CN101008374B - 用于引导电流的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明说明了一种引导由雷击风力涡轮机(100)产生的电流的方法。将电流从风力涡轮机的主轴(116)引导至连接到轴上的制动盘(202),以及将电流从制动盘引导至连接到处于接地电压的引下线的火花隙(224)和辊子机构(302)中的一个上。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种风力涡轮机,并且尤其涉及一种引导风力涡轮机中的电流的方法和系统。
背景技术
风力涡轮机的转子叶片具有布置在叶片外表面上的外部雷电引下线或在叶片内部的内部雷电引下线。内部雷电引下线设有雷电接收器,所述接收器是叶片的内部雷电引下线和叶片外表面之间的金属贯通连接。该接收器的目的是吸引雷电从而能够通过安装在转子叶片内部的雷电引下线向下引导由雷电产生的雷电电流。
在风力涡轮机内的组件诸如制动垫、发电机和支撑该发电机的轴承上使用导电材料,对于这些组件就必需有雷电保护或过压保护。在发生雷击转子叶片时,就会有电流路经通过转子叶片传播并进入到组件中损坏组件的危险。因为损坏会导致部件的大量昂贵的修理,所以保护组件不受电流的影响很重要。
发明内容
一方面,说明了一种用于引导由雷击风力涡轮机产生的电流的方法。该方法包括将电流从风力涡轮机的主轴引导至连接到轴上的制动盘,以及将电流从制动盘引导至连接到处于接地电压的引下线的火花隙和辊子机构中的一个。
另一方面,说明了一种用于引导由雷击风力涡轮机时产生的电流的方法。所述方法包括将电流从风力涡轮机的轮毂引导至连接到轮毂的滑环,以及将电流从滑环引导至处于接地电压的引下线。
在另一方面,风力涡轮机包括主轴、连接到主轴的制动盘、以及构造成为将电流从制动盘引导至风力涡轮机塔内的引下线的火花隙构件和辊子机构中的一个。
附图说明
图1是风力涡轮机的一实施例的示图。
图2是包括图1的风力涡轮机的机舱、塔以及轮毂的系统的一实施例的图。
图3是包括在图1的风力涡轮机中的主转子轴和制动盘的一实施例。
图4示出了包括在图2的机舱中的制动系统的一实施例。
图5是用于引导图1的风力涡轮机中的电流的系统的一实施例的框图。
图6是直接驱动风力涡轮机的一实施例的框图。
图7是直接驱动风力涡轮机的另一实施例的框图。
图8示出了用于引导电流的系统的一实施例的部分视图。
图9示出了用于引导电流的系统的另一实施例的部分视图。
图10是用于引导电流的系统的一实施例的示图。
图11是用于引导电流的系统的一实施例的示图。
具体实施方式
图1是包括机舱102,塔104,具有至少一个转子叶片108和转动轮毂110的转子106的风力涡轮机100的一实施例的示图。机舱102安装在塔104的顶上,该机舱的一部分在图1中示出。转子叶片108连接到轮毂110上。
图2是包括机舱102,塔104以及轮毂110的系统111的一实施例的示图。机舱102容纳包括处理器113的控制板112。在此所使用的,术语处理器并不限于仅是那些现有技术中指作处理器的那些集成电路,而是广泛地指控制器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及任何其他可编程电路。
轮毂110包含可变叶片倾角驱动114。机舱102也容纳主转子轴116的一部分、齿轮箱118、发电机120以及联结器122。偏摆驱动124和偏摆台板126容纳在机舱102内。气象标杆128连接到机舱102上。机舱102还容纳主轴承130和主机架132。处理器113控制转子106以及容纳在机舱102内的组件。
配备可变叶片倾角驱动114以控制因风的作用驱动轮毂110的叶片108倾角。在可选实施例中,多个叶片108的倾角由叶片倾角驱动114单独控制。
主转子轴116为低速轴,通过主轴承130与轮毂110连接并且于轴116的相对端处连接到齿轮箱118。主转子轴116随轮毂110的转动而转动。齿轮箱118利用双重路径几何体驱动封闭的高速轴。该高速轴与主转子轴116连接并且随主转子轴116的转动而转动。该高速轴以比主转子轴116更高的速度运转。可替换地,主转子轴116直接连接到发电机120上。高速轴用于驱动安装在主机架132上的发电机120。转子106的扭矩通过联结器122传递到发电机120。
偏摆驱动124和偏摆台板126具有用于风力涡轮机100的偏摆取向系统。气象标杆128为控制板112中的处理器113提供信息,所述信息包括风向和/或风速。
转子叶片108内的引下线连接到主转子轴116上。如果雷击到转子叶片108内的引下线,由雷电产生的电流通过引下线传递到主转子轴116上。
