制性的要求。而在2019年新的防雷標準中，已經將兩個大電流的測試作為強制性要求。同時標準中建議，雷擊需要一個驅動風機設計和運行的參數。雷電的風險評估應該成為風場的微觀選址的部分，還要建議在風機上安裝雷電監測系統，通過結合當地雷擊情況，結合風機防雷系統的測試表現定制比較好的科學的監測和保養風機的計劃。

（PPT圖示）2010年防雷標準，那時候防雷系統只要能夠承受最高等級的雷電流，對葉片不造成結構性損傷就可以了。雷擊損傷能夠讓風機持續運營一直到下一次例行維護和檢測范圍之內即可。在新的標準中，對這些做了改進。在標準中要求雷擊環境有文件的記錄，寫到設計文件中。還有四個雷電測試，在附錄D中有紀錄，是強制性測試。還有一些易損件有一些要求，易損件通過大電流測試后要結合當地雷擊的情況定制維修和保養的間隔。

以上是背景知識。

關于碳纖維防雷系統的設計的流程。對于葉片或者所有的防雷系統原則只有兩個，一是保證雷擊在正確的位置，二是將雷電流安全導向地面。如何做到這兩點？首先，如何讓雷擊擊到正確的位置，這時候需要設計一個接閃器，讓雷故意打擊這個位置，在接閃器之間做絕緣線條做絕緣設計，這樣可以讓電場主要產生在接閃器位置上，更容易讓雷擊打中接閃器，最后要合理布置接閃器，接閃器布置在葉片上哪一個問題需要詳細進行設計，接閃器和接閃器需要有一個絕緣協作，做良好的絕緣。

如何將雷電流安全地導向地面？這時候對引下線做設計，對于碳纖維講，引下線設計比玻纖復雜很多?？傮w來說，引下線首先要確保足夠電流路徑，通過連接，絕緣和分離控制電流路徑，讓其能夠在每個導體上足以承受雷電。設計完之后需要進行測試驗證每一個導體的電流傳導能力是足夠的。所有的都要建立在最后一點，即設計和設計生產、質量是一致的，這樣才是完好的防雷系統。

（PPT圖示）讓雷電擊中正確的位置，以上是比較成功的案例，當有雷擊發生的時候，有數個上行先導，接通之后是一次雷擊。上面的例子雷擊發生在接閃器，這是比較成功的例子。下面的例子，在導線上也產生了上行先導，在雷擊打中了導線上產生的先導，這是失敗的例子，這樣的雷擊可能對葉片造成損傷。

在布置接閃器的時候需要考慮一系列的因素，我們可以做仿真，結合標準中的要求，再結合實際左下角美國、中國、日本一些雷擊的數據收集，可以看到雷擊都是集中發生在夜間前5米的位置，所以在前5米要良好地設計接閃器，結合其保護半徑，防止好接閃器，對于碳纖維葉片來說，在夜間前5米盡量不要布置碳板，這在高危的位置可能遭受到雷擊。

對于引下線來說，對于碳纖維葉片，碳纖維本身導電，所以R0過來之后，不僅在電纜上有雷電流，在碳板上也有雷電流，在各個位置做好好的分流和連接，將電流成功地導入到機艙上去，這就是比較成功的案例。而下面是失敗的案例，黃色的部分可能產生了側閃異常情況。在機艙中沒有成功地將雷電流導入到機艙中去，沒有進入機艙的接地系統，所以下面是失敗的防雷演示。

對于碳板中雷電流，進行碳纖維葉片設計時需要做以下幾步，首先測量碳纖維的導電性，當有雷電流過來之后計算電流和電壓分布情況。通過協調絕緣控制電壓分布，避免側閃，即當有雷電過來后因為內部有電壓差而產生內部閃電的情況。最后定義每個電流分布是否合理，定義測試規范驗證電流傳導對于每個導體來說是否能夠承受。一種是中心以下線，接碳板的方法，現在常用的是右圖，使用金屬網對碳纖維進行分流和保護。

在進行電流和電壓分布時，我們公司采用這種方法，即對葉片整體進行三維建模，對其進行網格化處理，2.5D的有限元將每個葉片截面分為小的截面要素，輸入其電阻、電感、互電容，裝備起來形成電路，將雷電流注入進去再看整個葉片的電流和電壓分布的情況。

（PPT圖示）假如只有一個引下線，對于碳板之間的等電流連接不做會發生什么情況？右邊有電壓差，電壓差遠大于虛線，即這之間的絕緣層玻璃鋼的集成電壓，對于這樣的系統有巨大的側閃的風險。我們得到仿真結果后需要對整個仿真系統進行改進，這里可以添加金屬網，將金屬網、引下線、碳板之間做等電位連接?，F在右圖電壓差已經在200千伏范圍內，電壓差是低于玻璃鋼板的電壓差，所以測算風險非常小。

除了對整個碳板考慮電壓差之外，還需要考慮碳板和碳板之間存在的電壓差，可以考慮連接部分碳板，甚至增加一些連接件。我們推薦間隙層鋪碳布等做連續連接的方法消除電壓差。

（PPT圖示）這是工作標準防雷系統的實例，夜間部分采用了聚氨酯整體灌注的方法，可以保證夜間最危險的部分接閃非?？煽?。之后的部分有幾種方法進行測接閃器的布置，包括直線式測接閃器，及分支式測接閃器。在金屬網可以采用連接塊的方法做連接，這套系統整體每個組件做過大電流的測試，可以作為標準化使用。

防雷系統設計完之后需要用4個測試，兩個大電壓，兩個大電流，測試全部通過之后碳纖維的防雷系統已經完成了。如果采用我們公司POLYTECH產品，不需要使用大電流測試，我們已經測試過。

我們POLYTECH是丹麥公司，業務覆蓋超過20個國家，我們前緣防護產品已經安裝超過3萬個葉片上，同時還有一些光纖傳感器可以監測葉片的載荷、結冰狀況和損傷狀況，傳感器安裝超過了1.5萬臺。我們是一個材料專家，提供一站式的解決方案。大家如果會后對于防雷或者前緣防護及葉片監測有相關要求的話可以會后交流，謝謝大家！

（文章內容來自于現場速記，未經本人審核）