周銘：大家好！我是POLYTECH的技術(shù)周銘，今天很榮幸和大家分享碳纖維葉片防雷設(shè)計(jì)的議題。

（PPT圖示）雷擊趨勢方面，目前風(fēng)機(jī)的尺寸和高度日益增長，風(fēng)機(jī)更多位于海上及更偏遠(yuǎn)的地區(qū)，這會(huì)直接導(dǎo)致風(fēng)機(jī)更容易遭受到雷擊，現(xiàn)在由于全球變暖的問題，雷擊越來越多，根據(jù)2016年的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，全球氣溫每升高一度雷擊會(huì)多發(fā)生11%，這會(huì)導(dǎo)致會(huì)有更多直接或者潛在的雷擊風(fēng)險(xiǎn)及雷擊造成的損傷，防雷系統(tǒng)有不足，同時(shí)停機(jī)和維修的成本也會(huì)逐漸增加。

（PPT圖示）雷電環(huán)境，對于風(fēng)機(jī)來說，現(xiàn)在風(fēng)機(jī)越來越高，意味著雷電會(huì)越來越多打到風(fēng)機(jī)上，更大的風(fēng)機(jī)意味著更多的停機(jī)成本，更遠(yuǎn)的風(fēng)場更高的維修成本。根據(jù)1998年的防雷標(biāo)準(zhǔn)來說，雷電損傷已經(jīng)成為最多停機(jī)和最高維修成本的原因，保險(xiǎn)公司的公開文件中也有這樣的聲明承認(rèn)雷電損傷的原因。對于現(xiàn)在來說，雷電損傷和前緣腐蝕依舊是風(fēng)機(jī)最多停機(jī)時(shí)間和維修的原因，我們要評估環(huán)境，承認(rèn)影響，在實(shí)際設(shè)計(jì)和運(yùn)營中主動(dòng)采取措施。

以歐洲海上為例，現(xiàn)在主要的風(fēng)機(jī)已經(jīng)是8到10的兆瓦，在風(fēng)機(jī)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(yù)測性，所以停機(jī)時(shí)間可能有增長。而8到10兆瓦停機(jī)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(huì)受到損傷，保險(xiǎn)公司或者整機(jī)廠商負(fù)責(zé)維修的費(fèi)用。老的2010年的防雷標(biāo)準(zhǔn)中通過與不通過測試只是提供一個(gè)信息，并沒有做強(qiáng)制性的要求。而在2019年新的防雷標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)將兩個(gè)大電流的測試作為強(qiáng)制性要求。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中建議，雷擊需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的參數(shù)。雷電的風(fēng)險(xiǎn)評估應(yīng)該成為風(fēng)場的微觀選址的部分，還要建議在風(fēng)機(jī)上安裝雷電監(jiān)測系統(tǒng)，通過結(jié)合當(dāng)?shù)乩讚羟闆r，結(jié)合風(fēng)機(jī)防雷系統(tǒng)的測試表現(xiàn)定制比較好的科學(xué)的監(jiān)測和保養(yǎng)風(fēng)機(jī)的計(jì)劃。

（PPT圖示）2010年防雷標(biāo)準(zhǔn)，那時(shí)候防雷系統(tǒng)只要能夠承受最高等級的雷電流，對葉片不造成結(jié)構(gòu)性損傷就可以了。雷擊損傷能夠讓風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)營一直到下一次例行維護(hù)和檢測范圍之內(nèi)即可。在新的標(biāo)準(zhǔn)中，對這些做了改進(jìn)。在標(biāo)準(zhǔn)中要求雷擊環(huán)境有文件的記錄，寫到設(shè)計(jì)文件中。還有四個(gè)雷電測試，在附錄D中有紀(jì)錄，是強(qiáng)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(jié)合當(dāng)?shù)乩讚舻那闆r定制維修和保養(yǎng)的間隔。

以上是背景知識(shí)。

關(guān)于碳纖維防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的流程。對于葉片或者所有的防雷系統(tǒng)原則只有兩個(gè)，一是保證雷擊在正確的位置，二是將雷電流安全導(dǎo)向地面。如何做到這兩點(diǎn)？首先，如何讓雷擊擊到正確的位置，這時(shí)候需要設(shè)計(jì)一個(gè)接閃器，讓雷故意打擊這個(gè)位置，在接閃器之間做絕緣線條做絕緣設(shè)計(jì)，這樣可以讓電場主要產(chǎn)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(gè)問題需要詳細(xì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，接閃器和接閃器需要有一個(gè)絕緣協(xié)作，做良好的絕緣。

