「引言」

碳纖維具有強度高、比強度、比模量大的特點，是結(jié)構(gòu)減重的優(yōu)質(zhì)候選材料。近年來，風電葉片大型化推動了碳纖維拉擠材料在風電葉片主梁制造中的應用。為了避免碳纖維拉擠板材因尺寸效應而產(chǎn)生應力集中，提高一體灌注成型后拉擠板與玻纖復合材料的界面強度，在使用碳纖維拉擠材料鋪設主梁之前，往往需要對其進行倒角和打磨處理。在切割和打磨中產(chǎn)生的碳粉往往會附著在拉擠板的表面，盡管在葉片生產(chǎn)流程中會對殘留碳粉進行清掃、集塵等處理，但仍無法完全消除。這些粉末隨著主梁的成型與轉(zhuǎn)運，經(jīng)過葉片生產(chǎn)中的多道工序，容易造成碳粉污染復合材料的情況。

葉片作為風電機組雷電風險最高的部件，其防雷系統(tǒng)的可靠性對機組能否在全生命周期中安全運行起到重要作用。碳粉是尺寸極小的懸空的導體，在靜電場中發(fā)生電感應會產(chǎn)生很高的電場強度；以往的研究發(fā)現(xiàn)，添加短切碳纖維填料可以使復合材料產(chǎn)生導電性。這些特性均可能使復合材料在電場作用下發(fā)生電弧擊穿，造成葉片損失。

[Kopsidas等]研究了雷電對碳納米管改性的環(huán)氧樹脂基碳纖維復合材料的損傷，發(fā)現(xiàn)加入0.5wt%質(zhì)量分數(shù)的碳納米管可以提高復合材料的電導率，降低雷電損傷，但無法完全避免。[Kumar等]制備了短切碳纖維增強的多種高分子基體復合材料，并進行了雷電損傷測試，結(jié)果表明單純增加復合材料的電導率并不一定能降低其雷電損傷。

考慮到葉片生產(chǎn)過程中碳粉的污染和碳纖維材料的導電性，有必要研究碳粉污染對風電葉片防雷性能的影響。

1. 理論模型與仿真分析

1.1 電介質(zhì)在靜電場中的物理模型

一般認為雷擊發(fā)生前，風電葉片處于靜電場中，材料內(nèi)部沒有電荷運動。此時主要的物理現(xiàn)象為電介質(zhì)在外電場作用下的極化，電介質(zhì)內(nèi)的極化強度Ｐ與電介質(zhì)內(nèi)部電場強度Ｅ的關系為：

P=Xeε0E

式中：Xe為電介質(zhì)的極化率。電介質(zhì)內(nèi)的電位移矢量可描述為：

D=εE

ε=(1+Xe)ε0

?·D=ρ

E=-?U

式中：ρ為某一點的自由電荷體密度；ε0為真空中的介電常數(shù)；U為空間中的電勢。

1.2 仿真模型參數(shù)的確定

對于碳粉在靜電場中的感應現(xiàn)象分析，確定其相對介電常數(shù)ε非常困難。電介質(zhì)在靜電場中的極化主要由分子正電荷中心與負電荷中心在電場中產(chǎn)生電距后的偏轉(zhuǎn)形成，分子本身處于束縛狀態(tài)無法自由移動；而對于理想導體，其內(nèi)部存在可運動的自由電子，介電常數(shù)還受到外電場頻率的影響。靜電場中角速度ω=0，此時金屬的相對介電常數(shù)為無窮大。對于各向異性的碳纖維來說，其纖維長度方向主要以石墨片層內(nèi)的自由電子產(chǎn)生介電性能，徑向以層間電子運動產(chǎn)生極化。

與金屬材料相比，碳纖維各方向的導電性有較大差距，例如銅的電導率約為6x107S/m，而碳纖維在纖維長度方向的電導率為105S/m量級，在纖維徑向的電導率為102S/m量級，其導電性介于理想導體與電介質(zhì)之間，難以達到理想導體的水平，所以無法簡單推斷其在靜電場中的介電性能。

大部分現(xiàn)代風力機葉片的運行角速度為0.8~2rad/s，相對于其外部電場具有較低的頻率，因此碳纖維的相對介電常數(shù)應取較大的數(shù)值。在實際測量中，采用數(shù)千赫茲低頻電場測得的相對介電常數(shù)在數(shù)千到數(shù)萬的量級。該數(shù)據(jù)雖無法作為碳纖維相對介電常數(shù)的準確參考，但在仿真模型中可利用參數(shù)化求解的方法，將碳纖維的相對介電常數(shù)在10~100000的范圍內(nèi)進行參數(shù)掃描，以研究相對介電常數(shù)對結(jié)果的影響。

