碳纖維葉片的防雷電保護系統設計

由于相對于玻璃纖維葉來說，碳纖葉片是導體，所以對碳纖葉片進行防雷電保護比對純玻璃纖維葉片進行保護要復雜得多。
這些技術挑戰簡短綜述如下：

A： 材料本身特性

雷電襲擊對玻璃纖維葉片的破壞往往是在葉片的前后緣，但是對于沒有任何保護措施的碳纖維葉片來說，破壞部位往往是承受負載的主要層面上，由于這些部位是導體碳的部位。LM公司對碳纖維葉片樣本進行的高壓沖擊實驗表明固然碳纖維是傳統意義上的半導體材料（因此電阻是金屬的很多倍），但是被雷電擊中的頻率與實際的雷電接受器一樣。閃電的頭部與彩色長帶在兩種材質中的傳播速度一樣。因此技術上的困難是確保彩色長帶與閃電頭部從風機葉片易遭受閃電襲擊的部位迅速傳播開，與此同時，應該防止閃電彩色長帶與頭部在最不希看遭受閃電襲擊的部位形成，例如，碳纖維層，由于一些現實的因素這些碳纖維層不能被設計成具有抗閃電電流襲擊的特性。即使一個中等強度的直接擊中碳纖維主層的閃電也會導致葉片嚴重的破壞。 123,123


圖1：高壓沖擊實驗

由上圖知，沒有安裝分流器的主碳纖維層的前緣比接受器更輕易受到閃電襲擊

B：內部飛弧

對于碳纖維與金屬組成的導體，需要特別關注電壓差的題目，否則，由于碳纖維和金屬的自感應系數不同，當閃電電流以較高頻率沿著葉片傳播時，電火花會在導體的不同材質之間移動。一段時間后，在葉片內部形成的大火花，可以使葉片碳纖維材料炭化，給葉片造成嚴重的破壞，最嚴重的可以使葉片發生火災。

C：電流傳導

LM公司高強度電流實驗表明單獨使用碳纖維層傳導閃電引起的葉片內的電流是不行的。碳纖維層不能吸收一級閃電（電流=200 kA，特殊能量=10 MJ/ohm）襲擊帶來的特殊能量，否則將導致對葉片嚴重的破壞。同時，碳纖維層也不能傳導閃電的能量，否則將導致葉片起火。 123456


圖2 強電流對主碳層的沖擊實驗

　　符合IEC 61312附錄C標準，217 kA, 3.28MJ/ohm。實驗的結果是在葉片主碳層上形成了一個大洞，在真實情況下，這足以導致葉片不能使用。


圖3：與圖1所示事件相同

　　但是這是在沖擊發生后用10-15秒的紅外照相機拍攝到的照片；溫度等級圖表明洞四周的部分溫度已經超過153°C，洞中間的碳纖維仍然在燃燒。

LM DiverterStrip的背景

LM 61.5 P發展的初期階段，葉片結構中有碳纖維主層。LM公司致力于設計一種低維修的帶有閃電保護系統的葉片，這就意味著用于保護碳纖維的常見的方法不適用于這種目的，需要開發一種全新的概念，把新的以及已經熟悉的閃電保護方法整和進風機葉片的制造。因此，從制造LM 61.5 P碳纖維葉片的開始，閃電保護系統就是開發LM 61.5 P碳纖維葉片工作的一部分。

開發LM 61.5 P碳纖維葉片工作的困難之一是進步接受器捕捉閃電的能力，因此可以避免如圖3所示的對半導體碳纖維的破壞性的襲擊。在這方面，LM公司工程師受到了用于航空的分流器帶的啟發。分流器帶已經在航空器上使用數年，用來保護安裝在航空器上的雷達天線屏蔽器裝置。這種雷達天線屏蔽器用玻璃纖維制成，確保來自于雷達的數字信號可以不受阻礙的穿過材質。當雷達天線屏蔽器同時安裝有控制飛行器的關鍵儀器時，保護這一部分免遭雷電襲擊就顯得格外重要。由于用于航空器上的分流器帶在遭受雷電襲擊一兩次后就將被替換掉，所以用于航空器上的分流器帶假如用于風電機組需要做一些改進。因此有必要開發一種用于風電機組葉片的全新分離器帶。