CN111323569B - 一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及雷击实验领域，具体涉及一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，包括冲击电流发生器、绝缘支架、引流装置、接地回路和样品监测装置，所述冲击电流发生器包括充电模块、储能模块、触发模块、波形调节模块和测控模块。本发明解决了目前的国内外标准都没有雷击玻璃纤维增强树脂基复合材料GFRP的实验装置规定，雷击实验室面对测试需求也难以开展相关的测试服务的问题。本发明通过冲击电流发生器产生波形和幅值可调的雷击电流，可根据样品安装位置的预期雷电流进行实验，彻底解决了雷电流测试中波形和幅值的要求，极大地提高了实验和真实雷击情况的一致性。

Description

一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台
技术领域
本发明涉及雷击实验领域，具体涉及一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台。
背景技术
雷电对地面的结构/建筑物会造成严重的威胁。近年来随着可再生能源的大力发展，对更高效的风力发电和制造技术的需求快速增长，使得世界范围内的风力涡轮机的尺寸在不断加大。叶片顶端高度的增加和风力发电场被放置在海上的趋势使得风力涡轮机遭受雷击的风险增加。风机叶片遭受雷击，维修更换会导致长时间的停机，并造成昂贵的经济损失。尤其是近年来风机叶片采用大量的导电性能差的玻璃纤维增强树脂基复合材料GFRP，使得风机叶片遭受雷击时的损伤程度加大。为了研究和测试用于风机叶片的玻璃纤维增强树脂基复合材料GFRP，叶片厂家、风机厂家和风电场业主等要求对叶片所使用的GFRP材料进行雷击实验。
目前的国内外标准都没有雷击玻璃纤维增强树脂基复合材料GFRP的实验装置规定，雷击实验室面对测试需求也难以开展相关的测试服务。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，解决风机叶片在雷击下的耐受性能的考核和研究，提升风机叶片的雷电防护能力，降低了风机的雷击损失，在整体上提升风机系统运行的稳定性和安全性。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，包括冲击电流发生器、绝缘支架、引流装置、接地回路和样品监测装置；所述冲击电流发生器用于输出第一雷击电流和接收第二雷击电流；所述绝缘支架用于放置GFRP样品，所述引流装置用于将所述第一雷击电流引导至GFRP样品上，所述接地回路用于接收来自所述GFRP样品的第二雷击电流并将其引回至所述冲击电流发生器，所述样品监测装置用于拍摄及记录样品在实验过程中的状态。
优选地，所述冲击电流发生器用于产生规定波形和幅值的第一雷击电流；其包括：充电模块、储能模块、触发模块、波形调节模块、输出模块、接收模块和测控模块；
其中，所述充电模块用于将电网的交流电通过整流硅堆转换直流电给储能模块冲电；所述储能模块用于存储电荷；所述触发模块用于接通所述储能模块和放电回路，将存储在所述储能模块中的电荷进行泄放，形成放电电流；所述波形调节模块用于调节放电电流的波形，以使所述放电电流的波形满足设定的要求；所述输出模块，用于将调节得到的所述第一雷击电流输出至所述引流装置；所述测控模块用于控制所述充电模块、储能模块、触发模块和波形调节模块的协同工作，同时测量放电电流的波形和幅值，监控所述冲击电流发生器的工作状态和输出；所述接收模块用于接收来自所述接地回路的第二雷击电流。
优选地，所述绝缘支架包括绝缘承载台、绝缘挡板和放电电极；所述绝缘承载台用于放置样品；所述绝缘挡板架设在所述绝缘承载台的上方，所述放电电极向下贯穿在所述绝缘挡板中；所述放电电极的上端与所述引流装置连接，下端与所述绝缘承载台之间留有间隙；所述间隙的距离大于样品的厚度。
优选地，所述引流装置为导体材料制成，用于将所述冲击电流发生器产生的第一雷击电流引入所述绝缘支架上的放电电极，从而实现第一雷击电流流入GFRP样品。
优选地，所述引流装置的材料为铜皮、铜编织带或铜缆。