图3是包括在机舱102内的主转子轴116和制动盘202的实施例。制动盘202环绕主转子轴116并且连接到主转子轴102上。在可替换的实施例中,制动盘202环绕高速轴并且连接到高速轴上。制动盘202随主转子轴11 6的转动而转动。主转子轴116接收来自转子叶片108的引下线的电流。来自主转子轴116的电流流到制动盘202上。放置在齿轮箱118和发电机120之间的绝缘材料诸如纤维玻璃和/或醋酸纤维,防止电流从主转子轴116流到发电机120。
图4示出了机舱102内包括的制动系统210的一实施例。制动系统210包括制动盘202(图3),制动垫212,支承214,例如背板,火花隙构件216和液压系统218如液压缸。液压系统218包括活塞头220。火花隙构件216的一个例子包括具有多个齿222的金属板。在火花隙构件216的齿222和制动盘202之间形成火花隙224。在齿222和制动盘202之间的最短距离的一个例子包括1.5毫米-2.5毫米的范围。火花隙构件216通过由绝缘材料制成的绝缘层226连接,例如粘合到支承214上。例如,绝缘层226覆盖支承214的前面228。支承214的前面228与火花隙构件216相对。粘合的层230在绝缘层226上形成并且火花隙构件216通过粘合层230粘合到绝缘层226上。在可替换的实施例中,绝缘层226覆盖支承214的前面228和制动垫212的前面232。制动垫212的前面232与火花隙构件216相对。在另一可替换的实施例中,绝缘层226覆盖支承214的前面228和多个侧面234和236。侧面236在图4中不可见。还在另一可替换的实施例中,绝缘层226覆盖制动垫212的前面232和多个侧面238。制动垫212的一侧面238在图4中是可见的。图4中,与可见侧面238相对的制动垫212的其它侧面238是不可见的。在另一可替换的实施例中,绝缘层226覆盖活塞头220的前面。活塞头220的前面239与火花隙构件216相对。前面239与前面228和232平行。
支承214连接到制动垫212上并支承制动垫212。液压系统218的活塞头220突出以作用与支承214相对的力。由活塞头220作用的力与制动盘202相对地摩擦制动垫212。当活塞头220在支承214上施加力时,制动垫212向制动盘202施加摩擦。可替换地,活塞头220缩回以减小作用在支承214上的力。力的减小减小了由制动垫212作用到制动盘202的摩擦。
当制动盘202中的电流电压增加超过极限,例如大于制动盘202的30千伏每厘米,火花隙224内的空气就会被电离并且电流通过火花隙224从制动盘202流到火花隙构件216。来自火花隙构件216的电流流到连接例如焊接到火花隙构件216上的导体240上。导体240也连接到,例如焊接到塔104内的引下线上。绝缘层226阻止电流从火花隙构件216流到支承214和制动垫212。电流从导体240流到塔104内的引下线着地。
图5是用于引导电流的系统300的一实施例的框图。系统300包括辊子机构302和支承214(图4)。辊子机构302包括金属辊子304和金属轴承306。轴承306通过绝缘226连接到,例如粘合在支承214上。例如,绝缘层226覆盖支承214的前面228,粘合的层230形成在绝缘层226上,并且轴承306通过粘合的层230粘合到绝缘层226上。辊子304由轴承306支持并且绕纵向穿过辊子304的轴线308转动。
辊子304在制动盘202转动过程中绕轴线308转动。来自制动盘202的电流经过辊子304流到轴承306。绝缘层226防止电流从轴承306流到支承214和制动垫212上(图4)。电流从轴承306流向连接,例如焊接到轴承306上的导体240。电流从导体240流到塔104内的引下线。
图6是直接驱动风力涡轮机400的一实施例的框图。直接驱动风力涡轮机400包括转子106,机舱402,滑环404,多个火花隙构件406,由绝缘材料制成的绝缘管408,绝缘层410,以及塔104。在可替换的实施例中,直接驱动风力涡轮机400包括两个以上的火花隙构件406。在另一可替换的实施例中,直接驱动风力涡轮机400包括一个单独的火花隙构件406。机舱402包括直接驱动发电机412,多个轴承414,转动轴416,以及处理器113。直接驱动风力涡轮机400不包括齿轮箱118。绝缘管408由绝缘材料制成。绝缘层410形成在轮毂110和直接驱动发电机412之间以将直接驱动发电机412与轮毂110电绝缘。绝缘层410也形成在轴承414与轮毂110之间以将轴承414与轮毂110电绝缘。绝缘层410在轴承414的一面430和发电机412的一面432上形成。面430和432与轮毂110相对。每个火花隙构件406连接,例如夹接、拴接、粘接到机舱402内的表面上。包括2.5-3.5毫米范围的最短距离的火花隙418在火花隙构件406和滑环404之间形成。滑环404安装到绝缘管408上。转动轴416环绕绝缘管408并与绝缘管408同心。绝缘管408从轮毂110内延伸到塔104。绝缘管408包括导体。滑环404连接,例如焊接到绝缘管408内的导体上,并且绝缘管内的导体连接到,例如焊接到塔104内的引下线上。