圖1描述了碳粉深度為1mm情況下電場強度隨相對介電常數(shù)的變化曲線。當相對介電常數(shù)大于1000時，電場強度隨著相對介電常數(shù)增加而減小，當介電常數(shù)大于1000時，電場強度基本保持不變，各個結(jié)果間的最大偏差為0.05%。因此可將此偏差忽略，并將碳粉的相對介電常數(shù)設定為結(jié)果基本趨穩(wěn)的第一個值，即1000。

圖1.不同介電常數(shù)下電場強度仿真結(jié)果

1.3 仿真模型的建立

利用COMSOL軟件進行模型搭建。電極為直徑5cm的銅質(zhì)球形，復合材料板尺寸為1m x 1m x 10mm。電極垂直方向的投影位于邊長復合材料板中心，電極最低點距板表面5cm。根據(jù)SEM電鏡拍攝的照片，將碳粉幾何設定為圓柱體，直徑為6μm，高度為20μm，將碳粉置于球形電極正下方，在復合材料中的深度按步長為0.1mm進行參數(shù)掃描。

圖2.靜電場電勢分布：圓與矩形為電極和復合材料板的截面，接地點在復合材料板邊緣

設置邊界條件時，為了模擬相對極端的情況，將電極的電勢設置為1500kV，電極與接地點距離為0.5m，此時復合材料中心上表面的電場強度達到干燥空氣擊穿強度3kV/mm。樹脂的相對介電常數(shù)設置為4，電氣強度為22kV/mm。

模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，依據(jù)材料在靜電場中的特性，在幾何棱邊和尖端進行了加密和角細化。由于碳粉網(wǎng)格尺寸過小，與GFRP區(qū)的過渡段的網(wǎng)格尺寸增長速率應盡量降低。

1.4 仿真結(jié)果分析

圖3所示為電場強度隨碳粉分布深度增加的變化曲線。由圖3可以看出：當碳粉深度小于0.5mm時，電場強度隨深度增加而快速減小；當碳粉深度大于0.5mm時，電場強度隨碳粉深度增加緩慢減??；當深度達到0.8mm時，電場強度降低至雙酚A型環(huán)氧樹脂的電氣強度，也就是說，當碳粉深度大于此值時理論上不會發(fā)生電擊穿。

圖3.電場強度與碳粉深度的關系

2. 雷擊試驗

為了驗證數(shù)值仿真結(jié)果的有效性，采用IEC 61400-24附錄D中風電葉片防雷性能的高壓閃絡附著測試方法，并對測試方案進行優(yōu)化，以滿足含有碳粉的風電葉片蒙皮樣件在不同材料排布區(qū)域的防雷性能驗證要求。

2.1 試驗材料

制作試驗件所使用的原材料如表1所示。接地使用200g/㎡雙軸玻纖織物，接地點材料為黃銅板，樹脂中添加的碳粉是在拉擠板材切割打磨過程中收集而來。

表1.試驗件主要原材料

2.2 試樣制備

復合材料樣塊采取一體灌注的方式成型，每面蒙皮各鋪設12層EBX808雙軸布。樣品包含1m x 1m的純GFRP蒙皮區(qū)、0.5m x 2.5m的雙層碳纖維拉擠主梁區(qū)、主梁兩側(cè)各0.25m x 2.5m的含芯材區(qū)。

圖4.試驗件結(jié)構(gòu)示意圖

將碳粉以攪拌的方式分散在灌注樹脂的固化劑中，混合時沒有使用分散劑，目的是模擬葉片蒙皮灌注過程中碳粉的隨機分布。將碳粉添加量控制在樹脂總重的0.5wt%。根據(jù)文獻可知：此條件下材料的電導率為10-11S/m，仍為典型的絕緣體；較高的添加量可使試驗結(jié)果包絡的范圍更大。

2.3 試驗設計

試驗分為兩組，分別測試同碳纖維主梁相鄰的芯材區(qū)域以及純玻璃鋼區(qū)域。將樣品放置于一組絕緣子之上，試驗中連接高壓的球形電極分別放置在含芯材區(qū)邊緣和GFRP蒙皮區(qū)域中心，電極最低點距樣品表面5cm。

按照風電葉片防雷系統(tǒng)中采用的接地方式，將高壓發(fā)生器的接地線與碳纖維主梁層間碳布上的銅板連接；同時使用鋁膠帶將接地點引至碳梁與試驗區(qū)交界處的蒙皮表面，模擬風電葉片防雷系統(tǒng)中使用的金屬網(wǎng)。根據(jù)樣件尺寸，本著防止電弧繞過樣品上表面的原則，使含芯材區(qū)的試驗接地點距離電極25cm，GFRP蒙皮區(qū)域的試驗接地點距離電極50cm。

