CN101165340A - 风力涡轮机的防雷 - Google Patents

风力涡轮机的防雷 Download PDF

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Abstract

本发明介绍了一种用于风力涡轮机的转子叶片。转子叶片包括防雷系统。因此，转子叶片体包括非导电材料、适合作为雷击位置的至少一个接受器(110，110′，310，310′)以及转子叶片体内的已绝缘引下线元件，其中，已绝缘引下线包括引下线(120；320；420)和电介层(330；430)，其中，引下线和至少一个接受器相连接，电介层(330；430)作为绝缘体覆盖引下线。

Description

风力涡轮机的防雷
技术领域
本发明涉及风力涡轮机的防雷。尤其是，本发明涉及风力涡轮机防雷和风力涡轮机转子叶片的防雷。具体地，本发明涉及一种转子叶片、一种防雷系统和一种制造转子叶片的方法。
背景技术
由于雷击而对风力涡轮机造成的损害已经被认识到是逐渐增加的问题。雷电影响了风力涡轮机的可靠性，而随着风力涡轮机的功率增加，风力涡轮机农场变成人们关心的重点。当一些大型风力涡轮机在风力农场装置中一起工作的时候，这种情况尤其明显，因为由于雷击而导致的多个大型生产单位的潜在损失是显著的。不像其它电气装置，诸如架空电线和发电厂，对于风力涡轮机来说，很难在风力涡轮机附近或上方设置保护性的引线。这是因为物理尺寸和风力涡轮机的固有性质。风力涡轮机典型地具有两个或三个叶片，其具有几十米、甚至高达或超过100m的直径。转子在距离地面很高的地方旋转。除此之外，绝缘合成材料例如玻璃纤维加强塑料，广泛地用作承载部件。另外对于防雷系统，还必须考虑空气动力学的因素和快速旋转的叶片。
发明内容
鉴于上文，根据一个实施例，提供了一种用于风力涡轮机转子叶片。转子叶片包括转子叶片体、适合作为雷击位置的至少一个接受器以及位于转子叶片体内的已绝缘引下线元件。已绝缘引下线包括引下线(down conductor)和作为绝缘体覆盖引下线的电介层，其中引下线与至少一个接受器连接，而电介层具有至少10kV/mm的电介强度。
根据从属权利要求、说明书和附图，更多的实施例、方面、优点和特征是显而易见的。
根据又一个实施例，提供了一种用于风力涡轮机的防雷系统。该系统包括转子叶片体、位于转子叶片体外部表面的包括导电材料的至少一个雷电引附点、引下线和绝缘片，其中引下线和至少一个雷电引附点电气式地连接，而绝缘片直接应用在引下线上，并适于减少雷电击打到引下线的某点或转子叶片的某点而不是至少一个雷电引附点上的概率。
另外的实施例涉及包括本文所述的转子叶片和防雷系统的风力涡轮机。
根据另一个实施例，介绍了一种制造用于风力涡轮机的转子叶片的方法。该方法包括：用提供了至少10kV/mm电介强度的电介层将引下线绝缘，把已绝缘引下线安装在转子叶片体内，并且用引下线连接适合作为雷电引附位置的至少一个接受器。
附图说明
本发明完全的和使能够实施的公开包括了其对于本领域技术人员来说的最佳模式，并且将参考附图在说明书余下部分更具体地阐明。其中：
图1示意性显示了根据本文所述实施例的包括转子叶片防雷系统的风力涡轮机；
图2示意性显示了根据本文所述实施例的包括接受器和位于转子叶片中的引下线的转子叶片的一部分；
图3a和图3b示意性显示了根据本文所述实施例的处于转子叶片内的引下线元件；
图4示意性显示了根据本文所述实施例的处于转子叶片内的另一个引下线元件；并且
图5示意性显示了在转子叶片遭遇雷电状态时的等效电路。
元件标号对照表
20     塔
22     发动机舱
26     轮毂
28     转子叶片
28′   转子叶片顶端
32     塔高度
34     转子半径
100    风力涡轮机
105    雷电
110    接受器
110’  接受器
120    引下线
