CN101960687A - 源自闪电电荷的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风轮机检测装置，其中所述风轮机包括布置为传导闪电所感应电流的向下传导系统，其中所述检测装置包括用于确立电荷表象的电荷测量装置，其中所述电荷表象代表由闪电感应进入所述向下传导系统的电荷，且其中所述检测装置还包括用于根据所述电荷表象估计风轮机中一个或多个元件的由闪电感应引起的损坏的评估器。

Description

源自闪电电荷的检测方法

技术领域

本发明一般地涉及风轮机相关的闪电检测。

背景技术

闪电击中涉及的损坏可导致风轮机中重要部件的破坏，较大的部件例如叶片以及更小的电子部件等。由于风轮机维修昂贵以及电力生产损失，风轮机中部件的这种破坏可导致风轮机整个寿命期间成本增加。

在使用接收器以接收闪电的风轮机中，闪电击中所导致的损坏的一个实例为接收器从闪电接收能量(电流、电压、电荷等)的那一部分周围的风轮机叶片中的裂缝。产生损坏的另一实例可为接收器损坏。

当闪电击中风轮机时，来自闪电的电流可由位于风轮机叶片表面的一个或多个接收器接收。所述接收器为风轮机叶片表面的一部分，且所述接收器被接收器所接收的每一次闪电逐渐破坏。因为接收器是风轮机叶片表面的一部分，所以接收器的缺失的那一部分可导致风轮机叶片中的裂缝。

最新技术的风轮机的问题在于上述损坏必须人工检查。这种对例如叶片表面中的接收器的人工检查例如因为要借助双目望远镜完成而可能不准确，此外人工检查成本高。特别地这增加了例如赤道周围闪电击中相对较多的地区内的风轮机的维护成本，在这些地区接收器的人工检查是必需的。此外，如上所述，这种检查不必然导致发现例如接收器的所有故障。

发明内容

本发明涉及一种风轮机检测装置，

其中所述风轮机包括向下传导系统，

其中所述检测装置包括用于确立由闪电感应进入所述向下传导系统的电荷的电荷表象的电荷测量装置，且其中所述检测装置还包括用于根据所述电荷表象估计风轮机中一个或多个元件损坏的评估器。

术语电荷表象包含源自闪电的电荷以及表示电荷的任一参数。确立电荷表象的优选方式为测量电流并将所得结果转换为电荷。

术语元件包含当闪电击中风轮机时可能损坏的风轮机所有部件。这种部件可例如为接收器、向下传导系统、闪电电流转移装置、叶片、电子器件与电缆的绝缘部、控制器件与电源器件或风轮机任一未提及的部件。

在本发明一个实施例中，检测装置包括评估器，用于根据例如通过电荷测量装置在向下传导系统中测得的电流测量值导出的电荷估计风轮机元件的损坏。评估器使用测得数据用以预测元件何时须被更换或维修或用以创建闪电击中风轮机效应的更可靠数据。例如评估器可预测例如接收器、叶片、闪电电流转移装置、电子器件与电缆的绝缘部、向下传导系统、控制器件与电源器件等元件的损坏。

检测装置的评估器与电荷测量装置有利地可共享同一数据处理器或一起并入同一电路板上。

在本发明一个有利的实施例中，检测装置包括用于测量源自闪电电荷的电荷测量装置，因为风轮机中一些元件的损坏可作为闪电所感应的传导电流的函数导出，所以所述电荷测量可被用于预测风轮机这些元件的损坏。由电荷测量装置测得的数据也可用于其它目的，例如创建与闪电击中风轮机相关的数据库或统计数字。

检测装置表现为与向下传导系统组合或与其连接，且可位于风轮机内部或外部。检测装置包括检测装置进行具体检测任务所需的各种元件。

当闪电击中风轮机时，闪电所感应电流须通过风轮机传导至地面，风轮机中元件损坏作为一个可能的结果。

如果电流经向下传导系统传导通过风轮机，可避免损坏或被导向例如向下传导系统元件的元件，而不是非常昂贵或难于修复/更换的元件。向下传导系统可例如根据传统设计原理设计。

在本发明一个实施例中，所述一个或多个元件至少形成向下传导系统的一部分。

在本发明一个实施例中，所述一个或多个元件包括接收器和/或闪电电流转移装置。

接收器可典型地布置在叶片末端。在需要闪电所感应电流在风轮机相互运动或可移动部件之间传输的位置，闪电电流转移装置可例如形成向下传导系统的一部分。根据优选的实施例，这种闪电电流转移装置可被应用于安装接收器的叶片与机舱之间以及进一步在机舱与塔架之间的过渡段。

显然，根据所应用的向下传导系统配置可应用更多或更少传输单元。

在本发明一个实施例中，所述一个或多个元件的损坏估计基于所述检测装置所确立的电荷累积。

在本发明一个实施例中，所述向下传导系统包括从接收器到接地连接的至少一个流电连接。

向下传导系统包括至少一个连接，所述至少一个连接从闪电可能击中的风轮机顶部位置向下通过风轮机至传导闪电所感应电流至地面的接地连接。

向下传导系统可包括风轮机不同部件。不同部件的非限制性实例例如可为接收器、叶片中的金属丝或棒体、叶片与轴毂之间的闪电电流转移装置、轴毂或机舱中的接合装置、向下通过塔架的金属丝或棒体以及作为接地连接的棒状或板状物。

