CN101233317A - 风力涡轮机的雷电保护系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固定到风力涡轮机的轮毂(21)上并由固定到第二绝缘杆(5)上的第一导体杆(2)构成的雷电传输元件(1)。根据本发明，雷电传输元件(1)的第一端(4)以第一距离布置在与风力涡轮机的每个叶片(10)根部的金属带(18)相对的位置，该距离能够使在风力涡轮机叶片(10)的点上入射的雷电产生闪络，而雷电传输元件(1)的第二端(3)以能够使雷电产生闪络的第二距离固定在与风力涡轮机机舱(13)的槽(12)相对的位置。雷电从其在叶片(10)上的入射点经由包括雷电传输元件(1)的一系列传导装置传到大地，所述装置防止风力涡轮机的敏感部件遭受雷击。

Description

风力涡轮机的雷电保护系统
技术领域
本发明涉及一种用于安装在风力涡轮机上的非接触式雷电传输系统。该系统能够保护风力涡轮机的重要部件不受雷电破坏，从而减少对风力涡轮机维修的需要。
背景技术
本发明的技术所属的领域是风力涡轮机的雷电保护。
用于获取风能的风力涡轮机需要放置在不受气象条件保护的位置以充分利用风力。风力涡轮机在暴露区域中的选址以及风力涡轮机本身的几何结构意味着存在吸引雷电的高可能性。
用于保护风力涡轮机的组件不受雷击的一个系统包括：首先通过使用连接叶片尖端与内部加强梁的内部线缆来引导从叶片尖端到大地的放电，然后雷电经由叶片轴承到达轮毂并被传送到主轴，再经由轴承到达框架，最后经由连接框架与塔架的偏航环放电到大地。
使用该路径对雷电进行放电会对轴承和主轴造成损伤，因此需要寻找替换方案。
文献EP1036937公开了一种雷电保护系统，其包括位于风力涡轮机叶片上的导体环和位于机舱外侧顶部上的非线性电阻，从而在导体环和非线性电阻之间产生电弧。这种安排意味着只有在接收雷电的叶片恰好处于竖直位置时才会产生电弧。另外，电阻所在位置难以接近，因此在其被雷电损坏的情况下难以更换。
其它已知的系统，如在文献EP0718495中公开的系统，在机舱的外侧建造了一个构架，这使风力涡轮机的构造变得复杂并且对风力涡轮机的空气动力学产生不利的影响。
发明内容
为了克服现有技术中的缺点，设计了一种新的更有效更安全的雷电传输系统，用于将击中风力涡轮机叶片之一的尖端上的所有雷电经由机舱结构引导到大地，从而防止雷电穿过叶片轴承和主轴。另外，该方案容易维修且不影响风力涡轮机工作。
与传统系统一样，新方案中雷电经由第二传导装置从叶片尖端传到构成所述叶片核心的加强梁。第三传导装置通过机舱的结构将雷电从加强梁传到所述机舱的偏航环，最后第四传导装置沿着风力涡轮机塔架将雷电从偏航环传到大地。一般来说，第二和第四传导装置包括内部导体线缆。
根据本发明，第三传导装置包括从加强梁延伸到位于叶片根部的金属带的第一导体以及经由机舱的构架从机舱槽延伸到偏航环的第二导体。第一导体和第二导体二者都可以包括内部金属线缆。
在新的方式下，雷电利用闪络从金属带传到非接触式雷电传输元件，并且该传输元件引发另一次直接到机舱槽的放电，第四传导装置从机舱槽引导雷电。
假定必须防止运动部件与固定部件之间的任何接触以减小对部件的磨损或损伤风险，则本发明的复杂性在于将雷电从运动部件(转子)传到另一个固定部件(机舱)。根据本发明，与叶片根部关联的雷电传输元件与槽之间的距离始终保证在8mm到15mm，尽管可接受的值的范围更大(0.5mm至30mm)。该间隔足以防止雷电传输元件和相对于所述雷电传输元件相对运动的风力涡轮机的任何其它部件之间的任何碰撞，同时还足够小以保证在雷击情况下出现闪络。
本发明系统的另一个优点是无论放电持续时间长或短都能减少对槽和叶片根部材料的损伤；同时还防止放电到达轮毂的控制箱，因为其抑止了经由轴承的电流通路。本发明的另一个优点是简单，在多次雷电放电后受损的情况下，可以更换所述雷电传输元件。
