PolyTech A/S高级工程仿真经理、首席工程师Søren F. Madsen:《带有导电结构的风机叶片雷电暴露评估的数模方法及如何协同保护碳纤维复合材料》

2019-04-13 东方风力发电网 点击:34
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   2019年4月11—12日,第五届中国国际风电复合料高峰论坛(CWPC2019)于中国重庆隆重召开。在大会专题三:匠心独运 臻于完美——“智慧运维 安全认证”中,PolyTech A/S高级工程仿真经理、首席工程师Søren F. Madsen发表了题目为《带有导电结构的风机叶片雷电暴露评估的数模方法及如何协同保护碳纤维复合材料》的精彩演讲。

 

  以下为演讲实录:



 

  非常感谢能够邀请我来到这里做发言,会上我们听到了很多关于复合材料力学性能,包括其他方面的影响的报告,我从一个电器工程师的角度,会思考怎么解决风机叶片雷电暴露的问题,我们也在研究怎么样进行一个拉挤成型,以及复合材料方面的工作。

 

  首先它的力学性能,是不是足轻,根据我们的静音,碳纤维传导能力比铝差一千倍,有一些特性是我们非常喜欢的,有一些特性是我们不喜欢的。它们限制电流的密度,意味着传导电流和温度的时候,是完全不同的特性。与此同时呢,我们看到他们的传导性能,要比铝差一千倍。他们是一个非磁性的,是有限电流的密度。在碳纤维制作叶片的过程中,必须要注意使用单向的方式。必须要承认碳纤维很容易受到电流的影响,包括雷电电流,主梁更容易传导电流,受到雷电的攻击。

 

  首先谈一下IE61400—24Ed2,风机新的防雷规范,新版本IE61400—24Ed2第八届子部件的雷电防护,所有部件必须要根据LPL1的设计,制造商必须描述并记录叶片的雷电环境。

 

  看一下这个数据,这是过去几年收集的,来自于碳纤维的数据,叶片长度是34—45米,总共出现了304处损伤。另外一个数据是在两年前出版的,针对中国的风厂的数据。中国的风厂数据和这个情况非常相似,也展示了损伤的分布情况。出版的雷电数据的原因,就是让我们能够采取及时的风险评估和管控的措施,在设计叶片之前,必须能够将雷电环境具体化和明确化,必须要进行叶片的风险评估。

 

  首先要收集风机所在的位置,这个地区雷电分布情况,也要考虑到风机几何形状,越高越容易受到雷电的袭击,还要考虑到风机每年所遭受的雷击数量,每年预期这个区域会受到多少次雷击,包括雷击值的峰值是多少?有一些叶片可能受到了雷电的电击之后需要更换,我们可以评测损伤的程度,以及如何进行更换和维修。这是一个风险评估输出的情况,基于现状的数据,基于数学的数据,会产生这样一个图表,就是雷击风险评估图表,不同叶片的受到雷电袭击的情况都是不同的。也可以了解容易受到雷电袭击叶片的类型,容易受到雷电袭击的主要是中小型叶片,风险评估的输出,可以产生验证测试的指南。风机必须要考虑到未来25年有可能发生的雷击情况,包括雷击类型、电量、雷击数量。

 

  解决雷电环境问题之外,我们要考虑叶片的电流和电压的分布,当你有一个碳纤维的叶片,会对碳纤维的叶片进行一个测量,雷击可能会击到叶尖会出现对称的电流分布。累积到侧面会造成不对称的电流分布和增大电压分布,以及后续的短冲击影响。

 

  对于拉挤成型的叶片来说,中间会出现十个空白,会有十个不同类型的路径电流需要考量。这些数据对于进行统计和评估电流的情况至关重要,这是一个总的情况,这是一个集成电路的单元模型。定义励磁电流并计算各空间和时间内的电流和电椅,模型结果需要验证在所有的路径上,碳纤维,控制电缆和浪涌保护器以其他通电组件是否能够承受雷电流。

 

  叶片设计流程,首先是计算电压分布,配置等电位连接,根据设计和测试连接的要求来计算电流分布,详细设计测试,全尺寸模型验证测试,希望我们的模型能够得到一个验证,会把它们进行一个验证之后交给我们客户。我们也有相应的验证测试,测试是一个验证材料,子系统和整个系统的调查工具,测试能验证仿真模型。测试是子系统进行最终验证的要求,测试比仿真更容易理解你所听到的闻到的。测试比在现场发现问题更便宜,测试作为模拟器,必须是设计迭代的自然组成部分。

 

  碳纤维叶片相关的高压测试,决定了碳纤维不会被直接击中,如果意识到了,你的碳结构会暴露在雷击的风险之下,就必须要进行高电压测试。首先会测试这个设计是不是能够承受雷击?如果被击中需要用大电流的电弧注入测试保证损伤在可接受范围内,当然还要使用保护层。这是高电压附着测试的图片,在实验室里面测试9度、10度、19度叶片的角度,我们会测试不同角度下受到雷击的可能性,我们进行三次的短电闪击的测试。我们可以看到叶片在不同角度下受电击情况,进行一个判断。

 

  下面是次回闪附着测试,当初始先导产生附着之后,叶片可能会在长冲击时移动,雷电用10米每秒速度进行一个攻击。测试保持静止,几秒钟时间内,叶片可能会在长冲击的时候产生移动。我们测试可以确定由于次回闪产生的感应电压下降而造成的击穿情况,也可以用作评估在黑暗时期,也被称为冬雷侧闪的路径。

 

  碳纤维叶片相关的大电流测试,给一点电流可能就会出现爆炸的情况,首先是验证接口和连接口的阻抗,验证了原形之后,可以进行真实的测试。验证的子系统所表现的传导测试,可以进行测试,也可接受的火花等级测试,也可以进行电流承载能力测试。温度的分布是平均的,非常有趣之处在于,看到这个测试之后的样本决定我们的容忍度有多大,能不能够接受最终的测试结果。

 

  这是电流密度分布的测试,可以测试表面的温度,同时也可以测试碳纤维的电流密度,这是我们进行验证的模型,所以测试和建模是同步发生的。这是主梁的碳纤维板的测试,这个并不很严重,你要准备好叶片可能一年会被雷击十次,会对你的碳纤维叶片产生什么样的影响。

 

  结论:碳纤维叶片设计的时候,要保证它在雷击情况下的安全,明确叶片雷电环境和防雷区分,根据验证叶片模型来记录电流和电压分布,包括电压出现在哪里,怎么样能够进行电压监测记录电流和电压,设计和制造叶片碳纤维防雷接口,测试叶片所有高电压和大电流的表现并记录,根据雷电测量结果预测并制定保养计划。

 

  (发言由现场速记整理,未经本人审阅)



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