风轮机的个别结构部件可被用作向下传导系统的一部分。非限制性实例可被建造在叶片、金属塔架或风轮机基础等内的金属加固件。

在本发明一个优选实施例中，向下传导系统的一部分可正在旋转。

向下传导系统可制成为，至少部分位于风轮机内部，以获得更好防护不受风轮机所处环境作用。

向下传导系统可至少部分处于风轮机外侧以获得风轮机内敏感电子器件的更好的绝缘。

向下传导系统包括例如靠近叶片根部、轴毂内部机舱与塔架之间的接合装置。在流电连接中所述接合装置从风轮机的每一叶片接合向下传导系统的那一部分。

所述接合装置也可称为闪电电流转移装置。

在本发明一个有利实施例中所述流电连接至少部分包括导电材料。

流电连接可包括导电材料，优选地为导电金属，以降低电阻，使得闪电所感应电流通过预期连接引导至接地连接，而不是引导至例如风轮机的个别结构部件。

在本发明一个有利的实施例中导电材料至少部分包括选自铜、铁、铝、银、金、镍、铅、锡、汞或合金或任一组合的导电金属组的一种金属。

所述导电材料选自具有良好传导性能的此金属组，使得连接金属丝中的电阻尽可能低。

在本发明一个实施例中，所述至少一个接收器位于风轮机上端。

术语风轮机上端包含位于塔架上或在塔架杆柱处、在机舱上或在机舱杆柱处的或在风轮机一个或多个叶片处的或这些位置任一组合位置的接收器。

多于一个的接收器可位于风轮机不同位置，这些位置包括机舱或与机舱连接的任一类型的杆柱、叶片或塔架或上述的任一组合。

在本发明一个有利的实施例中所述至少一个接收器位于风轮机每一叶片表面。

如果多于一个的接收器位于风轮机每一叶片上，这可增加在接收器处而非风轮机其它位置接收一次或多次闪电击中的可能性。

接收器可被包括使得接该收器成为风轮机叶片表面的一部分。

每一叶片上的所述至少一个接收器可位于每一叶片末端附近，以确保接收器总是在风轮机顶部，这将增加闪电击中接收器而非风轮机其它位置的可能性。

在本发明一个有利的实施例中，所述至少一个接收器位于叶片每一侧。

在本发明一个实施例中，所述电荷测量装置与所述向下传导系统耦合。

电荷测量装置可通过光学测量装置、洛高夫斯基(Rogowski)线圈或其它测量装置或它们的任一组合与向下传导系统连接以获得最佳可能测量值。

一个或多个电荷测量装置可优选地位于例如一个或多个叶片的内侧，典型地靠近叶片根部。

在本发明范围内也可采用电荷测量装置的替代位置，例如在轴毂、机舱或塔架中任一位置。风轮机中放置电荷测量装置的最优位置取决于将要使用的电荷测量装置所在的风轮机的类型。

目前对于多数类型的风轮机，风轮机中放置电荷测量装置的最优位置为叶片根部，这可允许相对于每一叶片单独测量电荷。

电荷测量装置可位于风轮机塔架较低部分中。电荷测量装置不被限制于该位置。但应说明，替代位置优选地应配置为可使接收器能够单独测量或至少能够定位闪电击中的叶片。

在本发明一个实施例中，所述电荷测量装置测量因闪电流过所述向下传导系统的电流。

目前优选的电荷表象可通过电测量获得，随后，电测量通过测量装置或其它适用的数据处理设备例如与该测量装置通讯的评估器被转换为电荷表象。

电荷测量装置测量向下传导系统中的电流，例如闪电所感应电流。

在本发明一个实施例中，所述电荷测量装置包括至少一个光学测量装置。

在本发明一个有利的实施例中，电荷测量装置基于允许确立电荷的法拉第旋转效应。

在本发明一个实施例中，所述电荷测量装置包括至少一个洛高夫斯基线圈。

电荷测量装置基于通过线圈围绕向下传导系统使其可测量闪电所感应电流的洛高夫斯基线圈原理，因此无需向下传导系统与电荷测量装置之间的任一流电连接。

在本发明一个实施例中，所述测量装置被布置为至少部分位于叶片中。

在本发明一个实施例中，所述测量装置被布置为至少部分包括在每一风轮机叶片中。

在本发明一个实施例中，所述评估器包括用于数据处理、模拟或数字测量结果处理、储存、显示、连接和/或它们任一组合的装置。

评估器的元件可例如包括用于数据处理或模拟测量结果处理的装置、用于储存的装置、用于比较的装置、用于显示的装置、用于通讯的装置以及其它符合电荷测量系统要求的元件。

评估器可包括不同元件，且可与检测装置封装在同一壳体中。

评估器可位于检测装置壳体外部，例如在塔架、叶片、机舱中或风轮机外部。

在本发明一个有利实施例中，所述评估器估计风轮机元件的使用寿命。

评估器可根据通过向下传导系统传导的电荷数量预测风轮机中元件是否须更换或维修。

在本发明一个实施例中，所述储存装置储存或累计从所述电荷测量装置测得的所述数据的至少一些。

储存装置可包括数据处理单元并储存测得的数据用于进一步数据处理。所述进一步数据处理可例如有助于预测风轮机中不同事件并创建例如闪电击中风轮机频率的统计数字和/或仅保存数据以备将来使用。

