风电叶片接闪器腐蚀及其雷电试验研究

风电叶片接闪器腐蚀及其雷电试验研究

何韬

国家电投集团广西电力有限公司运营服务分公司 广西南宁 530000

摘要：由于风机发电机组整体高度超过100m，属于高大建筑物，安装在空旷的野外，面临着严重的雷电威胁。主流风力发电机组采用了玻璃钢复合材料叶片，由于叶片自身不导电，且处于风机最高的位置，使得叶片成为风力发电机组中最易受到雷击损伤的部件。为了解决叶片雷击问题，行业内一般采用在叶片表面安装接闪器、内部布置引下线的防雷方案。在整个叶片防雷方案中，接闪器具有至关重要的作用，既要保证有效接闪雷电，又必须能够承受雷电的复杂机械效应。根据叶片实际运行中遇到的接闪器大气腐蚀问题，研究了大气腐蚀的特点，归纳概括了常用铝合金材质叶片接闪器的腐蚀速率，并对接闪器1000h盐雾腐蚀后的叶片进行雷电试验，评估接闪器腐蚀后的防雷性能。

关键词：风电叶片；雷电防护；叶片接闪器；大气腐蚀；雷电试验

风力发电是一种大规模应用新能源，由于设备自身的特点，叶片容易遭受雷击，需安装接闪器进行雷电防护。根据叶片实际运行情况，长期暴露在室外环境中，叶片接闪器使用数月之后表面电阻值往往超过200mΩ。从某种情况分析接闪器腐蚀之后可能造成接闪雷电性能降低，但目前国内外暂无相关试验研究。本文从铝合金材料的大气腐蚀形态、机理以及中国不同区域的腐蚀程度归纳概括出叶片接闪器腐蚀的特征和速率，并结合IEC规定叶片雷电试验方法对A型号叶片接闪器腐蚀后开展试验测试，分析接闪器腐蚀对叶片雷电防护性能的影响规律。

1接闪器大气腐蚀

1.1腐蚀特征

大气腐蚀是指，材料或设备处于开放的环境条件下，受O2、水分子、污染物等因素的影响，产生腐蚀的一种现象。在大气腐蚀中，金属腐蚀的数量最多、覆盖面最广、破坏性最大。金属材料受到大气腐蚀后，表面颜色变灰暗并逐渐转变为其他颜色，不仅破坏其表面外观，腐蚀程度进一步发展会使得其体积缩小，导致承力部件的横截面逐渐变小，载荷增大，严重时导致结构失稳。传统的大气腐蚀分类是根据环境状况而定的，分为工业大气腐蚀、海洋大气腐蚀、乡村大气腐蚀、城市大气腐蚀等，但这分类不够细致，无法为定量方面的研究提供参考。国际标准化组织根据金属材料在自然环境暴露试验获得的测量数据，给出了腐蚀因素影响因子与腐蚀速率的关系，并重新进行科学的腐蚀分类，将金属及其合金的腐蚀分为6个等级，从C1、C2、C3、C4、C5、CX腐蚀程度依次增强，其中，CX适用于极度污染、高温、湿润、存在盐雾环境的金属腐蚀评估。

叶片的接闪器最常用的是铝合金材质，比如5系铝合金、2系铝合金。由于风机使用性很广，其面临着多重环境下的大气腐蚀。一般情况，叶片接闪器表面与空气接触，容易形成较薄、致密、坚硬的天然氧化膜（Al2O）3。铝合金的大气腐蚀是电化学反应的过程，材料与大气中的H2O、O2及腐蚀性介质的联合作用而发生电化学破坏，产生Al(OH)3胶体，并在材质表面形成较低pH水膜时完全溶解，在材料表面形成凹坑，这一腐蚀形态在叶片实际运行情况下也存在。铝合金在海洋环境下抗腐蚀能力优异。综合以上分析，铝合金暴露在大气环境腐蚀后主要产物为Al2O3，在一些特殊的大气环境的长期作用下，表面会产生凹坑的点腐蚀和体积缩小现象。因此，叶片接闪器大气腐蚀可以分为3种物理模型：表面厚度增加，形成一层薄膜，导电性能下降；表面形成氧化膜，且局部形成凹坑，导电性能下降；表面因物理作用体积减小，导电性能不发生变化，同时，接闪器表面形成氧化膜的情况在叶片运维检查中发现次数最多，这一物理模型最接近实际。

