PolyTech A/S高級工程仿真經(jīng)理、首席工程師S?ren F. Madsen：《帶有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)葉片雷電暴露評估的數(shù)模方法及如何協(xié)同保護(hù)碳纖維復(fù)合材料》

2019-04-13 來源：東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng) 瀏覽數(shù)：2286

2019年4月11—12日，第五屆中國國際風(fēng)電復(fù)合料高峰論壇（CWPC2019）于中國重慶隆重召開。在大會專題三：匠心獨運(yùn) 臻于完美——“智慧運(yùn)維 安全認(rèn)證”中，PolyTech A/S高級工程仿真經(jīng)理、首席工程師S?ren F. Madsen發(fā)表了題目為《帶有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)葉片雷電暴露評估的數(shù)模方法及如何協(xié)同保護(hù)碳纖維復(fù)合材料》的精彩演講。

 　　2019年4月11—12日，第五屆中國國際風(fēng)電復(fù)合料高峰論壇（CWPC2019）于中國重慶隆重召開。在大會專題三：匠心獨運(yùn) 臻于完美——“智慧運(yùn)維 安全認(rèn)證”中，PolyTech A/S高級工程仿真經(jīng)理、首席工程師Søren F. Madsen發(fā)表了題目為《帶有導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的風(fēng)機(jī)葉片雷電暴露評估的數(shù)模方法及如何協(xié)同保護(hù)碳纖維復(fù)合材料》的精彩演講。

 

　　以下為演講實錄：

 

　　非常感謝能夠邀請我來到這里做發(fā)言，會上我們聽到了很多關(guān)于復(fù)合材料力學(xué)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(fēng)機(jī)葉片雷電暴露的問題，我們也在研究怎么樣進(jìn)行一個拉擠成型，以及復(fù)合材料方面的工作。

 

　　首先它的力學(xué)性能，是不是足輕，根據(jù)我們的靜音，碳纖維傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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(dǎo)電流，受到雷電的攻擊。

 

　　首先談一下IE61400—24Ed2，風(fēng)機(jī)新的防雷規(guī)范，新版本IE61400—24Ed2第八屆子部件的雷電防護(hù)，所有部件必須要根據(jù)LPL1的設(shè)計，制造商必須描述并記錄葉片的雷電環(huán)境。

 

　　看一下這個數(shù)據(jù)，這是過去幾年收集的，來自于碳纖維的數(shù)據(jù)，葉片長度是34—45米，總共出現(xiàn)了304處損傷。另外一個數(shù)據(jù)是在兩年前出版的，針對中國的風(fēng)廠的數(shù)據(jù)。中國的風(fēng)廠數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的原因，就是讓我們能夠采取及時的風(fēng)險評估和管控的措施，在設(shè)計葉片之前，必須能夠?qū)⒗纂姯h(huán)境具體化和明確化，必須要進(jìn)行葉片的風(fēng)險評估。

 

　　首先要收集風(fēng)機(jī)所在的位置，這個地區(qū)雷電分布情況，也要考慮到風(fēng)機(jī)幾何形狀，越高越容易受到雷電的襲擊，還要考慮到風(fēng)機(jī)每年所遭受的雷擊數(shù)量，每年預(yù)期這個區(qū)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(jìn)行更換和維修。這是一個風(fēng)險評估輸出的情況，基于現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，基于數(shù)學(xué)的數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生這樣一個圖表，就是雷擊風(fēng)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(fēng)險評估的輸出，可以產(chǎn)生驗證測試的指南。風(fēng)機(jī)必須要考慮到未來25年有可能發(fā)生的雷擊情況，包括雷擊類型、電量、雷擊數(shù)量。

 

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

 

　　對于拉擠成型的葉片來說，中間會出現(xiàn)十個空白，會有十個不同類型的路徑電流需要考量。這些數(shù)據(jù)對于進(jìn)行統(tǒng)計和評估電流的情況至關(guān)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(nèi)的電流和電椅，模型結(jié)果需要驗證在所有的路徑上，碳纖維，控制電纜和浪涌保護(hù)器以其他通電組件是否能夠承受雷電流。

 

　　葉片設(shè)計流程，首先是計算電壓分布，配置等電位連接，根據(jù)設(shè)計和測試連接的要求來計算電流分布，詳細(xì)設(shè)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(jìn)行一個驗證之后交給我們客戶。我們也有相應(yīng)的驗證測試，測試是一個驗證材料，子系統(tǒng)和整個系統(tǒng)的調(diào)查工具，測試能驗證仿真模型。測試是子系統(tǒng)進(jìn)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(xiàn)場發(fā)現(xiàn)問題更便宜，測試作為模擬器，必須是設(shè)計迭代的自然組成部分。

 

　　碳纖維葉片相關(guān)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(jié)構(gòu)會暴露在雷擊的風(fēng)險之下，就必須要進(jìn)行高電壓測試。首先會測試這個設(shè)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(nèi)，當(dāng)然還要使用保護(hù)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(jìn)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(jìn)行一個判斷。

 

　　下面是次回閃附著測試，當(dāng)初始先導(dǎo)產(chǎn)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(jìn)行一個攻擊。測試保持靜止，幾秒鐘時間內(nèi)，葉片可能會在長沖擊的時候產(chǎn)生移動。我們測試可以確定由于次回閃產(chǎn)生的感應(yīng)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(cè)閃的路徑。

 

　　碳纖維葉片相關(guān)的大電流測試，給一點電流可能就會出現(xiàn)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(jìn)行真實的測試。驗證的子系統(tǒng)所表現(xiàn)的傳導(dǎo)測試，可以進(jìn)行測試，也可接受的火花等級測試，也可以進(jìn)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(jié)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(jìn)行驗證的模型，所以測試和建模是同步發(fā)生的。這是主梁的碳纖維板的測試，這個并不很嚴(yán)重，你要準(zhǔn)備好葉片可能一年會被雷擊十次，會對你的碳纖維葉片產(chǎn)生什么樣的影響。

 

　　結(jié)論：碳纖維葉片設(shè)計的時候，要保證它在雷擊情況下的安全，明確葉片雷電環(huán)境和防雷區(qū)分，根據(jù)驗證葉片模型來記錄電流和電壓分布，包括電壓出現(xiàn)在哪里，怎么樣能夠進(jìn)行電壓監(jiān)測記錄電流和電壓，設(shè)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(xiàn)并記錄，根據(jù)雷電測量結(jié)果預(yù)測并制定保養(yǎng)計劃。

 

　　（發(fā)言由現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)本人審閱）

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