当闪电第一次击中风轮机时，测得的闪电所感应的电流储存在数据储存器。当闪电第二次击中风轮机时，所确定的电荷被添加至闪电第一次击中所储存数据。当闪电击中风轮机一次以上时这允许累积测得的数据。以此方式，用于通讯的装置可发出风轮机元件临界状态的报警消息。

所述储存装置可包括可与检测装置封装在同一壳体中的数据处理单元。

所述储存装置包括与风轮机连接的至少一个元件的预定临界损坏数值的数据储存。

在本发明一个实施例中，将所述累积数据和与风轮机连接的元件的所述预定临界损坏数值相比较，以指示与风轮机连接的元件的至少两个维修水平。

所述比较装置根据预定数值与测得数值确定风轮机中的元件的状态。

风轮机中的元件的状态可由不同维修水平确定。维修水平可由在例如接收器的元件破裂或破坏其自身或风轮机中其它元件之前能够传导的电荷量确定。

维修水平的实例可划分如下：

指示元件非临界状态的一个水平；

指示元件临界状态的第二水平；

指示元件维修或更换的第三水平。

在本发明一个实施例中，所述显示装置能够显示由所述检测装置与所述电荷测量装置处理的所有数据。

所述显示装置例如显示测得数据与预定数据比较的结果、储存数据、警报、图形用户接口以及所需显示的其它数据。

在其它事务中现场工程师就在风轮机现场的情况下，具有显示装置是非常有利的。所述显示装置为任一元件是否需要维修或更换的快速指示器。

检测装置包括用于与其它内部或外部数据处理单元、控制器、计算机等连接的装置。

用于连接的装置可以用于发送风轮机或风力发电厂内测得的数据，如果例如该风轮机或风力发电厂包括多于一个电荷测量装置。

如果例如数据储存器不与电荷测量装置处于同一壳体内，也可使用用于连接的装置。随后测量的数据可从电荷测量装置发送到数据储存器。

用于连接的装置与电荷测量装置和数据储存器相连使得发送测得的数据至位于风力发电厂内的中央数据处理单元成为可能，所述中央数据处理单元位于多个风力发电场中或某一中央维修建筑内的某一中央位置，例如在其它位置处。

在本发明的一个实施例中，用于连接的装置发送与风轮机连接的至少一个元件的状态至中央数据处理装置。

在本发明一个有利的实施例中，中央数据处理装置可例如为位于监控室内的计算机系统，在此监控室内，用于连接的装置传送风轮机中元件的状态，例如在预定的时间或如果监控室的人员要求此信息时。因为除非某些元件必须维修，否则现场工程师无需去维修风轮机，所以这是非常有利的。

连接装置与其它内部或外部接口之间的通讯有利地可以是无线的或通过流电或光学线缆实现。

本发明涉及确立风轮机或风轮机发电厂的元件的损坏的方法，其包括以下步骤：

测量元件中闪电所感应电荷；

确立测得电荷的累积；

将电荷累积与所述元件损坏程度关联。

此外，本发明涉及在如权利要求1至18任一要求所述检测装置中实施的方法。

本发明涉及包括至少两个风轮机的系统，每一风轮机均包括检测装置。

在本发明一个实施例中，确立电荷表象的优选方式为测量电流然后将所得结果转化为电荷。

此外，本发明涉及包括如权利要求1至18任一要求所述检测装置的风轮机。

附图说明

本发明参考以下附图进行描述，其中：

图1显示大型现代风轮机的正视图；

图2显示如本发明一个实施例的风轮机的正视图；

图3a-c显示风轮机叶片上不同类型接收器；

图3d-f显示图3a所示类型的接收器的剖视图；

图4显示包括多于一个接收器且具有根据本发明优选实施例定位的测量装置的风轮机叶片；

图5以侧视图显示风轮机，显示如本发明一个实施例的两个闪电电流转移装置；

图6以侧视图显示风轮机，其具有如本发明一个实施例的位于机舱杆柱上的接收器；

图7显示根据本发明一个实施例当闪电击中风轮机时所发生事件的流程图；

图8显示多个风轮机之间通过网络与中央数据处理单元通讯的结构图；

图9显示多个风力发电场之间通过网络与中央数据处理单元通讯的结构图；

图10A与图10B显示接收器元件；且

图11A至图11G以剖视图显示接收器的多个实施例，其中外表面设有一个或多个现场增强突起。

具体实施方式

图1显示现代风轮机1。风轮机1包括定位在基础上的塔架2。具有发电机的风轮机机舱3通过偏航轴承设置在塔架2顶部。

轴延伸出机舱前端并通过风轮机轴毂4与风轮机转子连接。风轮机转子包括至少一个转子叶片，例如如图所示三个转子叶片5。

图2显示具有三个转子叶片5以及在每一转子叶片5上的一个接收器6的风轮机1。

每一转子叶片包括在第一端7A与接收器电连接且在第二端7B与第一闪电电流转移装置9A电连接的向下导体7。向下导体可以例如由金属丝构成。

第一闪电电流转移装置9A通过机舱、第二闪电电流转移装置9B与保护地线11(保护地线；PE金属丝)与地面10电连接。从叶片经闪电电流转移装置到机舱的连接优选地用于避免主轴未形成向下传导系统的一部分。