122    雷电引线
123    接地
130    球体(旋转的球体)
132    球体的半径
202    旋转方向
204    雷电
206    雷电
206′  雷电
310    接受器
310′  接受器
312    引线
320    引下线
328    加强杆
330    绝缘体
420    引下线
428    安装片
430    绝缘体
530    引导通道
531    电压
532    电容
533    电压
534    电容
535    电阻/阻抗
536    电容
537    电压
540    电容
542    电压
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的各种实施例，附图中举了一个或多个示例。每个示例都只提供作为本发明的解释，而不是旨在限制本发明。例如，作为实施例的一部分而例举或者描述的特征可以用在其它实施例中或与之结合，以产生另外的实施例。本发明旨在包括这样的修改和变化。
当代风力涡轮机叶片是由各种材料诸如玻璃加强塑料(Glassreinforced plastic，GRP)、木材、木板(wood laminate)和碳加强塑料(Carbon reinforced plastic，CRP)等制作的结构。零配件和部件，诸如安装凸缘、平衡块、轴承、金属线和电线等用金属做成。具体地，对于完全地由非导电材料建造的叶片，雷电引附点(也即接受器)通常处于叶片顶端附近或散布在叶片上。
风力涡轮机叶片防雷的一般性问题在于，把雷电电流从引附点安全地引导到轮毂(hub)。因此，系统必须完全一体地结合在风力涡轮机的不同部分，以保证所有可能是雷电引附点的部分能够承受雷击。
图1举例说明了风力涡轮机100的第一实施例。发动机舱(nacelle)22位于塔20的顶端。轮毂26可旋转地安装在发动机舱22上。轮毂还连接到转子叶片28上。发生雷击105事故的最高点由塔的高度32和叶片的长度34(其相应地是转子的半径)规定。为了处在预定的防雷安全等级内，需要防止与风力涡轮机某一部分距离小于预定距离的雷电对装置的损坏。雷击105与风力涡轮机的距离区分了不同的防雷安全等级。旋转球体方法是决定防雷等级的一般方法。因此，具有半径132的球体130基本上在待保护系统的每个部分上旋转。雷击危险区域被限定为中心处于雷电引导通道(leader channel)上的球体。球体130的表面被认为是可能发生放电的那些点。
对于不同的防雷等级规定了不同的半径，例如，第一等级的为20m。对于每个表面位置，雷击有一定的概率。半径越小，雷击越可能发生。保护提供在球体130的每个可能位置，其中球体130具有在到达风力涡轮机上的半径132。
例如，为了是防雷安全等级1，雷电必须能够尽可能地接近具有20m半径的球体130，而且需要保护风力涡轮机以不受引导通道进入到一定距离之内的雷电的打击，以使可能放电的点所形成的球体不接触装置。换句话说，对于风力涡轮机及其部件，需要有防雷系统，以使其半径对应于距离、且可能损害风力涡轮机或其部件的球体不接触风力涡轮机的表面。
在图1所示的实施例内，接受器110、110′位于转子叶片28上。接受器连接到位于叶片内的引下线120。另外，经过轮毂26和引线122建立有电气的连接，以使雷电打击接受器而产生的电流可以从引下线120、引线122流过，引线122如参考标号123所示接地。
因此，叶片的防雷通过提供接受器于所需要的雷电事故位置并提供引线以排放雷电的电荷来建立。保护系统的原则是为雷电提供优选的路径。