优选地，所述接地回路为导体材料制成，用于将流出GFRP样品的第二雷击电流引导回所述冲击电流发生器中；所述接地回路的一端连接于GFRP样品上，另一端连接于所述冲击电流发生器上。
优选地，所述接地回路的材料为铜皮、铜编织带或铜缆。
更优选地，所述放电电极为圆柱长条状。
优选地，所述引流装置和所述接地回路的表面还设置有保护层。
优选地，所述保护层的材料为阻燃橡胶复合材料制备而成，所述阻燃橡胶复合材料按照重量份，由以下成分组成：
PVC树脂50～80份，氯丁橡胶10～20份，丁苯橡胶30～50份，硬脂酸3～5份，粉煤灰8～16份，纳米蒙脱土35～45份，二乙氧基二甲基硅烷2～3份，膨胀珍珠岩20～30份，麦饭石粉20～30份，防老剂2.5～5份，过氧化苯甲酸叔丁酯2～4份。
优选地，所述绝缘承载台和绝缘挡板由支撑结构和覆盖在所述支撑结构表面的绝缘材料层组成；所述绝缘材料层为气凝胶绝缘材料制备而成；所述支撑结构为绝缘性能优异的环氧板。
优选地，所述环氧板由改性环氧树脂复合材料组成；其中，所述改性环氧树脂复合材料的制备方法如下：
(1)将一种或一种以上含有环氧基团的三烷氧基硅烷在pH＝3的条件下进行水解缩聚反应，制得环氧基半硅氧烷；
(2)将有机硅预聚体与粘度低于5000mpa·s的环氧树脂混合均匀，以无水乙醇和丙酮作为反应介质，制备出有机硅改性环氧树脂预聚体；
其中，所述有机硅预聚体为一种或一种以上三烷氧基硅烷水解混合产物；
(3)将所述环氧基半硅氧烷与所述有机硅改性环氧树脂预聚体以质量比为0.5:1混合，在60℃下继续反应2～5h，减压脱除低分子副产物及溶剂，加入活性稀释剂以及固化剂即可得到改性环氧树脂复合材料。
优选地，所述气凝胶绝缘材料的制备方法为：
S1.将磷酸二氢铝溶于去离子水中，以200～300rpm的速度搅拌10～12h，得到磷酸二氢铝溶液；将埃洛石纳米粉与去离子水混合，以8000～10000rpm的速度搅拌0.5～1h，形成均匀的埃洛石混合液；将所述磷酸二氢铝溶液与所述埃洛石混合液以体积比为1:1混合至均匀，得到混合液A；
其中，磷酸二氢铝与去离子水的质量比为1～3:100；埃洛石纳米粉与去离子水的质量比为2～5:100；
S2.称取0.2g硫酸钙粉末和0.1g柠檬酸亚锡二钠至所述混合液A中，以8000～10000rpm的速度混合5～10min，之后放置于室温下静置固化24～48h，得到固体物B；
其中，硫酸钙粉末、柠檬酸亚锡二钠和所述混合液A的质量比为2:1:100；
S3.将所述固体物B置于质量浓度为30～50％的乙醇溶液中，升温至35～40℃，以50～100rpm的速度搅拌2～5h，得到产物C；
其中，所述固体物B与乙醇溶液的质量比为1:50～100；
S4.将所述产物C缓慢置于乙二醇/干冰浴中，直至所述产物C被完全浸没，之后静置10～20min，取出后置于真空-50℃条件下冷冻干燥，最终得到气凝胶绝缘材料；
其中，乙二醇/干冰浴的温度控制在-15～-10℃之间。
优选地，所述雷击实验装置在使用时，应与装置周围的导体及地面保持大于50cm的距离。
本发明用于雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料GFRP，具有以下优点：
1.本发明通过冲击电流发生器产生波形和幅值可调的雷击电流，可根据样品安装位置的预期雷电流进行实验，彻底解决了雷电流测试中波形和幅值的要求，极大地提高了实验和真实雷击情况的一致性。
2.本发明设计了绝缘支架，引流装置和接地回路。绝缘支架应牢固、稳定并具有对周围导体和对地足够的绝缘强度。支架上可水平放置GFRP样品。引流装置可用铜皮，铜编织带或铜缆，将从冲击电流发生器输出的雷击电流安全、可控地注入水平放置在绝缘支架上的被测GFRP样品，再通过用铜皮，铜编织带或铜缆制成的接地回路将雷击电流安全、可控的引导回冲击电流发生器。从而解决了雷击实验时可能对周围环境旁侧闪击的安全问题，也解决了雷击电流产生的电动力影响样品固定的问题。本发明使用了监测装置，该装置可采用摄像器材，通过三角架立于地面或者固定在绝缘支架上，拍摄雷击实验时候的样品状态。由于雷击过程存在强电磁脉冲干扰，监测装置需用电池供电。