根据本发明一个替代实施例，轴毂可形成向下传导系统的一部分。

前述向下导体7、第一闪电电流转移装置9A、第二闪电电流转移装置9B与保护地线11(可供选择地与流电传导塔架并联)相互连接以形成流电连接，闪电所感应电流通过该连接可被引导到地面10且该连接下文称为向下传导系统30。该向下传导系统的目的是形成闪电所感应电流至接地连接10的旁路，使得风轮机元件损坏风险最低。

保护地线11可例如包括保护接地线缆。

应说明如果采用传导性塔架，向下传导系统从机舱引导向下至地面的部分可优选由例如前述PE金属丝以及机舱的塔架共同形成。其基本点在于需有从机舱至地面的连接。该连接可显然由导体和/或金属丝的其它配置形成。

向下传导系统典型地可以包括接收器6。

应说明向下传导系统30的某些连接，例如PE金属丝11，可由不同向下传导系统(例如若必要三个所述系统)共用。在本发明范围内在本配置中可能采用导体的其它配置与类型。如此，金属丝可例如与固体导线及其它适用替代物互换。

向下传导系统30可终止于接地连接10，接地连接10可实施为将源自闪电的电流传导进入地面的矛状体或棒体。在可由敲击或挖掘使所述矛状体或棒体足够深入底土内的位置，该实施特别有利。

向下传导系统30也可终止于以网状或板状实施的接地连接。这在例如由岩石组成的底土非常坚硬的位置是特别有利的，其中板状物不必如同矛状体或棒体那样深入。

接地连接10可实施为风轮机基础的一部分或可实现为前述方案的组合。本发明示意出的实施例还包括又包括电荷测量装置13与损坏评估器14的检测装置12。

在本发明一个优选实施例中，检测装置12为包括进行闪电8所感应并流过向下传导系统30的电流的测量以及测得数据进一步数据处理或模拟测量结果处理所需的电路与单元的装置。检测装置12此外可包括显示、打印设备、通讯接口等。

检测装置12的评估器14可例如包括用于数据处理或模拟测量结果处理的装置、数据储存装置、对比装置、一个或多个显示器、通讯电路以及符合电荷测量系统要求的其它元件。

若必要，可使用多个电荷测量装置13。电荷测量装置13基本上用于确立直接代表或源自击中风轮机的闪电所导出的不同电测量值。这些电测量值可例如为电流，由此可导出所感应的源自闪电的电荷。检测装置12包括测量向下传导系统30中闪电所感应电流并传送测得数据至检测装置12中评估器14的电荷测量装置13。在本实施例中，所述检测装置根据对系统的要求处理测得数据为所需的累积电荷表示。

检测装置12中的评估器14可包括储存测得数据的储存设备、将新测量数据与以前闪电击中所储存测量数据相加并储存累计数据的数据处理单元、将累计数据与代表风轮机中例如接收器6等元件在须更换之前可耐受电荷量的预定数据比较的数据处理单元，以及显示例如风轮机中例如接收器等元件状态、累计数据、风轮机1中元件的预计更换时间或系统所需显示的其它数据的一个或多个显示器，或检测装置12中的评估器14可与它们通讯。

只要捕获与风轮机某些元件相关的注入电荷以确立可适用以确立相应电荷累积的电荷历史，评估算法的几种不同变体可与根据本发明的评估器相关地适用。该累积电荷可直接应用或被进一步处理，用于确立涉及风轮机特定元件或其相关元件的损坏估计。称为累积的算法可例如包括连续积分、离散测量求和，且所述算法当然可以包括其它相关处理运算。

此外，该评估可用于实时监控风轮机以及其相关元件的状态，且此外可用于确立元件寿命相关的预测、维修要求等。该监控可远程或现场进行。

风轮机中元件状态可由不同维修水平确定。所述维修水平可由例如接收器等元件在因闪电感应的损坏导致例如接收器或周围叶片损坏之前所能够经受的电荷量确定。维修水平可例如包括代表损坏程度的电荷的简单累计测量值。

一种类型接收器的维修水平列表如下：

500C无需采取措施

1000C要求一年内维修

1500C要求一月内维修

所述维修水平可变化。引发例如维修的动作的水平可由例如接收器类型、风轮机所有者、服务协议、地理位置(某些地区比其它地区更易受闪电作用)等确定。

风轮机中元件具有不同维修水平是有利的，这使得风轮机或风力电厂内的维修工作在一定程度上可集中。如果现场工程师须更换一个风轮机中的接收器且另一风轮机中接收器已达到处于1000C的第二水平，同时更换该接收器则省时。