因此，防雷系统可以具有置于叶片顶端的分散的雷电接受器。内部引下线系统从位于顶端的接受器引导雷电电流到叶片基部。这可以应用于例如长达20m的叶片。根据另一个实施例，特别长的叶片装备有在叶片上分布的若干接受器。根据一个实施例，穿透表面的接受器可以以这样的方式放置，使得减少表面的无保护部分引附雷电的可能性。根据另一个实施例，分散的接受器的间距可以是，例如其中沿叶片表面的闪弧电压(flashover voltage)小于叶片表层的击穿电压(breakdown voltage)的间距。作为一个实施例，固体引线可以以30cm到60cm范围内的间距放置在表面上。
然而，雷电袭击风力涡轮机或其部件的位置是由局部电场规定的。已经报告过的对风力涡轮机损害显示了，在一些事故中雷电直接击中引下线，尤其对于转子叶片的后缘来说。雷电击中不导电叶片的至少一部分原因在于，水使叶片变得比较容易导电。另一个可能的原因很简单，即叶片处于雷电击打风力涡轮机的路径上。除此之外，还知道的原因就是沿表面放电比经过空气放电容易。
当雷电经过转子叶片的非导电部分(例如叶片后缘)直接袭击引下线的时候，由于玻璃纤维的表面碳化、刺穿和脱层，会发生对转子叶片的GRP的损害。这种损害可能降低转子叶片的性能和/或使用寿命，而且还会为第二次甚至更多次的雷击提供优选的路径。
当雷电在叶片内形成电弧时，会引起对风力叶片涡轮机的严重损害。电弧会在叶片内的或沿内部表面的充有空气的空穴中形成。这种内部电弧引起的压力冲击波可能破坏叶片的表面层。内部电弧常常在叶片顶端的雷电引附点和叶片内部的一些导电部件之间形成。当雷电电流或其一部分在合成材料层内或层与层之间导电的时候，发生另一种类型的损害，据推测原因在于这样的材料层保持有一些潮气。
根据本文所述的实施例，决定雷电是否直接袭击引下线的、引下线120周围的电场强度，通过在引下线周围提供绝缘片而减少。
因此，引下线元件以绝缘电缆的形式提供。根据一个实施例，这样的绝缘尤其提供在转子叶片的那些最有可能被雷电击中的区域中。该区域可以是例如转子叶片28的外部(顶端)部分。应该理解，用绝缘片覆盖引下线120意谓着，基本上整个引下线除了那些例如与接受器有连线的部分以外都被覆盖。根据另一个实施例，到接受器的连线也能用绝缘材料来绝缘。
引下线附近的绝缘片减少了引下线周围的电场强度，并且因此可以避免电击穿。另外，根据另一个实施例，引下线附近的绝缘可以把引下线周围的电场变均匀。根据普遍使用的玻璃纤维网状结合(web bonding)，电场无法被控制成均匀的。根据本文所述的实施例，引下线附近的绝缘片能够使电场被控制成均匀的。
引下线系统可具有足够的截面以能够承受直接的雷电打击并且引导所有的雷电电流。根据一个实施例，对于铝的最小截面可以是例如50mm2。引下线系统连接到叶片上的接受器。这些安装在叶片表面上的引线可能降低叶片的空气动力学性能或者产生不希望的噪音。对于植入在叶片内的雷电引线，可以使用例如铝或铜的金属线或绞线(braid)。雷电引下线可以放置在叶片内。用于引线的金属夹具穿透叶片表面，而且当作分散的雷电接受器来使用。用于风力涡轮机叶片的防雷材料应当能够承受雷电电流所强加的电的、热的以及电动的应力。
图2举例说明了另一个实施例。在图2中显示了转子叶片中28。旋转方向由箭头202所示。转子叶片28具有前缘28a和后缘28b。转子叶片28包括处于转子叶片顶端的接受器110′和处于转子叶片内的接受器110。接受器110、110′通过引下线120连接。
对于通常使用的防雷系统，已经观察到下列的状态。一方面，雷击204打击接受器中的一个，且电荷通过引下线120放电。另一方面，也可能存在雷击206、206′，其穿透转子叶片28，其中引下线120直接被雷电打击。因此，发生上述的损害。
引下线附近的绝缘片，根据本文所述的实施例，决定是否雷电直接袭击引下线的、引下线120周围的电场强度，通过提供引下线附近的绝缘片而变均匀并且减少。
引下线元件可以以绝缘电缆的形式提供。引下线附近的绝缘片减少了引下线周围的电场强度，并且可以因此避免对其的电击穿。另外，根据另一个实施例，引下线附近的绝缘可以使引下线周围的电场变均匀。根据通用的玻璃纤维网状结合，电场无法被控制成均匀的。根据本文所述的实施例，引下线附近的绝缘片使电场能够被控制成均匀的。
