PolyTech A/S高級工程仿真經理、首席工程師S?ren F. Madsen：《帶有導電結構的風機葉片雷電暴露評估的數模方法及如何協同保護碳纖維復合材料》

 

　　以下為演講實錄：

 

　　非常感謝能夠邀請我來到這里做發言，會上我們聽到了很多關于復合材料力學性能，包括其他方面的影響的報告，我從一個電器工程師的角度，會思考怎么解決風機葉片雷電暴露的問題，我們也在研究怎么樣進行一個拉擠成型，以及復合材料方面的工作。

 

　　首先它的力學性能，是不是足輕，根據我們的靜音，碳纖維傳導能力比鋁差一千倍，有一些特性是我們非常喜歡的，有一些特性是我們不喜歡的。它們限制電流的密度，意味著傳導電流和溫度的時候，是完全不同的特性。與此同時呢，我們看到他們的傳導性能，要比鋁差一千倍。他們是一個非磁性的，是有限電流的密度。在碳纖維制作葉片的過程中，必須要注意使用單向的方式。必須要承認碳纖維很容易受到電流的影響，包括雷電電流，主梁更容易傳導電流，受到雷電的攻擊。

 

　　首先談一下IE61400—24Ed2，風機新的防雷規范，新版本IE61400—24Ed2第八屆子部件的雷電防護，所有部件必須要根據LPL1的設計，制造商必須描述并記錄葉片的雷電環境。

 

　　看一下這個數據，這是過去幾年收集的，來自于碳纖維的數據，葉片長度是34—45米，總共出現了304處損傷。另外一個數據是在兩年前出版的，針對中國的風廠的數據。中國的風廠數據和這個情況非常相似，也展示了損傷的分布情況。出版的雷電數據的原因，就是讓我們能夠采取及時的風險評估和管控的措施，在設計葉片之前，必須能夠將雷電環境具體化和明確化，必須要進行葉片的風險評估。

 

　　首先要收集風機所在的位置，這個地區雷電分布情況，也要考慮到風機幾何形狀，越高越容易受到雷電的襲擊，還要考慮到風機每年所遭受的雷擊數量，每年預期這個區域會受到多少次雷擊，包括雷擊值的峰值是多少？有一些葉片可能受到了雷電的電擊之后需要更換，我們可以評測損傷的程度，以及如何進行更換和維修。這是一個風險評估輸出的情況，基于現狀的數據，基于數學的數據，會產生這樣一個圖表，就是雷擊風險評估圖表，不同葉片的受到雷電襲擊的情況都是不同的。也可以了解容易受到雷電襲擊葉片的類型，容易受到雷電襲擊的主要是中小型葉片，風險評估的輸出，可以產生驗證測試的指南。風機必須要考慮到未來25年有可能發生的雷擊情況，包括雷擊類型、電量、雷擊數量。

 

　　解決雷電環境問題之外，我們要考慮葉片的電流和電壓的分布，當你有一個碳纖維的葉片，會對碳纖維的葉片進行一個測量，雷擊可能會擊到葉尖會出現對稱的電流分布。累積到側面會造成不對稱的電流分布和增大電壓分布，以及后續的短沖擊影響。

 

　　對于拉擠成型的葉片來說，中間會出現十個空白，會有十個不同類型的路徑電流需要考量。這些數據對于進行統計和評估電流的情況至關重要，這是一個總的情況，這是一個集成電路的單元模型。定義勵磁電流并計算各空間和時間內的電流和電椅，模型結果需要驗證在所有的路徑上，碳纖維，控制電纜和浪涌保護器以其他通電組件是否能夠承受雷電流。

 

　　葉片設計流程，首先是計算電壓分布，配置等電位連接，根據設計和測試連接的要求來計算電流分布，詳細設計測試，全尺寸模型驗證測試，希望我們的模型能夠得到一個驗證，會把它們進行一個驗證之后交給我們客戶。我們也有相應的驗證測試，測試是一個驗證材料，子系統和整個系統的調查工具，測試能驗證仿真模型。測試是子系統進行最終驗證的要求，測試比仿真更容易理解你所聽到的聞到的。測試比在現場發現問題更便宜，測試作為模擬器，必須是設計迭代的自然組成部分。

 

　　碳纖維葉片相關的高壓測試，決定了碳纖維不會被直接擊中，如果意識到了，你的碳結構會暴露在雷擊的風險之下，就必須要進行高電壓測試。首先會測試這個設計是不是能夠承受雷擊？如果被擊中需要用大電流的電弧注入測試保證損傷在可接受范圍內，當然還要使用保護層。這是高電壓附著測試的圖片，在實驗室里面測試9度、10度、19度葉片的角度，我們會測試不同角度下受到雷擊的可能性，我們進行三次的短電閃擊的測試。我們可以看到葉片在不同角度下受電擊情況，進行一個判斷。

 

　　下面是次回閃附著測試，當初始先導產生附著之后，葉片可能會在長沖擊時移動，雷電用10米每秒速度進行一個攻擊。測試保持靜止，幾秒鐘時間內，葉片可能會在長沖擊的時候產生移動。我們測試可以確定由于次回閃產生的感應電壓下降而造成的擊穿情況，也可以用作評估在黑暗時期，也被稱為冬雷側閃的路徑。

 

　　碳纖維葉片相關的大電流測試，給一點電流可能就會出現爆炸的情況，首先是驗證接口和連接口的阻抗，驗證了原形之后，可以進行真實的測試。驗證的子系統所表現的傳導測試，可以進行測試，也可接受的火花等級測試，也可以進行電流承載能力測試。溫度的分布是平均的，非常有趣之處在于，看到這個測試之后的樣本決定我們的容忍度有多大，能不能夠接受最終的測試結果。

 

　　這是電流密度分布的測試，可以測試表面的溫度，同時也可以測試碳纖維的電流密度，這是我們進行驗證的模型，所以測試和建模是同步發生的。這是主梁的碳纖維板的測試，這個并不很嚴重，你要準備好葉片可能一年會被雷擊十次，會對你的碳纖維葉片產生什么樣的影響。

 

　　結論：碳纖維葉片設計的時候，要保證它在雷擊情況下的安全，明確葉片雷電環境和防雷區分，根據驗證葉片模型來記錄電流和電壓分布，包括電壓出現在哪里，怎么樣能夠進行電壓監測記錄電流和電壓，設計和制造葉片碳纖維防雷接口，測試葉片所有高電壓和大電流的表現并記錄，根據雷電測量結果預測并制定保養計劃。

 

　　（發言由現場速記整理，未經本人審閱）