如上所述，评估器14可包括在若干壳体或一个共用壳体中的数据储存器、信号处理器、显示装置与通讯接口。

评估器14储存并累积电荷，将测得数据与风轮机中例如接收器等元件的预先储存的临界损坏数据比较。以此方式，评估器可计算例如接收器损坏到其必须进行维修或更换的程度的时间。这可通过显示装置上的报警显示或通过向位于风力发电场中的中央数据处理单元或例如另一位置的维修中心发送消息完成。

检测装置12可与向下传导系统连接并可位于风轮机1内的任何位置，例如机舱3、叶片5、轴毂4或如本发明优选实施例中的在易于接近的塔架2中。检测装置12包括多于一个电荷测量装置13，且若需要包括更多评估器14。评估器14可例如包括例如数据处理器、储存器、通讯接口、例如显示器、键盘、指示器构件等GUI(GUI；图形用户接口)或其任一组合等任一希望和/或所需装置。

检测装置12可与电荷测量装置13位于同一壳体内，但这并非总是优点。评估器14的某些元件可与风轮机1的控制系统的其它部件共用。

一个实例为储存和/或显示装置，如果这些装置已在例如中央控制中实现为并可用于此用途。

电荷测量装置13可优选地位于叶片5中。

检测装置12需要的所有元件可封装在同一壳体内。因为检测装置壳体中各个元件之间不需用于连接的较大装置，使得安装更快，这可使预制检测装置并便于在风轮机中安装检测装置12。当检测装置所有元件被封装在同一壳体内时，因为所有元件从同一位置可接近，这也易于检测装置维修。检测装置所有所需元件可为分布式并且不在同一壳体内。

这也使得检测装置12中的元件与风轮机其它部件共用。一个非限定实例为由例如控制不同风轮机部件的其中一个控制器使用的通讯装置。

图3a-c显示位于叶片5末端上或末端处的不同类型接收器6的近视图，例如图2中叶片具有引导闪电所感应电流到接地连接10的向下导体7。

图3a显示叶片5中集成的接收器6，使得接收器6包括叶片5表面的一部分。在图3a中部分15被示意为接收器6由闪电8损坏的表面。如果未采取措施以修复或改造接收器，接收器6表面的缺失部分15可导致叶片5表面一个或多个裂缝16。图2中评估器14则可根据电荷确定与累积确立该损坏表象并避免例如目视检查等更为复杂的检查。所述缺失部分15可例如为由闪电8的击中力在接收器6上形成的凹陷，闪电8可能熔化或蒸发接收器6的一部分。

根据本发明另一非限定实施例，可使用例如图3b与图3c所示替代接收器6。图3b与图3c所示接收器以如下方式制成：叶片5末端由优选为金属的导电材料制成的顶盖覆盖。例如铜或铝等金属因为其高导电性为优选，但当然也可使用例如碳等其它材料。

图3b所示实施例显示顶盖为封闭盖，且图3c所示实施例显示顶盖为网状。应说明这种顶盖几乎任一设计具有图3a所示接收器的效果。

图3d-e以剖视图显示图3a所示接收器6的不同设计。当然这三种设计对接收器6的设计为非限定性的。

在一个优选实施例中，接收器6配备有便于接收器6与向下导体7之间连接的螺纹27。在本发明一个优选实施例中，接收器6旋入与向下导体7流电连接的底座中。

接收器6损坏量取决于闪电8的电荷量。因此如果在一段时间内测得电荷并积分，结果(电荷曲线下区域)为闪电中的电荷量。

不同接收器在其损坏达到维修程度之前可耐受不同电荷量。因此每一类型接收器6可经实验室测试以查明其可承受的电荷量。作为替代，接收器可耐受的电荷量可根据经验或技术人员经验或常识推导出。

于是将前述积分结果与接收器可耐受的电荷量比较，比较结果确定接收器损坏情况。

积分计算(以及一次以上的积分计算的结果累计)与比较可在检测装置12中完成。

图4显示本发明另一实施例，其中风轮机1的叶片5包括与向下导体7组合的两个接收器6与6A。接收器6与6A均与向下传导系统30连接并形成它的一部分，并如上所述设置作为叶片5表面的一个完整部分。

接收器6A通过向下导体7的部分7C与向下传导系统30的其余部分组合。

当闪电8击中时，闪电8所感应的电流由接收器6或6A的其中一个接收，经向下传导系统30传导至地面。

此外，所述实施例包括检测装置的优选配置，即电荷测量装置13安置在叶片中接近根部且评估器14安置在轴毂4中。

在该实施例中，电荷测量装置13包括多个测量单元，每一叶片各一个(未图示)以便于对于每一叶片单独测量。此后测量被传送至轴毂中的评估器14，评估器14由此收集并处理来自所有(例如若风轮机为三叶片，则为三个)测量单元的测量。

此外，应说明可选择元件的配置和位置以符合要求且在本发明范围内可改变。

此外，检测系统不同部分可通过有线或无线连接方式通讯。

图4显示两接收器6与6A可位于叶片5上，但也可能选择其它数量的接收器6以及叶片5上的位置，例如接近或位于叶片5末端、接近或位于叶片5根部，或在其间的任一位置。接收器6也可位于叶片5一侧，而另一接收器6A位于同一叶片5的另一侧。