3.本发明中引流装置和接地回路的保护层由阻燃橡胶复合材料制备而成，其中，阻燃复合材料由PVC树脂、氯丁橡胶、丁苯橡胶、硬脂酸、粉煤灰、纳米蒙脱土、二乙氧基二甲基硅烷、膨胀珍珠岩、麦饭石粉、防老剂和过氧化苯甲酸叔丁酯组成，本发明以PVC树脂与氯丁橡胶、丁苯橡胶为基料，制备的阻燃橡胶复合材料不易断裂；而通过控制上述原料的含量，并与粉煤灰、纳米蒙脱土、二乙氧基二甲基硅烷、膨胀珍珠岩、麦饭石粉作用，相互间相容性和结合力强，使本发明力学性能好，不易断裂，在热稳定性能及耐老化性能的基础上，成本极低。
4.本发明的支撑结构为环氧板，所述环氧板由改性环氧树脂复合材料组成。其中，本发明制备的改性环氧树脂复合材料兼具有机无机杂化复合材料的优点，且在制备过程中无“三废”排出，绿色环保且合成工艺简单可控，具有优异的耐高温绝缘防护、耐候性及力学性能。
5.本发明的在绝缘承载台和绝缘挡板上使用气凝胶绝缘材料作为表面保护层，是为了能够保证在进行雷击测试实验时对绝缘支架的稳定性进行保护，从而保证整个实验的顺利进行。该气凝胶绝缘材料采用埃洛石和磷酸二氢铝制备而成，所制备得到的气凝胶材料不仅具有高绝缘性(即高层间电阻和击穿电压)，还具有较强的阻燃性和耐高温性，这样在本发明实验装置进行雷击测试时，能够防止较强的雷击电压对绝缘支架的损坏。以埃洛石为气凝胶的主要材料，在添加了磷酸二氢铝后，极大的减少了有机聚合物的用量，降低了气凝胶材料的热释放速率。且本发明所制备的气凝胶绝缘材料的结构呈三维网络状，密度低、孔隙率高，从而使气体的导热产生较大的阻碍，限制了气体的导热速率。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台结构示意图；
图2为本发明冲击电流发生器的结构示意图。
附图标记：充电模块(1)；储能模块(2)；触发模块(3)；调波模块(4)；测控模块(5)；冲击电流发生器(10)；绝缘支架(20)；绝缘承载台(21)；绝缘挡板(22)；放电电极(23)；引流装置(30)；接地回路(40)；监测装置(50)。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例
一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，如图1所示，包括冲击电流发生器(10)、绝缘支架(20)、引流装置(30)、接地回路(40)和监测装置(50)；
其中，冲击电流发生器(10)用于输出第一雷击电流和接收第二雷击电流，绝缘支架(20)用于放置GFRP样品，引流装置(30)用于将第一雷击电流和从冲击电流发生器(10)引导至GFRP样品上的雷击点处，接地回路(40)用于将第二雷击电流从样品导引回冲击电流发生器(10)，样品监测装置(50)用于拍摄及记录样品在实验过程中的状态。
如图2所示，冲击电流发生器(10)包括充电模块(1)、储能模块(2)、触发模块(3)、波形调节模块(4)、输出模块、接收模块和测控模块(5)；
其中，充电模块(1)用于将电网的380伏交流电通过整流硅堆转换直流电给储能模块冲电。储能模块(2)用于存储电荷；触发模块(3)用于接通储能模块(2)和放电回路，将存储在储能模块(2)中的电荷进行泄放，形成放电电流；波形调节模块(4)用于调节放电回路的电阻、电感和电容，使放电电流的波形满足设定的要求。输出模块用于将调节得到的第一雷击电流输出至引流装置；测控模块(5)用于控制充电模块(1)、储能模块(2)、触发模块(3)和波形调节模块(4)的协同工作，同时测量放电电流的波形和幅值，监控冲击电流发生器(10)的工作状态和输出；接收模块用于接收来自接地回路的第二雷击电流。
冲击电流发生器(10)能够产生规定波形和幅值的雷击电流。
绝缘支架(20)包括绝缘承载台(21)、绝缘挡板(22)和放电电极(23)；绝缘承载台(21)用于水平放置样品；绝缘挡板(22)架设在绝缘承载台(21)的上方，放电电极(23)垂直向下地贯穿在绝缘挡板(22)的中心；放电电极(23)的上端与引流装置(30)连接，下端与绝缘承载台(21)之间留有间隙；间隙的距离大于样品的厚度。
引流装置(30)为导体材料制成，用于将冲击电流发生器(10)产生的冲击电流引入绝缘支架(20)上的放电电极(23)，从而实现冲击电流流入样品。
引流装置(30)的材料为铜皮、铜编织带或铜缆。
接地回路(40)为导体材料制成，用于将流出样品的冲击电流引导回冲击电流发生器(10)中；接地回路(40)的一端连接于样品上，另一端连接于冲击电流发生器(10)上。
