碳纤维叶片的防雷电保护系统设计

辛光尘

来源：华夏风力发电信息网

    由于相对于玻璃纤维叶片来说，碳纤维叶片是导体，所以对碳纤维叶片进行防雷电保护比对纯玻璃纤维叶片进行保护要复杂得多。
& d6 g2 R( N  c! e1 @; ^ 这些技术挑战简短综述如下：
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0 H8 j; q& Q/ S8 ~A材料本身特性
. i" h# q+ d# A+ s 雷电袭击对玻璃纤维叶片的破坏往往是在叶片的前后缘，但是对于没有任何保护措施的碳纤维叶片来说，破坏部位往往是承受负载的主要层面上，因为这些部位是导体碳的部位。LM公司对碳纤维叶片样本进行的高压冲击实验表明虽然碳纤维是传统意义上的半导体材料（因此电阻是金属的许多倍），但是被雷电击中的频率与实际的雷电接受器一样。闪电的头部与彩色长带在两种材质中的传播速度一样。因此技术上的困难是确保彩色长带与闪电头部从风机叶片易遭受闪电袭击的部位迅速传播开，与此同时，应该防止闪电彩色长带与头部在最不希望遭受闪电袭击的部位形成，例如，碳纤维层，由于一些现实的因素这些碳纤维层不能被设计成具有抗闪电电流袭击的特性。即使一个中等强度的直接击中碳纤维主层的闪电也会导致叶片严重的破坏。
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图1：高压冲击实验
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由右上角图知，没有安装分流器的主碳纤维层的前缘比接受器更容易受到闪电袭击

8 r+ a, W" ~0 Z8 O7 ^, fB：内部飞弧
. x& z" X6 S) j) Z1 N 对于碳纤维与金属组成的导体，需要特别关注电压差的问题，否则，由于碳纤维和金属的自感应系数不同，当闪电电流以较高频率沿着叶片传播时，电火花会在导体的不同材质之间移动。一段时间后，在叶片内部形成的大火花，可以使叶片碳纤维材料炭化，给叶片造成严重的破坏，最严重的可以使叶片发生火灾。

0 N+ a3 t$ F) z3 I) o8 _" y! eC：电流传导
LM公司高强度电流实验表明单独使用碳纤维层传导闪电引起的叶片内的电流是不行的。碳纤维层不能吸收一级闪电（电流=200 kA，特殊能量=10 MJ/ohm）袭击带来的特殊能量，否则将导致对叶片严重的破坏。同时，碳纤维层也不能传导闪电的能量，否则将导致叶片起火。

图2 强电流对主碳层的冲击实验

, p4 d1 U+ y8 Z3 Z6 T! j4 s% M符合IEC 61312附录C标准，217 kA, 3.28MJ/ohm。实验的结果是在叶片主碳层上形成了一个大洞，在真实情况下，这足以导致叶片不能使用。
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1 w9 B; I) t3 k$ X5 }$ Z4 u4 V; e# H 图3：与图1所示事件相同
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2 Z! U- X8 z) `$ v但是这是在冲击发生后用10-15秒的红外照相机拍摄到的照片；温度等级图表明洞周围的部分温度已经超过153°C，洞中间的碳纤维仍旧在燃烧。

E LM DiverterStrip的背景
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LM 61.5 P发展的初期阶段，叶片结构中有碳纤维主层。LM公司致力于设计一种低维修的带有闪电保护系统的叶片，这就意味着用于保护碳纤维的常见的方法不适用于这种目的，需要开发一种全新的概念，把新的以及已经熟悉的闪电保护方法整和进风机叶片的制造。因此，从制造LM 61.5 P碳纤维叶片的开始，闪电保护系统就是开发LM 61.5 P碳纤维叶片工作的一部分。  
开发LM 61.5 P碳纤维叶片工作的困难之一是提高接受器捕捉闪电的能力，因此可以避免如图3所示的对半导体碳纤维的破坏性的袭击。在这方面，LM公司工程师受到了用于航空的分流器带的启发。分流器带已经在航空器上使用数年，用来保护安装在航空器上的雷达天线屏蔽器装置。这种雷达天线屏蔽器用玻璃纤维制成，确保来自于雷达的数字信号可以不受阻碍的穿过材质。当雷达天线屏蔽器同时安装有控制飞行器的关键仪器时，保护这一部分免遭雷电袭击就显得格外重要。由于用于航空器上的分流器带在遭受雷电袭击一两次后就将被替换掉，所以用于航空器上的分流器带如果用于风电机组需要做一些改进。因此有必要开发一种用于风电机组叶片的全新分离器带。

sunlongsun

好资料，多谢了。