在本发明一个实施例中，检测装置12(未图示)或检测装置12(未图示)的至少某些元件可位于接近向下导体处并与其连接。

在本发明一个替代实施例中，风轮机上每一接收器均与检测器连接。因此可以检测风轮机哪一接收器已受闪电作用。如果每一接收器均设有这种检测器，该检测器可与放置在例如塔架中的检测装置12通过无线或线缆进行连接。以此方式，可能避免叶片中进行电荷测量，因为电荷可以与向下传导系统公用共享部分相关测量。

如上所述，根据本发明一个优选实施例，检测装置12可位于风轮机每一叶片5的根部。

图5显示为向下导体系统30一部分的至少两个闪电电流转移装置9A与9B。第一闪电电流转移装置9A包括叶片5接近根部与机舱之间的滑动流电连接，且可包括叶片根部5的环形物以及产生叶片5与机舱之间滑动流电连接的机舱处的集电靴。该机构有利特性是无论叶片5位于什么浆距角，叶片5与机舱之间总有流电连接。闪电电流转移装置9A在该图中未详示。

通过确立机舱与塔架之间的滑动流电连接，第二闪电电流转移装置9B包括接近机舱底部的机舱与塔架之间的滑动流电连接，即使当偏航轴承转动机舱时仍允许流电连接。闪电电流转移装置9B在该图中未详示。

图6显示本发明另一实施例，其中风轮机1以侧视图显示，机舱3在塔架2顶部。在该实施例中，至少一个接收器6被放置在杆柱或棒体17上，以布置接收器6高于机舱3且高于图5所示接收器6。

一个或多个接收器可设置成与机舱3连接，并与位于叶片5中其它接收器6组合。闪电所感应电流由向下传导系统30的一部分传导通过叶片5，向下至叶片5根部，在该处通过闪电电流转移装置9将电流传导至轴毂4中接合装置。

位于机舱处或与其连接的一个或多个接收器6与直接或经适用装置与PE金属丝11连接，PE金属丝11通过接地连接10传导闪电所感应电流向下至地面。

图7显示本发明一个实施例的流程图。当在步骤18中闪电击中风轮机时，闪电所感应电流被引导通过向下传导系统30至接地连接。在其流向地面途中，在步骤19中由电荷测量装置测得闪电所感应电流。在步骤20中由评估器随时间流逝积累测得的电荷量。累积的闪电所感应电荷表象在步骤21中与预存的例如风轮机中接收器等元件临界损坏数值比较。

根据闪电所感应累积电荷量，例如根据前述预定测量水平选择采取措施22、23或24并在步骤25中发送至中央数据处理单元。不同测量水平描述了例如风轮机中接收器等元件的状态。如果达到临界测量水平，中央数据处理单元发送风轮机需维修。如此确立一项措措施，例如立即请求、预报请求或“无需采取措施”。

图7所示流程图显示了本发明一个实施例，其中三个测量水平专用于特定措施。在本发明其它实施例中，可应用不同数量的测量水平与相关联措施。对风轮机中不同元件可要求不同测量水平，因此测量水平的数量取决于所选择测量系统的要求。

图8显示例如风轮机为在风力发电场或单机风轮机等多个风轮机通过网络26与中央数据处理单元25通讯的结构图。每一单个风轮机WT1、WT2、WT3，…WTn安装有检测装置12以测量击中风轮机的闪电所感应的电流。

如上所述，这些测量可累积且若必要可由检测装置12的评估器14的元件储存。若必要，可能经通讯网络26发送测量至中央数据处理单元25，在该处可读出或储存风轮机1中元件状态。中央数据处理单元25可放置在多个风轮机其中一个的内部或外部或远离风轮机的建筑物内。

检测装置12中的评估器14可例如包括通讯单元，所述通讯单元通过通讯网络传送例如风轮机1中例如接收器6等元件实际状态、累积数据、风轮机1元件估计更换时间以及系统所要求显示的其它数据至例如其它风轮机、风力发电场或中央数据处理单元。

中央数据处理单元可例如为位于监控室内的计算机系统，在该处例如在预定时间或如果监控室人员要求风轮机中元件的状态时用于连接的装置传送该信息。因为除非某些元件必须维修，现场工程师不必去维修风轮机，这是非常有利的。

图9显示多个风力发电场(WPP)之间通过网络26与中央数据处理单元35通讯的结构图。每一单个WPP(WPP1、WPP2、WPP3、…、WPP…)包括多个风轮机WT测量闪电所感应电流，如图8所述。

单个WPP可包括一个或多个中央数据处理单元25、一个或多个检测装置12或其任一组合。

测得数据例如通过如WPP3与WPPn中所示的风力发电场WPP中每一风轮机WT中安装的检测装置12的评估器14的元件被发送至网络26。

在本发明另一实施例中，从如WPP1与WPP2所示的风力发电场中的中央数据处理单元25将测得数据发送至网络26。中央数据处理单元25可设置在风力发电场内部或外部或在远离风轮机的中央建筑物中。

