CN102384041B - 用于风力涡轮的雷电保护 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于风力涡轮的雷电保护。提供一种用于风力涡轮(100)的转子叶片(28)。转子叶片(28)包括：转子叶片体(28)；至少一个接闪器(410)，其适合于作为雷电冲击的位置；和至少一个引下线(300)，其连接至接闪器并位于转子叶片体内。引下线(300)包括：第一导体(310)，其连接至接闪器和风力涡轮的接地件；和第二绝缘导体(320)，其连接至接闪器和风力涡轮的非接地位置。从第一导体的接地件到第二绝缘导体的非接地位置形成路径。该路径便于用于评估雷电保护系统的状态的连续性测试。

Description

用于风力涡轮的雷电保护
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮的雷电保护。尤其地，本发明涉及用于风力涡轮的雷电保护和用于风力涡轮的转子叶片的雷电保护。具体地，本发明涉及转子叶片、雷电保护系统和制造转子叶片的方法。
背景技术
由雷击引起的对风力涡轮的损坏被认为是越来越严重的问题。雷电故障对风力涡轮和风电场的可靠性的影响可随着风力涡轮的容量增加而变成所关切的事。由于由一次雷击引起的多个大的生产单元的潜在损失可能相当大，所以这当多个大的风力涡轮在风电场装置中一起操作时尤其如此。不同于诸如架空线和发电厂的其它电气装置，对于风力涡轮更难于提供可布置在风力涡轮周围或上方的保护导体。这是由于风力涡轮的物理尺寸和性质。风力涡轮通常具有两个或三个叶片，其带有高达100m或更长的数十米的直径。转子在地面上方高高地旋转。另外，存在作为承重部件的绝缘复合材料的广泛使用，诸如玻璃纤维增强塑料。对于雷电保护系统还必须顾及空气动态性考虑和快速旋转叶片的考虑。
典型的风力涡轮叶片的避雷系统由连接至引下线(downconductor)的一个或更多个金属接闪器(receptor)组成，该引下线将雷击从(多个)接闪器传送至叶片轴承，并最终通过塔架传送至地。雷电对叶片进行雷击，并且除非存在外部损坏，否则根本不明显。然而，引下线的内部连接可能被损坏，并且除非它们通过比较(多个)接闪器与塔架或地之间的欧姆响应而被检查连续性，否则不容易被发现。为了接近叶尖接闪器，需要起重机或昂贵的载人吊篮设备。该测试过程是劳动密集的、困难的并且昂贵的，并且只能在天气允许的情况下进行。
发明内容
鉴于以上所述，根据本发明的一个方面，提供一种用于风力涡轮的转子叶片。转子叶片包括：转子叶片体；至少一个接闪器，其适合于作为雷电冲击的位置；和至少一个引下线，其连接至接闪器并位于转子叶片体内。引下线包括：第一导体，其连接至接闪器和风力涡轮的接地件；和第二绝缘导体，其连接至接闪器和风力涡轮的非接地位置。从第一导体的接地件到第二绝缘导体的非接地位置形成路径。该路径便于用于评估雷电保护系统的状态的连续性测试。
根据本发明的另一方面，提供一种用于风力涡轮的雷电保护系统。风力涡轮包括机舱、轮毂和一个或更多个转子叶片。每个转子叶片都包括：转子叶片体；至少一个接闪器，其适合于作为雷电冲击的位置；和至少一个引下线，其连接至接闪器并位于转子叶片体内。引下线包括：第一导体，其连接至接闪器和风力涡轮的接地件；和第二绝缘导体，其连接至接闪器和风力涡轮的非接地位置。从第一导体的接地件到第二绝缘导体的非接地位置形成路径。该路径便于用于评估雷电保护系统的状态的连续性测试。