直接驱动风力涡轮机400采用通过转动轴416连接到直接驱动发电机412的转子106。转动轴416随转子106转动。转动轴416由多个轴承,例如轴承306(图5)支撑,该轴承连接,例如夹接到绝缘管408上。支撑转动轴416的轴承连接到使转动轴416关于绝缘管416转动的多个辊子,例如辊子304(图5)上。直接驱动风力涡轮机400具有可变速结构,其使用处理器113来以控制直接驱动发电机412并且将直接驱动发电机412的变压、变频电力转换为标准使用电压和频率。转子叶片108的旋转能量通过轮毂110传递到产生电能的直接驱动发电机412的转子。
电流从轮毂110流到火花隙构件406。当火花隙构件406中产生电流的电压在额定数量以上时,例如大于火花隙构件406的30千伏每厘米,电流通过火花隙418流到滑环404。绝缘层410阻止电流从火花隙构件406流到轴承414,直接驱动发电机412和转动轴416。电流从滑环404流到绝缘管408内的导体。绝缘管408阻止电流从绝缘管408的导体流到转动轴416。电流从绝缘管408内的导体流到塔104内的引下线再流向大地。
图7是直接驱动风力涡轮机500的一实施例的示图。直接驱动风力涡轮机500包括转子106,机舱402以及塔104。除直接驱动风力涡轮机500包括从机舱402内的表面505上的点504向机舱402内的表面505上的点506延伸的由绝缘材料制成的绝缘层502,并且还包括从机舱402内的表面509上的点508向表面509上的点510延伸的绝缘层507,直接驱动风力涡轮机500包括与直接驱动风力涡轮机400相同的部件。此外,除绝缘管512包括第一部分514和第二部分516外,位于直接驱动风力涡轮机500内的绝缘管512与绝缘管408相同。第一部分514具有比第二部分516的直径小的直径并且连接到,例如粘合到第二部分516上。第一部分514包括导体并且第二部分516也包括导体。滑环404(图6)连接到,例如焊接到第一部分514中的导体上。第一部分514中的导体连接到,例如焊接到第二部分516中的导体上。第二部分516中的导体连接到,例如焊接到塔104中的引下线上。在可替换的实施例中,绝缘管512包括连接到,例如粘合到第二部分516和塔104上的第三部分。第三部分中的导体连接到,例如焊接到第二部分516中的导体上并且第三部分中的导体连接到,例如焊接到塔104中的引下线上。转动轴416环绕第一部分514并且不环绕第一部分514。转动轴416由连接到,例如夹接到第一部分514上的多个轴承,例如轴承306(图5)支撑。支撑转动轴416的轴承连接到使转动轴416随第一部分514转动的多个辊子如辊子304(图5)上。
除电流从滑环404流到第一部分514中的导体,电流从第一部分514中的导体流到第二部分516中的导体,以及电流从第二部分516内的导体流到塔104内的引下线外,电流在直接驱动风力涡轮机500中的流动方式与在直接驱动风力涡轮机400中的相同。如果第三部分包含在内,电流从第二部分516中的导体流到第三部分中的导体并且电流从第三部分中的导体流到塔104中的引下线。绝缘层502和507阻止电流从轮毂110流到机舱402内的轴承414和直接驱动发电机412。
图8示出了用于引导电流的系统600的一实施例的部分视图。系统600的实施例的未示出的另一部分视图与示出的系统600的实施例的部分视图相同。系统600包括轮毂110,位于机舱402内并且直接驱动发电机412安装在其上的发电机基座602,转动轴416,螺钉604以及螺母606。轮毂110通过螺钉604和螺母606拴接到轴承414(图6)位于其下的发电机基座602上。由绝缘材料制成的多个绝缘层608形成在螺钉604和轮毂110之间,螺钉604和发电机基座602之间以及螺母606和发电机基座602之间。绝缘层608从轮毂110内的表面611上的点610向发电机基座602上的点612延伸。绝缘层608从轮毂110内的表面611上的点614向发电机基座602的点616延伸。由绝缘材料制成的绝缘层618形成在轮毂110和发电机基座602之间。绝缘层608阻止电流从轮毂110流到螺钉604和螺母606,并且绝缘层618阻止电流从轮毂110流到发电机基座602。
图9示出了用于引导电流的系统700的实施例的部分视图。未示出的系统700的实施例的另一部分视图与示出的系统700的实施例的部分视图相同。系统700包括发电机基座602,轮毂110,转动轴416,螺钉702以及螺母704。轮毂110通过螺钉702和螺母704拴接到发电机基座602上。由绝缘材料制成的多个绝缘层706形成在螺钉702和轮毂110之间,螺母704和发电机基座602之间,以及螺钉702和发电机基座602之间。绝缘层706从表面611上的点708向发电机基座602上的点712延伸。绝缘层706从表面611上的点712向发电机基座602上的点714延伸。由绝缘材料制成的绝缘层716形成在轮毂110和发电机基座602之间。绝缘层716阻止电流从轮毂110流到发电机基座602,并且绝缘层706阻止电流从轮毂110流到螺钉702和螺母704。
