摘要：随着单台风电机组容量的不断提高，叶片遭受雷击的概率及损伤的风险大幅增加。碳纤维叶片的防雷技术成为亟待解决的问题。在碳纤维叶片主梁上铺设金属网是目前常用的防护手段之一。本文针对某型碳纤维叶片防雷系统，开展叶身铜带连接结构、叶身碳洞雷电直接效应仿真计算。仿真研究铜网连接结构上的电流分布、温度分布，以及叶身碳洞处的电场强度分布。研究结果表明该叶片防雷系统的叶身铜带连接结构传导雷电流能力足够，满足雷电防护要求。叶身碳洞处最高电场强度为1730.7V/m，可推论出碳梁不会被击穿。研究结论可为该型号叶片雷电防护性能提供数据支撑。

关键字：风电机组叶片，雷电，铜网，碳洞，仿真

1 引言

风力发电以其技术稳定、便于产业化开发等优势受到世界各国的重视。近20年来，随着单台风电机组容量的不断扩充，风电机组的整体高度也逐步提高，目前1.5~5MW主力风电机组的整机高度最高可达160m，叶片作为风电机组上暴露程度最高的部件，其遭受雷击的概率及损伤风险也随之大幅增加。研究表明，叶片遭受雷击的概率约占风电机组部件雷击概率的15%~20%。叶片作为风电机组最昂贵的部件，其造价约占风电机组总成本的20%，加之运输、安装难度极高，遭雷击损坏后不仅维修更换费用很高，而且还要承受风电机组维修停运带来的发电量损失。因此，对风电机组叶片防雷系统雷电特性的研究具有重要意义。

金属网作为飞机雷电防护的常用手段，其本质是利用金属自身的优异导电性，将雷电流快速分散到金属网各条梗丝上，从而有效防止非金属部件被雷电流破坏。国内外一些叶片制造商参考飞机防雷设计，将延展性防雷金属网也类似地应用于碳纤维叶片的雷电防护。通过仿真和试验方法针对金属铜网对碳纤维叶片的防护效果展开了一系列研究，结果表明金属铜网同样可以对碳纤维叶片进行有效的雷电防护。金属网连接结构电流传导特性是衡量其雷电防护性能的重要指标之一，而国内对叶片上的具体金属网连接结构电流传导特性研究比较少。

本文针对碳纤维叶片常用的雷电防护系统，选择较易产生损伤的部位，仿真研究叶身铜带连接结构的雷电电流分布、温度分布，以及叶身碳洞处的电场强度分布，为该型号叶片雷电防护性能提供数据支撑。

2 仿真设置

雷电流对复合材料叶片的损伤过程包含了电、磁、力、热多种物理效应。其中由雷电流产生的焦耳热效应所引发的热损伤最为严重。针对雷击的电-热耦合效应仿真研究，COMSOL Multiphysics软件满足整机及系统级雷电电流瞬态或频域问题的求解，以及复杂电磁环境问题的求解。

本文的仿真对象为叶身铜网与引下线连接结构、叶身碳洞。在铜网边缘以电弧引入方式加载标准雷电流，或在铜网一端、引下线一端以电流传导方式加载标准雷电流。雷电流注入铜网上一点的尺寸为半径3mm的扇形区域，注入铜网一端的截面积为68mm²。如图1所示，仿真模型包含了铜网、碳纤维主梁、铜带、铜线、引下线。其中铜网尺寸为4000*680*0.1mm，碳纤维主梁尺寸为4000*450*36.3mm，铜带尺寸为53*677*0.3mm，引下线横截面为70mm²。考虑到铜网厚度约为0.1mm，与叶片长度相比尺寸非常小，需要大量网格去刻画。因此，在进行叶身铜带连接结构模型设计时将铜网等效为平板，其他连接结构尽量还原原始装配方式，在以往的工作中已对该等效方法进行了验证。本仿真将叶片防雷系统拆分为整体和局部两部分，对叶身铜带连接结构并线夹、引下线单独建模，如图1（b）所示。铜网和碳纤维主梁之间通过玻纤布隔离，为进行等电位连接，在玻纤上挖出洞并填充碳布，如图1（c）所示。

模型材料根据仿真物件的实际情况设置，引下线材料为铜，主梁及碳洞为碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，简称CFRP），铜带为铜。具体材料参数见表1。

本仿真计算的电磁场方程主要为安培定律和电流守恒定律。

安培定律：

热源转换方程：

本仿真以首个正极性电流脉冲为电流源，按标准要求加载一次，得到如图2所示的波形，计算采用的电流时域波形函数如下：

本仿真选用稳定性较好的自由四面体为基本单元对仿真体进行网格设计。为尽可能地减少冗余网格，提高计算效率及精度，网格按照点、线、面、体的顺序设计，且最小网格尺寸应小于模型的最小尺寸网格。此外，在连接结构处先对细节进行网格剖分，再按照一定的增长率向内和向外扩展。最终经过多次迭代，网格设计结构能够较好地刻画几何外形。各结构网格设计详见图 3。每个模型的具体网格设置见表 2。