1.2腐蚀速率

在温度10℃、湿度100%、SO2沉积率150.4mg/(m2·d)、Cl-沉积率760.5mg/(m2·d)的条件下，铝材质第1年腐蚀速率最大值为3.8μm/a。在中国的大气环境下，2系和5系铝合金的腐蚀速率远低于3.8μm/a，第1年腐蚀速率最高测量值为2.6μm/a。另外，金属及其合金第1年腐蚀速率最快，后续多年内腐蚀速率减缓。因此，从叶片雷电防护角度考虑，可以认为中国大气环境下的铝合金叶片接闪器腐速率不超过3.8μm/a，20a使用期间累计腐蚀厚度不超过76μm。

2防雷性能的影响评估

为了进一步确定接闪器腐蚀后对雷电接闪性能和可靠性的影响，本研究依据IEC61400-24：2019风力发电系统第24部：防雷规定的试验方法，对接闪器腐蚀后的A型号叶片开展了雷电试验评估。

2.1试验对象

叶片的防雷方案由接闪器、引下线和接地组成。接闪器一般有铝叶尖和叶身接闪器2种，铝叶尖的外露体积大，具有尖的后缘和尖端，容易接闪雷电，而在叶片实际运行环境中，接闪系统的腐蚀程度为μm级别，对铝叶尖雷电接闪性能的影响相对较小。因此，接闪器腐蚀后叶片防雷性能受影响的关键是叶身接闪器，也是主要的评估对象。本雷电试验评估研究选取A型号2MW叶片尖部5m选段，这部分安装有5系铝合金材质接闪器。

接闪器按照GB/T10125—2012人造气氛腐蚀试验盐雾试验（国标等同ISO9227）中的方法进行中性盐雾试验。盐雾腐蚀时，采用电导率不超过20μS/cm的蒸馏水或去离子水，配制质量浓度(50±5)g/L的NaCl溶液，并调整pH值在6.5～7.2之间，腐蚀周期1000h。在制作腐蚀样件前，保护接闪器安装螺纹部分，保证盐雾仅腐蚀接闪器顶部圆盘，待样件制作完成后用清水重洗接闪器表面。

2.2试验内容

本研究依据IEC61400-24：2019风力发电系统第24部：防雷标准中附录D的测试要求，开展了叶片、叶身、接闪器的防雷通过扫掠通道附着和电弧注入试验。

2.3试验过程

雷电试验按照IEC61400-24：2019风力发电系统第24部：防雷附录D推荐的方法进行。

2.4接闪性能影响评估

试验验证，接闪器盐雾腐蚀后仍能保证雷电从叶片表面爬弧至接闪器，形成连接先导而不击穿叶片，接闪性能满足要求。这是因为雷电路径选择主要与雷云和接闪点电压差有关，虽然接闪器表面形成腐蚀层，但接闪器与大地相连通，电极与接闪器之间电压未发生变化，接闪器仍是雷电发生的最佳路径。

2.5防雷可靠性的评估

盐雾腐蚀后的接闪器在3次200kA雷电流电弧冲击。从试验结果来看，腐蚀后的接闪器在多次雷击后表面发生熔化，但自身结构无变形，螺纹连接区域完好，叶片表面玻璃钢无起毛和开裂现象（表面发黑为瞬间高温造成表面毡碳化，是叶片雷电试验中正常的现象），接闪器能够为叶片表面提供有效的雷电防护。进一步分析测试评估结果，发现雷电机械效应主要与接闪器本身的结构有关，而接闪器腐蚀主要发生在外表面，接闪器连接部分不暴露在大气环境之下，腐蚀后结构不发生变化，所以，雷电机械效应带来的影响不会影响接闪器的防雷性能。

3结语

铝合金电气腐蚀可以分为表面厚度增加形成氧化膜、表面形成氧化膜且局部形成凹坑以及表面体积减小3种物理模型，主要以第1种模型为主，这可以作为进一步建模研究的基础。2系和5系铝合金材质叶片接闪器能够较好地抵抗大气腐蚀，环境适应性强，2系使用寿命期间，腐蚀厚度为μm级别。5系铝合金接闪器在1000h中性盐雾腐蚀后，雷电接闪性能和防护可靠性均满足最新版IEC61400-24：2019风力发电系统第24部：防雷的要求，能够有效保护叶片免受雷电灾害的影响。

参考文献：

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