如何將雷電流安全地導(dǎo)向地面？這時(shí)候?qū)σ戮€做設(shè)計(jì)，對于碳纖維講，引下線設(shè)計(jì)比玻纖復(fù)雜很多。總體來說，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(gè)導(dǎo)體上足以承受雷電。設(shè)計(jì)完之后需要進(jìn)行測試驗(yàn)證每一個(gè)導(dǎo)體的電流傳導(dǎo)能力是足夠的。所有的都要建立在最后一點(diǎn)，即設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)生產(chǎn)、質(zhì)量是一致的，這樣才是完好的防雷系統(tǒng)。

（PPT圖示）讓雷電擊中正確的位置，以上是比較成功的案例，當(dāng)有雷擊發(fā)生的時(shí)候，有數(shù)個(gè)上行先導(dǎo)，接通之后是一次雷擊。上面的例子雷擊發(fā)生在接閃器，這是比較成功的例子。下面的例子，在導(dǎo)線上也產(chǎn)生了上行先導(dǎo)，在雷擊打中了導(dǎo)線上產(chǎn)生的先導(dǎo)，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(shí)候需要考慮一系列的因素，我們可以做仿真，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中的要求，再結(jié)合實(shí)際左下角美國、中國、日本一些雷擊的數(shù)據(jù)收集，可以看到雷擊都是集中發(fā)生在夜間前5米的位置，所以在前5米要良好地設(shè)計(jì)接閃器，結(jié)合其保護(hù)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(dǎo)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(gè)位置做好好的分流和連接，將電流成功地導(dǎo)入到機(jī)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(chǎn)生了側(cè)閃異常情況。在機(jī)艙中沒有成功地將雷電流導(dǎo)入到機(jī)艙中去，沒有進(jìn)入機(jī)艙的接地系統(tǒng)，所以下面是失敗的防雷演示。

對于碳板中雷電流，進(jìn)行碳纖維葉片設(shè)計(jì)時(shí)需要做以下幾步，首先測量碳纖維的導(dǎo)電性，當(dāng)有雷電流過來之后計(jì)算電流和電壓分布情況。通過協(xié)調(diào)絕緣控制電壓分布，避免側(cè)閃，即當(dāng)有雷電過來后因?yàn)閮?nèi)部有電壓差而產(chǎn)生內(nèi)部閃電的情況。最后定義每個(gè)電流分布是否合理，定義測試規(guī)范驗(yàn)證電流傳導(dǎo)對于每個(gè)導(dǎo)體來說是否能夠承受。一種是中心以下線，接碳板的方法，現(xiàn)在常用的是右圖，使用金屬網(wǎng)對碳纖維進(jìn)行分流和保護(hù)。

在進(jìn)行電流和電壓分布時(shí)，我們公司采用這種方法，即對葉片整體進(jìn)行三維建模，對其進(jìn)行網(wǎng)格化處理，2.5D的有限元將每個(gè)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(jìn)去再看整個(gè)葉片的電流和電壓分布的情況。

（PPT圖示）假如只有一個(gè)引下線，對于碳板之間的等電流連接不做會(huì)發(fā)生什么情況？右邊有電壓差，電壓差遠(yuǎn)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(tǒng)有巨大的側(cè)閃的風(fēng)險(xiǎn)。我們得到仿真結(jié)果后需要對整個(gè)仿真系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，這里可以添加金屬網(wǎng)，將金屬網(wǎng)、引下線、碳板之間做等電位連接?，F(xiàn)在右圖電壓差已經(jīng)在200千伏范圍內(nèi)，電壓差是低于玻璃鋼板的電壓差，所以測算風(fēng)險(xiǎn)非常小。

除了對整個(gè)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(xù)連接的方法消除電壓差。

（PPT圖示）這是工作標(biāo)準(zhǔn)防雷系統(tǒng)的實(shí)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(xiǎn)的部分接閃非常可靠。之后的部分有幾種方法進(jìn)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(wǎng)可以采用連接塊的方法做連接，這套系統(tǒng)整體每個(gè)組件做過大電流的測試，可以作為標(biāo)準(zhǔn)化使用。

防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)完之后需要用4個(gè)測試，兩個(gè)大電壓，兩個(gè)大電流，測試全部通過之后碳纖維的防雷系統(tǒng)已經(jīng)完成了。如果采用我們公司POLYTECH產(chǎn)品，不需要使用大電流測試，我們已經(jīng)測試過。

我們POLYTECH是丹麥公司，業(yè)務(wù)覆蓋超過20個(gè)國家，我們前緣防護(hù)產(chǎn)品已經(jīng)安裝超過3萬個(gè)葉片上，同時(shí)還有一些光纖傳感器可以監(jiān)測葉片的載荷、結(jié)冰狀況和損傷狀況，傳感器安裝超過了1.5萬臺(tái)。我們是一個(gè)材料專家，提供一站式的解決方案。大家如果會(huì)后對于防雷或者前緣防護(hù)及葉片監(jiān)測有相關(guān)要求的話可以會(huì)后交流，謝謝大家！

（文章內(nèi)容來自于現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）