本发明范围内可应用不同测量方法。以下描述三个非限制性实例。

闪电所感应电流可例如由基于洛高夫斯基线圈的电荷测量装置测得。

所述洛高夫斯基线圈为例如用于测量交变电流或高速电流脉冲的电设备。其由卷绕待测量其电流的直导体的螺旋线圈组成。

由于洛高夫斯基线圈为空心而非铁芯，其具有低感应系数且可响应快速变化的电流，因为没有会饱和的铁芯，即使在受例如闪电电流等大电流作用下仍具有非常高的线性。使用洛高夫斯基线圈的另一优点是当其正确制成为具有均匀相隔的绕组时，很大程度上不受电磁干扰。

在本发明范围内测量装置的另一优选实现为光学的并基于法拉第(Faraday)旋转理论。光纤磁场传感中所利用的法拉第效应为磁感应的圆双折射。对于反磁性与顺磁性材料，沿磁场方向传播的线性偏振光发生纯旋转。所有晶体材料均呈现法拉第效应，但幅值变化相当大，并且可通过选择具有大维尔德(Verdet)常数的传感元件增强幅值。存在具有较大维尔德常数的光纤，但必需很长的传播路径以获得可测量的效应。

根据所采用光学材料，可采用两种基于法拉第效应的不同配置。

一种方案是采用围绕导体缠绕的光纤。为实现输出信号高信噪比，需要绕载流金属丝的几圈传感纤维，不同光学路径与光旋转检测方法用于消除外部效应。

另一配置采用具有较大维尔德常数特性的透光铁磁性晶体材料，由于单位长度的旋转角度被增加因此可获得增强的灵敏度。但是，由于其复杂性且材料依赖铁磁性材料法拉第效应，这种材料中的效应与磁场不是线性相关。

图10A示意性显示布置在转子叶片5中的闪电接收器6。如图多个碳纳米管28示意性所示，闪电接收器材料为碳纳米管金属复合材料。但通常闪电接收器只有一部分可以是碳纳米管金属复合材料。例如，上部可为碳纳米管金属复合材料，而下部可为例如金属或金属合金的标准光接受器材料。通常，包括碳纳米管金属复合材料的那部分可为面向风轮机转子叶片外部的部分。

接收器示意性显示为连接至向下导体7，用于引开来自闪电击中的任何电流。闪电接收器可以任一适用方式连接至向下导体。此外，闪电接收器可由任一适用装置固定在转子叶片上。在一个实施例中，闪电接收器被固定在支架单元29中。

碳纳米管可大体均匀分布在接收器中，且碳纳米管可在接收器整个厚度30内大体随机地定向。在所示实施例中，碳纳米管的至少一部分31相互物理接触。

所述实施例范围不被限制于如图所示实施例。典型地均匀分布的碳纳米管较之非均匀分布的碳纳米管为优选的。均匀性典型地指横跨接收器的整个尺寸范围，如此在相对于接收器尺寸来说很小的小尺寸范围内，碳纳米管的分布可略有不均匀。通常，碳纳米管无需随机定向且无需相互物理接触。但例如沿接收器厚度30方向定向碳纳米管可进一步改善接收器材料性能。

碳纳米管可被设置有很多种长度。在不同实施例中，碳纳米管可为不同长度，且给定碳纳米管金属合成物可设有呈现某一长度分布的碳纳米管。

图10B示意性显示布置在转子叶片5中的闪电接收器6的另一实施例。闪电接收器在其外表面设有碳纳米管层32。插图33示意性显示放大的层32，其中的示意性放大显示从闪电接收器外表面35突出的单个碳纳米管34。

接收器示意性显示为连接至向下导体7，用于引开来自闪电击中的任何感应电流。闪电接收器可以任一适用方式连接至向下导体。此外，闪电接收器可由任一适用装置固定在转子叶片中。在一个实施例中，闪电接收器被固定在支架单元29中。

图11以剖视图示意性显示布置在转子叶片5中的接收器6的多个实施例，其中接收器外表面设有一个或多个场增强凸起。本发明范围不限于图中所示实施例，本发明范围内的任一类型场增强突起均为可能。此外，示意性显示对于工程或技术制图角度并非准确表象。其显示仅提供为用于示意本发明实施例的各种特征。所显示实施例提供了特殊场增强突起的实例。

在图11A所示示例性实施例中，显示了单个中央设置的尖端形状的场增强突起，所述尖端形状凸起通常从外表面指向外侧，且延伸整个外表面。

在图11B所示示例性实施例中，显示了单个中央设置的尖端形状的场增强突起，所述尖端形状凸起通常从外表面指向外侧，且延伸外表面的中央部分。

在图11A与11B中，凸起的抬升表面36显示为直面或平面。其它实施例包括但不限于凹进或凸出的抬升表面。

在图11C所示示例性实施例中，显示了单个中央设置的弧面形状的场增强突起，所述弧形突起通常从外表面向外突出，且延伸整个外表面。

在图11D所示示例性实施例中，显示了单个中央设置的弧面形状的场增强突起，所述弧形突起通常从外表面向外突出，且延伸外表面的中央部分。

在图11C与11D中显示的场增强突起外表面曲率较低。其它实施例包括但不限于半球形状的场增强突起。

在图11E所示示例性实施例中显示了三个分布的圆柱形状场增强突起。

在图11E中，抬升表面37也可设有一角度以提供具有截锥形形状的突起。此外，特别是在截锥实施例中，抬升表面可为凹进或凸出抬升形状。

在图11F与图11G所示示例性实施例中，一个或多个场增强突起包括通常为波纹形状的外表面。波纹形状可例如围绕中心点为圆形对称，即场增强突起可由中央顶部与两个同心顶部构成。