图10是用于引导电流系统800的实施例的示图。系统800包括转动轴416,第一部分514,火花隙构件406以及滑环404。多个导体802嵌入到第一部分514内。滑环404环绕第一部分514并且与第一部分形成静配合。形成静配合以防止滑环404转动。滑环404连接到,例如焊接到第一部分514内的导体802上。当火花隙构件406中产生电流的电压在额定值以上时,来自火花间隙组件406的电流流过火花隙418。来自火花间隙组件406的电流通过火花隙418流到滑环404。电流从滑环404流到导体802。电流从导体802流到第二部分516内的导体。
图11是用于引导电流的系统900的实施例的示图。系统900包括火花隙构件406,火花隙418,滑环404以及第一部分514。火花隙构件406包括多个齿902。火花隙418包括齿902和第一部分514之间的最短距离420。当火花隙构件406中产生电流的电压在额定值以上时,电流从火花隙构件406通过火花隙418流到滑环404。
用于引导电流的系统和方法的技术效果包括阻止电流从制动盘202(图4)流到制动垫212(图4)和液压系统218(图4)。如果电流流到制动垫212和液压系统218,电流会干扰液压系统218内的油的特性并且会损害制动垫212。用于引导电流的系统和方法的其它技术效果包括阻止电流从轮毂110流到直接驱动发电机412(图6),轴承414(图6)以及转动轴416(图6)。如果电流流到直接驱动发电机412,转动轴416以及轴承414,电流会损坏轴承414和转动轴416并且干扰直接驱动发电机412的运行。
尽管本发明已经按照多种具体实施例进行了说明,但本领域技术人员将意识到在权利要求的精神和范畴内本发明可以做出修改。
Claims (10)
1.一种引导由雷击风力涡轮机(100)产生的电流的方法,所述方法包括:
将电流从风力涡轮机的主轴(116)引导至连接到主轴上的制动盘(202);以及
将电流从制动盘引导至连接到处于接地电压的引下线的火花隙构件(216)和辊子机构(302)中的一个上。
2.根据权利要求1所述的方法,还包括:
将火花隙构件(216)和辊子机构(302)中的一个连接到连接在构造为对运动的制动盘(202)施加摩擦的制动垫(212)的支承上。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,辊子机构(302)包括由轴承(306)支撑的辊子(304),所述方法还包括:
将轴承连接到支承;以及
在制动盘(202)转动过程中使辊子旋转。
4.根据权利要求1所述的方法,还包括在火花隙构件(216)和制动盘(202)之间产生火花隙(224)。
5.一种风力涡轮机(100),包括:
主轴(116);
连接到所述主轴的制动盘(202);以及
火花隙构件(216)和辊子机构(302)中的一个构造成为将电流从所述制动盘引导至所述风力涡轮机的塔(104)内的引下线。
6.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100),还包括:
构造为对运动的制动盘(202)施加摩擦的制动垫(212);以及
连接到所述制动垫以及所述火花隙构件(216)与所述辊子机构(302)中的一个上的支承。
7.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100),还包括:
构造为对运动的所述制动盘(202)施加摩擦的制动垫(212);
连接到所述制动垫上的支承,其中所述辊子机构(302)包括辊子(304)和支承所述辊子的轴承(306),所述辊子构造为在所述制动盘转动过程中转动,并且所述轴承连接到所述支承上。
8.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100),还包括:
构造为对运动的所述制动盘(202)施加摩擦的制动垫(212);
构造为通过绝缘所述制动垫防止电流到达制动垫的绝缘材料。
9.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100),还包括:
构造为对运动的所述制动盘(202)施加摩擦的制动垫(212);
构造为覆盖制动垫的至少一部分的绝缘材料,所述绝缘材料对所述制动盘的高于30千伏每厘米的电压水平的电流不可渗透。
10.根据权利要求5所述的风力涡轮机(100),还包括连接到所述火花隙构件(216)和所述辊子机构(302)中的一个上的导体(240)。
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