雷电传输元件包括第一传导装置，第一传导装置又包括导体材料的第一杆。第一杆包括具有第一前表面的第一端，第一前表面以0.5mm到30mm的距离与金属带相对放置从而能够出现闪络，该距离优选在8mm和15mm之间。
第一杆还包括具有第二前表面的第二端，第二前表面以距机舱槽0.5mm和30mm的第二距离与风力涡轮机的机舱槽相对放置，该第二距离将确保出现电闪络，并优选在8mm和15mm之间。
由能够承受闪络所产生的温度的电绝缘材料制成的第二杆来支撑雷电传输元件的第一杆。第二杆安装有第一部分和第二部分，其中用于连接到风力涡轮机的固定装置位于第一部分，根据本发明的实施例固定装置是基本上为双面角形的连接底板；第二部分包括在垂直的位置将第一杆固定到第二杆的第二固定装置。
在本发明的优选实施例中，第一杆的第一端和第二端都是可拆卸的以便于在连续的雷电放电后受损的情况下更换。
在另一优选实施例中，第一传导装置由铜或钢或者其组合物制成。例如，第一杆的两端可以由铜制成而中间部分由钢制成。
附图说明
提供以下附图从而更好地理解本发明：
图1是雷电传输元件的正视图；
图2是风力涡轮机的全视图；
图3是风力涡轮机转子的详细视图。
具体实施方式
以下是出于说明的目的对本发明实施例的简要说明，因此本发明不局限于所述实施例。
图1示出由T形交叉的第一杆和第二杆2、5和底板8形成的雷电传输元件1。导体材料制成的第一杆2在绝缘材料制成的第二杆5的上端附近垂直于所述第二杆5放置，底板8的一侧固定到第二杆5的底端而另一侧固定到风力涡轮机叶片轴承19。
第一杆2由三部分组成：第一端4、第二端3和中部7。两端3、4可以从中部7拆卸以便于在其受到雷电放电影响的情况下更换。为此目的，在两端3、4内部有螺孔以能够连接到与中部7接合的螺杆上。还可以使用不偏离本发明范围的其它固定方法。
中部7在中心处包含横向穿过第一杆2的纵轴的孔，该孔与第二杆5中的纵向钻孔对准，用于插入螺杆6或类似部件并连接第一杆和第二杆2、5。
第一杆的两端3、4可以由任何导体材料制成，优选由导电率高的铜制成。中部7优选由钢制成，尽管它也可以由铜或任何其它导体材料制成。在中部7由铜制成的情况下，可以将第一杆2加工为一个单独的部件。然而，在损坏的情况下，如果第一杆2只是一个部件，则必须更换整个第一杆2而不是只更换两端3、4。
第二杆5由绝缘材料制成，优选由尼龙制成。连接到第二杆5和叶片根部19的底板8优选由钢制成。
如图2中所示，雷电传输元件1可以安装在风力涡轮机上，在图3中可以更详细地看出。风力涡轮机包括受风力冲击的一系列叶片10，每个叶片连接到叶片轴承19从而能够绕叶片10的纵轴转动，所述转动通常称为“桨距”。连接到叶片10的叶片轴承19连接到带动转子旋转运动的主轴15，主轴15连接到改变角转速的变速箱，并且由变速箱连接到发电机。
每个叶片10的内部包含加强梁17，其有助于叶片10在风力的作用下保持挺直，在加强梁17上放有通常为金属的导体材料，以帮助传输可能击中风力涡轮机叶片10的雷电。
具体通过以下路径来传输雷电：
雷电击中叶片10的尖端，雷电从该尖端经由第二传导装置25传输到其上具有导体材料的加强梁17，加强梁17通过第一导体27将雷电传到位于叶片根部与叶片轴承19有一定距离的金属带18。该距离与第一杆2相对于一侧固定到叶片轴承19的底板8的高度和机舱13的槽12的位置一致。
从金属带18到固定到叶片轴承19外部的雷电传输元件1的第一杆2的第一端4发生闪络。为此目的，金属带18由布置在叶片10的侧表面上的金属片制成，从而当叶片调整桨距时总有一部分金属片与第一杆2的第一端4相对。
雷电纵向穿过第一杆2并到达第二端3，从第二端3到机舱13的槽12发生闪络。
电流流过位于机舱13上的第二导体28而不穿过风力涡轮机的任何精密部件，如叶片轴承19、轮毂的控制箱、主轴的轴承、变速箱或发电机，并到达风力涡轮机的偏航环20。
最后，雷电从偏航环20经由沿风力涡轮机的支撑塔架16设置的第四传导装置26传到大地。