在图11F中，中央的波纹形状突起与远离中央的波纹形式突起相比具有较大幅值。在图11G中，所有波纹形式突起包括同一幅值。

在图11A至图11G中显示了不同数量的突起，但应理解任一所述实施例中可采用任一数量的突起。

在示例性实施例中，闪电接收器的尺寸可为厘米(cm)范围，例如所占直径或其它相应宽度在0.5至5cm范围内，例如为1.5cm。

在示例性实施例中，场增强突起的高度可在若干毫米(mm)至几厘米范围内，例如为1mm至10mm之间，或更大。

根据前述实施例，向下导体7优选地位于叶片5内部。此外，显然本领域技术人员能够将一个或多个前述实施例加以组合以获得解决问题的最佳实施例。

列表

向下传导系统                30

风力发电场                  WPP

风轮机                      1，WT

塔架                        2

机舱                        3

轴毂                        4

转子叶片                    5

接收器                      6

向下导体                    7

闪电                        8

第一闪电电流转移装置        9A

第二闪电电流转移装置        9B

接地连接                    10

PE金属丝                    11

检测装置                    12

电荷测量装置                13

评估器                      14

接收器损坏部分              15

裂缝                        16

杆柱                        17

风轮机                      18

源自闪电的电荷被确定        19

源自闪电的电荷被累积        20

累积电荷被比较              21

测量水平1                   22

测量水平2                   23

测量水平3                   24

中央数据处理单元            25

通讯网络                    26

螺纹                        27

碳纳米管                    28

支架单元                    29

接收器厚度                  30

纳米管物理接触              31

纳米管层                    32

插图                        33

单个碳纳米管                34

接收器外表面                35

抬升表面                    36

抬升表面                    37

Claims (21)

1.一种风轮机的检测装置，

其中，所述风轮机包括布置为传导闪电所感应电流的向下传导系统；

所述检测装置包括用于确立电荷表象的电荷测量装置；

所述电荷表象代表由闪电感应进入所述向下传导系统的电荷；以及

所述检测装置还包括用于根据所述电荷表象估计风轮机中一个或多个元件因闪电感应引起的损坏的评估器。

2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述一个或多个元件至少形成所述向下传导系统的一部分。

3.如权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于，所述一个或多个元件包括接收器和/或闪电电流转移装置。

4.如权利要求1至3任一所述的检测装置，其特征在于，对所述一个或多个元件的损坏的所述估计基于所述检测装置所确立的电荷的累积。

5.如权利要求1至4任一所述的检测装置，其特征在于，所述电荷测量装置与所述向下传导系统耦合。

6.如权利要求1至5任一所述的检测装置，其特征在于，所述电荷测量装置测量由于闪电流过所述向下传导系统的电流。

7.如权利要求1至6任一所述的检测装置，其特征在于，所述电荷测量装置包括至少一个光学测量装置。

8.如权利要求1至7任一所述的检测装置，其特征在于，所述电荷测量装置包括至少一个洛高夫斯基线圈。

9.如权利要求1至8任一所述的检测装置，其特征在于，所述测量装置至少部分布置在叶片中。

10.如权利要求1至9任一所述的检测装置，其特征在于，所述测量装置布置为至少部分包括在风轮机每一叶片中。

11.如权利要求1至10任一所述的检测装置，其特征在于，所述评估器包括用于数据处理、模拟或数字测量结果处理、储存、显示、连接的装置和/或其任一组合。

12.如权利要求11所述的检测装置，其特征在于，所述储存装置储存或累积从所述电荷测量装置得到的所述测量数据中的至少一些。

13.如权利要求12所述的检测装置，其特征在于，所述累积数据和与风轮机连接的元件的预定临界损坏数值比较，以指示该与风轮机连接元件的至少两个维修水平。

14.如权利要求11所述的检测装置，其特征在于，所述显示装置能够显示所述检测装置与所述电荷测量装置处理的所有数据。

15.如权利要求11所述的检测装置，其特征在于，用于连接的装置传送与风轮机连接的至少一个元件的状态至中央数据处理设备。

16.一种确立风轮机或风轮机发电厂的元件的损坏的方法，其包括步骤如下：

确定被闪电感应进入所述元件的电荷；

确立测量电荷的累积；

使电荷累积与所述元件的由闪电感应引起的损坏程度相关联。

17.如权利要求16所述的确立风轮机的元件的损坏的方法，其特征在于，所述元件包括接收器和/或闪电电流转移装置。

18.如权利要求16或17所述的确立风轮机的元件的损坏的方法，其特征在于，电荷确定通过测量闪电所感应并流经所述向下传导系统的电流并相对于时间对测得电流积分确立。

19.如权利要求18所述的方法，在如权利要求1至15任一所述的检测装置中实施。

20.一种包括至少两个风轮机的系统，每一所述风轮机包括如权利要求1至15任一所述的检测装置。

21.一种风轮机，包括如权利要求1至权利要求15任一所述检测装置。

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