試驗按照IEC 61400-24標準中關于風電葉片高壓閃絡試驗的要求，采用1.2μs/50μs開路放電波形，電極正極性和負極性放電各進行三次，并拍照記錄閃絡發(fā)生時的情況。

2.4 試驗裝置和測試過程

高壓發(fā)生設備為4800kV電壓發(fā)生器，生產(chǎn)廠商為北京華天。高壓發(fā)生器共13級，設置每級70kV，共910kV電勢差。沖擊電壓測量系統(tǒng)型號為CDYH，由北京華天生產(chǎn)。表2記錄了各次雷擊測試的放電波形參數(shù)。

表2.高壓閃絡試驗放電波形參數(shù)

圖5.電極位置與接地點布置

2.5 試驗結(jié)果

圖6為雷電試驗閃絡照片。其中，圖6(a)、圖6(b)分別為GFRP蒙皮區(qū)正，負極性放電的照片；圖6(c)、圖6(d)分別為含有芯材區(qū)域正、負極性放電的照片。結(jié)果顯示，閃絡路徑經(jīng)過樣品表面，順利到達接地點，均未對復合材料板造成電擊穿。

圖6.雷電試驗閃絡照片

圖7為樣品在試驗中和試驗后的細節(jié)放大照片。從圖7(a)可以看出，除放電主閃絡外，還產(chǎn)生了多個細小閃絡附著于碳粉的現(xiàn)象，電流將碳粉加熱至發(fā)光，發(fā)光點均位于樣品表面。圖7(b)為GFRP蒙皮區(qū)域正閃擊后的表面情況。試驗樣品表面除細小的白點之外，未發(fā)現(xiàn)雷擊導致的分層或擊穿等破壞現(xiàn)象。由此可確定，發(fā)生閃絡的碳粉位置僅存留于樣品表面。為了進一步驗證該結(jié)果，在同一區(qū)域進行了六次正極性放電，復現(xiàn)了以上現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)樣品表面的白點并沒有明顯增加。

圖7.高壓閃絡試驗后樣品表面情況

2.6 仿真結(jié)果與試驗對照

試驗中，在GFRP蒙皮區(qū)發(fā)生放電時的實際電壓平均為600kV，將模型中電極的電勢調(diào)整到此平均值后，計算得到圖8所示結(jié)果。

圖8.調(diào)整電極電勢后的碳粉深度與電場強度的關系

從調(diào)整電極電勢后的仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，深度超過0.3mm的碳粉即可避免閃絡的發(fā)生。環(huán)氧樹脂作為一種介電材料，在靜電場中感應出的內(nèi)部電場會減弱材料內(nèi)部的總電場強度。當電介質(zhì)厚度足夠時，可以顯著地削弱碳粉表面因尖端效應引起的高電場強度，從而避免擊穿。

電弧擊穿GFRP深度越大，因其破壞分層的界面數(shù)量越多，復合材料表面觀察到的發(fā)白越明顯。雷擊試驗中，共進行了九次含有細小閃絡的放電后，仍無法觀察到明顯的復合材料破壞。仿真結(jié)果顯示，在樹脂深度較淺時可發(fā)生閃絡，略微增加深度即可避免閃絡，與試驗現(xiàn)象相互印證。

本文利用COMSOL軟件建立有限元模型計算含有碳粉的GFRP在靜電場中的電勢與電場強度分布，得出碳粉在GFRP中不同深度下電場強度的數(shù)值。

基于IEC 61400-24標準中高壓閃絡附著測試方法，對添加了碳粉的復合材料樣品的GFRP蒙皮區(qū)和芯材區(qū)進行了雷電試驗，發(fā)現(xiàn)在平均600kV和310kV的電勢差下發(fā)生了閃弧。結(jié)果表明，添加質(zhì)量分數(shù)0.5wt%碳粉的GFRP樣件在雷擊閃絡發(fā)生時不會發(fā)生擊穿。雷擊試驗中除主閃絡外，樣品表面還產(chǎn)生了數(shù)道終端為碳粉的細小閃絡，但對樣品表面僅有輕微影響。

欺該結(jié)果證明少量碳粉污染對風電葉片蒙皮的防雷性能影響輕微。試驗結(jié)果顯示閃絡僅發(fā)生在試驗樣品淺表面，印證了碳粉深度超過0.3mm時即可避免電弧發(fā)生的仿真結(jié)果。

來源：《復合材料科學與工程》

作者：徐?。淮掾旟i；王向東；李成良；黃輝秀