当叶片10由提供电绝缘的纤维玻璃或碳纤维制成时，雷电流过该路径，以防止雷电从叶片10传到叶片轴承19。
第一杆2具有较大的截面，沿着该路径的其余部分设置的导体以确保降低由于材料的电阻而达到的温度。
第一杆2的第一端4以0.5mm到30mm的距离固定，优选为8mm到15mm。由此使雷电从金属带18到第一端4出现闪络，而不是到叶片轴承19，因为金属带18与后者相距的距离更大。由此，迫使闪络在第一端4和金属带18之间没有任何物理接触的情况下出现在金属带18和第一端4之间，从而防止对元件的任何摩擦损伤，因为叶片10的桨距意味着它们可以独立运动。
第一杆2的第二端3与机舱13的槽12相距0.5mm到30mm固定，优选8mm到15mm。由此，防止了两个部件之间的摩擦，因为槽12是不可移动的，而第二端3与轮毂21接合从而是可移动的。

Claims (8)

1.用于安装到风力涡轮机上的雷电传输元件，其特征在于该雷电传输元件包括：
由导体材料制成的第一杆(2)形成的第一传导装置，第一杆包括：
第一端(4)，其具有以第一距离与位于风力涡轮机的每个叶片(10)根部的金属带(18)相对的第一前表面，该第一距离确保从金属带(18)到第一端(4)出现闪络；
第二端(3)，其具有以第二距离与所述风力涡轮机的机舱(13)的槽(12)相对的第二前表面，该第二距离确保从所述第二端(3)到所述槽(12)出现闪络；以及
由电绝缘材料制成的第二杆(5)，其能够承受由闪络产生的温度，所述第二杆(5)支撑第一杆(2)，并且包括：
第一部分，其包括用于连接到风力涡轮机的轮毂(21)的第一固定装置；以及
第二部分，其包括用于在垂直位置将第一杆(2)连接到第二杆(5)的第二固定装置。
2.根据权利要求1所述的雷电传输元件，其特征在于第一杆(2)的第一端(4)和第二端(3)可以从第一杆(2)的中部(7)拆卸。
3.根据权利要求1或2所述的雷电传输元件，其特征在于所述第一距离范围在0.5mm到30mm之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的雷电传输元件，其特征在于第二距离范围在0.5mm到30mm之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的雷电传输元件，其特征在于，第一距离范围在8mm到15mm之间并且第二距离范围在8mm到15mm之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的雷电传输元件，其特征在于第一传导装置由从铜、钢以及它们的组合物中选择的材料制成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的雷电传输元件，其特征在于第一固定装置包括用于连接到所述风力涡轮机的轮毂(21)的底板(8)。
8.用于组装到风力涡轮机上的非接触式雷电传输系统，所述风力涡轮机包括塔架(16)、机舱(13)以及允许机舱(13)在塔架(16)上转动的偏航环(20)，所述系统包括：
第二传导装置(25)，其用于将雷电从所述风力涡轮机的每个叶片(10)的尖端传导到构成所述叶片(10)的核心的加强梁(17)；
第三传导装置(1、27、28)，其用于将雷电从叶片(10)的加强梁(17)经由机舱(13)的构架传导到偏航环(20)；以及
第四传导装置(26)，其用于将雷电从偏航环(20)沿着风力涡轮机的塔架(16)传导到大地；
其特征在于第三传导装置(1、27、28)包括：
从叶片(10)的加强梁(17)到位于每个叶片根部上的金属带(18)的第一导体(27)；
经由槽(12)和机舱(13)到偏航环(20)的第二导体(28)；以及
根据权利要求1至7中任一项所述的雷电传输元件(1)。
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