3 仿真结果

针对叶身铜带连接结构和叶身碳洞，利用COMSOL软件进行仿真，求解其电流密度分布和温度分布，以及叶身碳洞的电场强度分布，根据仿真结果对叶身铜网和叶身碳洞对雷击的防护能力进行分析讨论。

3.1 叶身铜带连接结构

由雷电流注入铜网角上一点，及雷电流注入铜网一端时叶身铜带连接结构上电流密度分布结果（图4、图5）可知，雷击一点时电流在雷击点处密度最大，向后端传导时慢慢扩散。雷电流从铜网一边传导时整体分布较均匀。两种情况下在铜带和铜网连接处均存在电流集中。铜带后部铜线上电流密度较大，这主要归因于传导雷电流的有效截面积减小。电流主要在铜网上传导，碳纤维主梁上的电流非常小。电流传导路径为从铜网通过铜带传导至引下线，进而流出。另一侧铜网上电流几乎为零。

图4 叶身铜带连接结构上电流密度分布（雷电流注入点）

由两种雷电流注入方式下叶身铜带连接结构的温度分布结果（图6、图7）可知，温度分布与电流密度分布规律一致，电流密度大的区域温度也较高；雷击铜网边沿一点时产生了高于铜网熔点1083℃的高温，有轻微熔蚀，平面损伤范围约为11*6cm。损伤形状主要受电导率各向异性影响。根据关键位置标记点（图8）上的最高温度（表3），雷电流从铜网一点传导时，距离雷击点较近的点B附近有约253.7℃的高温，铜网与铜带连接处温度为170.7℃，铜线上点G附近温度约为119.7℃，其余部分温度均在60℃以下；雷电流从铜网一边传导时整体温度不高，只在铜网与铜带连接处温度为177.8℃，铜线上点G附近温度约为117.1℃，其余部分温度均在66℃以下。

由铜线及并线夹上电流密度及温度分布结果（图9、图10）可知，电流在铜线上主要沿表面传导，铜线与并线夹连接处、铜线与铜线连接处均产生电流集中；最高温度 270℃出现在铜带终点与另一铜带连接处，其余部位温度则较低。

3.2 叶身碳洞

由叶身铜网、主梁及碳洞上的电流密度分布结果（图11）可知，电流主要沿铜网传导；铜网厚度较大的、靠近叶尖部位的电流密度小于厚度较小的、靠近叶根部位的电流密度；碳洞处电导率小于铜网电导率，因此其电流密度也较小。

图11 叶身铜网、主梁及碳洞上电流密度分布

由叶身铜网、主梁及碳洞上的温度分布结果（图12）可知，整体最高温度为370℃，小于铜的熔点，铜网不会产生损伤；铜网搭接处温度稍高；靠近叶尖碳纤维主梁温度约为21℃，靠近叶根碳纤维主梁温度约为 23℃。

由叶身铜网及碳洞上的电场强度分布结果（图13）可知，较厚铜网上的电场强度较小，碳洞处电场强度最高。由碳洞标记点（图14）上的电场强度峰值结果（表4）可知，由于叶尖铜网比叶根铜网厚，越靠近叶尖，电场强度峰值越高。由点A处碳洞截面（图15）可知，电场强度最大处并非碳洞中间，而是碳洞边沿。这主要是由于碳洞的尖锐结构导致其内部产生了稍高的电场强度。根据每个碳洞上的电场强度最大值（表4），碳洞标记点附近最大值和碳洞标记点处电场强度峰值相差不大，但规律不一致，碳洞上最高电场强度为1730.7V/m，小于空气击穿场强30kV/cm，即两碳洞之间的最大电场强度也不大于空气击穿场强，进而可推断碳梁不会被击穿。

4 结论

本文针对某型号碳纤维叶片防雷系统中的叶身铜带连接结构、叶身碳洞，仿真研究了两种雷电流注入方式下叶身铜带连接结构上的电流分布和温度分布，以及叶身碳洞处的电场强度分布，主要结论如下：

（1）雷电流注入铜网边沿一点时铜网产生了轻微熔蚀，平面损伤范围约为 11*6cm，但碳纤维主梁并未损伤；雷电流注入铜网一边时不会产生损伤。两种工况下叶身铜带连接结构传导雷电流能力足够，满足雷电防护要求。

（2）雷电流主要沿铜网传导。整体最高温度为370℃，铜网不会产生损伤。最高电场强度为1730.7V/m，小于空气击穿场强30kV/cm。进而可推论出碳梁不会被击穿。

（3）针对该碳纤维叶片防雷系统，建议对温度敏感的部位填充耐高温材料，防止由雷电产生的高温影响其他设备的性能。

作者：文欢  齐志攀  王国军  杜鸣心  刘孟