根据图3a和图3b所例举的实施例，设置有包括引下线320和绝缘体330的引下线元件。绝缘减少了雷电直接打击引下线的危险。因此，所希望的放电路径沿着接受器310、引线312到引下线，而引下线320本身具有甚至更高的概率。因此，雷击经过转子叶片壳体的非导电部分直接引附到引下线上的概率减少了。
图3a显示了转子叶片28的中央区段。图3b显示了转子叶片的顶端区段28′。在转子叶片的中空结构内可以设置加强杆328。根据一个实施例，形式为已绝缘引下线320、330的引下线元件可以安装到加强杆328上。如图3b所示，引下线元件可以在顶端区段引到转子叶片内部表面的一个上。通常，接受器310、310′用引线312连接到引下线。
根据另一个实施例，引下线320的截面是圆的或者具有至少2mm以上的最小曲率半径。与矩形引下线比较，弯曲的引下线截面更能减少在雷击期间产生的电场，而且因此还更加减少了错误引附雷击的危险。根据另外的实施例，绝缘体片330的电场强度至少为50kV/mm。典型地，根据另一个实施例，电场强度在100kV/mm以上。绝缘的厚度可以例如在0.5mm至5mm的范围内。根据其它实施例，可以设置多层电介层以用作引下线的绝缘。
根据另外的实施例，引下线可以包括铜或铝作为放电引导材料。根据材料，引下线的截面面积可以是至少30mm2、50mm2、70mm2或更大。因此，应当考虑到，根据截面和与其相应的电阻系数，引下线的温度在雷击发生时会或多或少地增加。在雷击时，引下线的温度平均增加到高达100℃或更高。因此，结合外界温度，绝缘体材料可以具有用于150℃、160℃、180℃或更高温度的抵抗性。典型地，耐热性应当是长期的耐热性，以在转子叶片的整个使用寿命内维持绝缘的持久性。根据不同的实施例，可以使用下列材料中的一种：乙烯-氯三氟乙烯-共聚物、乙烯-四氟乙烯-共聚物或聚氟乙烯丙烯。
根据另一个实施例，包括引下线320和绝缘体330的引下线元件置于转子叶片28内，使得引下线元件基本上沿转子叶片的中性轴线(neutral axis)放置。在风力涡轮机工作期间，转子叶片由于作用于其上的风力而变弯。通常，无论转子叶片是否是预偏置的，存在中间的轴线(中间的纤维)或区域，其带有转子叶片的最小压力或张力。引下线元件典型地沿着该带有最小材料压力或拉力的区域而放置。如图3a和图3b所示，这可以至少应用于转子叶片的中央区段。根据另一个实施例，引下线的绝缘的材料具有大约10kN/mm2、5kN/mm2或更少的杨氏模量。因此，转子叶片的弹性几乎不因为提供绝缘体330给引下线而受影响。
图4举例说明了另一个实施例。其中显示了转子叶片的顶端区段28′。由绝缘片430绝缘的引下线420设置在转子叶片的内部表面上。出于制造上的原因，引下线具有非圆的形状。这至少可以应用于转子叶片的顶端区段。因此而增加的电场强度可以通过提供额外的绝缘体来控制。这可以通过例如提供带有增加的电场强度的绝缘体或较厚的绝缘片来实现。
在图4内，引下线元件通过玻璃纤维片428附接到转子叶片上。如上所述，在转子叶片的中央区段内，引下线可以位于例如转子叶片内的加强杆处。
根据另一个实施例，绝缘体片330的电场强度至少为70kV/mm。典型地，根据另一个实施例，电场强度在120kV/mm以上。如上所述，矩形引下线可以具有较厚的绝缘，例如，在0.5mm至8mm的范围内。还根据其它的实施例，绝缘体片可以提供为多层电介层，以改进电场控制。
如先前有关的实施例所述，可以修改以建立另外的实施例。因此，引下线可以包括铜或铝作为放电引导材料。根据材料，引下线的截面面积可以是至少30mm2、50mm2、70mm2或更大。另外，绝缘体材料可以具有用于150℃、180℃或更高温度的抵抗性。典型地，耐热性可以是长期的耐热性，以转子叶片的整个使用寿命内维持绝缘体的持久性。根据不同的实施例，可以使用下列材料中的一种：乙烯-氯三氟乙烯-共聚物、乙烯-四氟乙烯-共聚物或聚氟乙烯丙烯。