接地回路(40)的材料为铜皮、铜编织带或铜缆。
放电电极(23)为圆柱长条状。
绝缘承载台(21)和绝缘挡板(22)由支撑结构和覆盖在支撑结构表面的绝缘材料层组成；支撑结构为绝缘材料；绝缘材料层为气凝胶绝缘材料制备而成。
支撑结构为环氧板，环氧板由改性环氧树脂复合材料组成；其中，改性环氧树脂复合材料的制备方法如下：
(1)将一种或一种以上含有环氧基团的三烷氧基硅烷在pH＝3的条件下进行水解缩聚反应，制得环氧基半硅氧烷；
(2)将有机硅预聚体与粘度低于5000mpa·s的环氧树脂混合均匀，以无水乙醇和丙酮作为反应介质，制备出有机硅改性环氧树脂预聚体；
其中，有机硅预聚体为一种或一种以上三烷氧基硅烷水解混合产物；
(3)将环氧基半硅氧烷与有机硅改性环氧树脂预聚体以质量比为0.5:1混合，在60℃下继续反应2～5h，减压脱除低分子副产物及溶剂，加入活性稀释剂以及固化剂即可得到改性环氧树脂复合材料。
其中，气凝胶绝缘材料的制备方法为：
S1.将磷酸二氢铝溶于去离子水中，以200～300rpm的速度搅拌10～12h，得到磷酸二氢铝溶液；将埃洛石纳米粉与去离子水混合，以8000～10000rpm的速度搅拌0.5～1h，形成均匀的埃洛石混合液；将所述磷酸二氢铝溶液与所述埃洛石混合液以体积比为1:1混合至均匀，得到混合液A；
其中，磷酸二氢铝与去离子水的质量比为1～3:100；埃洛石纳米粉与去离子水的质量比为2～5:100；
S2.称取0.2g硫酸钙粉末和0.1g柠檬酸亚锡二钠至混合液A中，以8000～10000rpm的速度混合5～10min，之后放置于室温下静置固化24～48h，得到固体物B；
其中，硫酸钙粉末、柠檬酸亚锡二钠和混合液A的质量比为2:1:100；
S3.将固体物B置于质量浓度为30～50％的乙醇溶液中，升温至35～40℃，以50～100rpm的速度搅拌2～5h，得到产物C；
其中，固体物B与乙醇溶液的质量比为1:50～100；
S4.将产物C缓慢置于乙二醇/干冰浴中，直至产物C被完全浸没，之后静置10～20min，取出后置于真空-50℃条件下冷冻干燥，最终得到气凝胶绝缘材料；
其中，乙二醇/干冰浴的温度控制在-15～-10℃之间。
雷击实验装置在使用时，应与装置周围的导体及地面保持大于50cm的距离。
绝缘支架(20)、引流装置(30)和接地回路(40)构成实验装置的主体。GFRP实验样品放置在绝缘支架(20)上，冲击电流发生器(10)的输出电流通过引流装置(30)引到绝缘支架(20)上。绝缘支架(20)上的放电电极对GFRP实验进行放电。放电电流流过GFRP实验样品后通过接地回路(40)流回冲击电流发生器(10)。在实验过程中，监测装置(50)拍摄GFRP实验样品的状态。
对本发明实施例所制备的厚度为0.5±0.01mm气凝胶绝缘材料的阻燃性和绝缘性进行检测，其中阻燃性的检测使用的标准是GB/T2406.2-2009，检测气凝胶绝缘材料的极限氧指数；绝缘性的检测包括表面电阻检测和击穿电压检测，表面电阻的检测使用国家标准GB/T 1410-2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》，击穿电压检测使用国家标准GB/T 1408-2006《固体绝缘材料电气强度试验方法工频下试验》，检测结果如表1所示：
表1气凝胶绝缘材料的阻燃性和绝缘性
Figure BDA0002427479320000071
此外，为了进一步验证本发明所制备的气凝胶绝缘材料的阻燃隔热性，本发明还做了如下实验：将1mL亚甲基蓝水溶液滴在厚度为0.5±0.01mm的气凝胶绝缘材料的上表面上，并在气凝胶绝缘材料的下表面放置温度为1000±10℃的酒精吹灯加热10min，气凝胶绝缘材料上表面的亚甲基蓝水溶液液滴在加热10min后只有少量蒸发，且气凝胶绝缘材料底部也仅仅只有部分碳化。由于热导率与温度成正比，热导率随温度的升高而升高，经检测，当温度达到1000℃时，本发明所制备的气凝胶绝缘材料的热导率仅增加到0.153～0.174w/m·K。由此，可以证明本发明所制备的气凝胶绝缘材料具有优异的阻燃隔热性。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，其特征在于，包括冲击电流发生器、绝缘支架、引流装置、接地回路和样品监测装置；所述冲击电流发生器用于输出第一雷击电流和接收第二雷击电流；所述绝缘支架用于放置GFRP样品，所述引流装置用于将所述第一雷击电流引导至GFRP样品上，所述接地回路用于接收来自所述GFRP样品的第二雷击电流并将其引回至所述冲击电流发生器，所述样品监测装置用于拍摄及记录样品在实验过程中的状态；
所述绝缘支架包括绝缘承载台、绝缘挡板和放电电极；所述绝缘承载台用于放置样品；所述绝缘挡板架设在所述绝缘承载台的上方，所述放电电极向下贯穿在所述绝缘挡板中；所述放电电极的上端与所述引流装置连接，下端与所述绝缘承载台之间留有间隙；所述间隙的距离大于样品的厚度；
所述绝缘承载台和绝缘挡板由支撑结构和覆盖在所述支撑结构表面的绝缘材料层组成；
所述支撑结构为绝缘性能优异的环氧板制备而成；所述绝缘材料层为气凝胶绝缘材料制备而成；
所述气凝胶绝缘材料的制备方法为：
S1.将磷酸二氢铝溶于去离子水中，以200~300rpm的速度搅拌10~12h，得到磷酸二氢铝溶液；将埃洛石纳米粉与去离子水混合，以8000~10000rpm的速度搅拌0.5~1h，形成均匀的埃洛石混合液；将所述磷酸二氢铝溶液与所述埃洛石混合液以体积比为1:1混合至均匀，得到混合液A；
其中，磷酸二氢铝与去离子水的质量比为1~3:100；埃洛石纳米粉与去离子水的质量比为2~5:100；
S2.称取0.2g硫酸钙粉末和0.1g柠檬酸亚锡二钠至所述混合液A中，以8000~10000rpm的速度混合5~10min，之后放置于室温下静置固化24~48h，得到固体物B；
其中，硫酸钙粉末、柠檬酸亚锡二钠和所述混合液A的质量比为2:1:100；
S3.将所述固体物B置于质量浓度为30~50%的乙醇溶液中，升温至35~40℃，以50~100rpm的速度搅拌2~5h，得到产物C；
其中，所述固体物B与乙醇溶液的质量比为1:50~100；
S4.将所述产物C缓慢置于乙二醇/干冰浴中，直至所述产物C被完全浸没，之后静置10~20min，取出后置于真空-50℃条件下冷冻干燥，最终得到气凝胶绝缘材料；
其中，乙二醇/干冰浴的温度控制在-15~-10℃之间。
2.根据权利要求1所述的一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，其特征在于，所述冲击电流发生器用于产生规定波形和幅值的第一雷击电流；其包括：充电模块、储能模块、触发模块、波形调节模块、输出模块、接收模块和测控模块；
其中，所述充电模块用于将电网的交流电通过整流硅堆转换直流电给储能模块充电；所述储能模块用于存储电荷；所述触发模块用于接通所述储能模块和放电回路，将存储在所述储能模块中的电荷进行泄放，形成放电电流；所述波形调节模块用于调节放电电流的波形，以使所述放电电流的波形满足设定的要求；所述输出模块，用于将调节得到的所述第一雷击电流输出至所述引流装置；所述测控模块用于控制所述充电模块、储能模块、触发模块和波形调节模块的协同工作，同时测量放电电流的波形和幅值，监控所述冲击电流发生器的工作状态和输出；所述接收模块用于接收来自所述接地回路的第二雷击电流。
3.根据权利要求1所述的一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，其特征在于，所述引流装置为导体材料制成，用于将所述冲击电流发生器产生的第一雷击电流引入所述绝缘支架上的放电电极，从而实现第一雷击电流流入GFRP样品。
4.根据权利要求1所述的一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，其特征在于，所述接地回路为导体材料制成，用于将流出GFRP样品的第二雷击电流引导回所述冲击电流发生器中；所述接地回路的一端连接于GFRP样品上，另一端连接于所述冲击电流发生器上。
5.根据权利要求1所述的一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，其特征在于，所述引流装置的材料为铜皮、铜编织带或铜缆；所述接地回路的材料为铜皮、铜编织带或铜缆。
6.根据权利要求1所述的一种雷击测试玻璃纤维增强树脂基复合材料的实验平台，其特征在于，所述放电电极为圆柱长条状。
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