图5显示了在雷电状态下的转子叶片的等效电路图。通常，雷电通过引导通道530来模拟。引导通道标示了每个长度单位上的一定量的电荷。图5还显示了一体地结合在转子叶片28的表面的接受器110。接受器110连接到引下线120。如参考标号123所示，引下线接地。对于一种给定的雷电状态，即给定的引导通道530，在引导通道和转子叶片之间存在击穿电压UL(531)和阻抗dCL(532)。转子叶片的表面相应地具有击穿电压dU0(533)，阻抗dC0(534)和电阻/阻抗dR0(535)的等效元件。这些表面特性可以标示为每长度单位。由此，在图5中显示的两个接受器之间存在若干长度单位。
另外，对于接受器110和引下线120之间的引线(图示为理想的，即没有电阻系数)，在转子叶片28的表面内存在阻抗dCW(536)和击穿电压dUW(537)。在转子叶片表面和引下线之间，存在阻抗dCA(540)和击穿电压dUA(542)。
击穿电压531、537和542标示在引导通道530和引下线之间的直线上。如上所述，通过提供绝缘，转子叶片表面和引下线之间的阻抗dCA(540)增加了。击穿电压dUA(542)与一起来源于引导通道530的电压531和537也增加了。因此，雷击进入接受器110中的一个内的概率增加了。

Claims (10)

1.一种用于风力涡轮机的转子叶片，包括：
转子叶片(28)体；
适于作为雷击位置的至少一个接受器(110，110′，310，310′)；
处于所述转子叶片体内的已绝缘引下线元件，所述已绝缘引下线元件包括：
引下线(120；320；420)，其中，所述引下线和所述至少一个接受器连接；以及
电介层(330；430)，其作为绝缘体覆盖所述引下线并且具有至少10kV/mm的电介强度。
2.根据权利要求1所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述引下线在沿着朝向所述转子叶片的顶端地所述转子叶片长度的至少75％的全部非分叉部分处覆盖有所述电介层。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述电介层的电介强度至少为50kV/mm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述引下线具有弯曲的截面，所述截面的最小曲率半径在2mm以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述引下线具有至少为30mm2的截面面积。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述电介层材料具有对至少120℃温度的长期的耐热性。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于风力涡轮机的转子叶片，其特征在于，所述引下线接近位于所述转子叶片的中性轴线处。
8.一种风力涡轮机(100)，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的转子叶片。
9.一种制造用于风力涡轮机的转子叶片的方法，包括：
用电介层(330；430)把引下线绝缘，所述电介层提供至少10kV/mm的电介强度；
在转子叶片体内安装所述已绝缘引下线(120；320；420)；
把适于作为雷电引附位置的至少一个接受器(110，110′，310，310′)连接到所述引下线上。
10.根据权利要求9所述的制造用于风力涡轮机的转子叶片的方法，其特征在于，所述引下线沿转子叶片的长度的至少75％进行绝缘。
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