根据本发明的又一方面，提供一种具有雷电保护系统和一个或更多个转子叶片的风力涡轮。风力涡轮包括至少一个转子叶片体和在至少一个转子叶片体中的至少一个接闪器，其中至少一个接闪器适合于作为雷电冲击的位置。至少一个引下线连接至至少一个接闪器，并位于至少一个转子叶片体中。引下线包括：第一导体，其连接至至少一个接闪器和风力涡轮的接地件；和第二绝缘导体，其连接至至少一个接闪器和风力涡轮的非接地位置。从第一导体的接地件到第二绝缘导体的非接地位置形成路径。该路径便于用于评估雷电保护系统的状态的连续性测试。
另外的实施例涉及包括在此描述的转子叶片和雷电保护系统的风力涡轮。
附图说明
对本领域技术人员的本发明的完整且可实施的公开，包括其最佳模式，在参考附图的说明书的剩余部分中更具体地提出，其中：
图1图示根据本发明的方面包括转子叶片雷电保护系统的风力涡轮的示意图；
图2图示根据本发明的方面包括转子叶片中的接闪器和引下线的转子叶片的一部分；
图3图示根据本发明的方面连接至接闪器的引下线的一部分；
图4图示根据本发明的方面包括转子叶片雷电保护系统的转子叶片的示意图；以及
图5图示根据本发明的方面包括转子叶片雷电保护系统的转子叶片的示意图。
部件列表：
20塔架
26轮毂
28转子叶片
28a前缘
28b后缘
32高度
34长度
54机舱
100风力涡轮
110接闪器
110’接闪器
105雷电
120引下线
122引下线
123地
130球
132半径
202箭头
204雷电
206雷电
206’雷电
300引下线
310第一导体
315连接器
320第二绝缘导体
322绝缘覆层
410接闪器
430螺栓
440变桨轴承
500引下线
510接闪器
515第一导体
520第二导体
具体实施方式
现在详细参考本发明的各个方面，本发明的一个或更多个示例图示于附图。每个示例作为本发明的说明而提供，并且不用作本发明的限制。例如，作为一个方面的一部分而图示或描述的特征可用于其它方面或结合其它方面使用，以另外产生更多的方面。本发明意在包括这种改进和变型。
现代风力涡轮叶片是由各种材料制造的结构，诸如玻璃增强塑料(GRP)、木材、木板叠层和碳增强塑料(CRP)。诸如安装凸缘、重量件、轴承、线和电线的零件和构件由金属制成。特别地，对于完全由非传导材料构成的叶片，通常发现作为接闪器的雷电附着点靠近尖部或分布在叶片上。
风力涡轮叶片的雷电保护的普遍问题是将雷电电流从附着点安全地传导至轮毂。因此，系统必须完全结合到风力涡轮的不同部分中，以确保可能是雷电附着点的所有部分都能够经得起雷击的冲击。
图1图示本发明的雷电保护系统可应用于其中的风力涡轮100。机舱54位于塔架20之上。轮毂26可旋转地安装至机舱54。轮毂还连接至转子叶片28。雷电事件105的最高点由塔架的高度32和叶片的长度34给出，该叶片的长度34分别为转子的半径。为了在预定的雷电保护安全等级内，需要防止比预定距离更靠近风力涡轮的一部分的雷电损坏该装置。雷电105距风力涡轮的距离区分不同的雷电保护安全等级。一般方法是滚球法，以确定雷电保护等级。因此，具有半径132的球130虚拟地在要保护的系统的每个部分上滚动。处在雷电冲击的危险中的区域被限定为中心为雷电的先导通道(leaderchannel)的球。球130的表面被认为是可出现放电的那些点。
对于不同的雷电保护等级给予不同的半径，例如对于等级I为20米。对于每个表面位置，雷击具有一定的概率。半径越小，则越有可能出现雷击。为在风力涡轮上滚动的具有半径132的球130的每个可能的位置提供保护。
例如，为了雷电保护安全等级1，雷电必须能够靠近具有20米半径的球130，并且需要保护风力涡轮免受具有先导通道的雷电，该先导通道在一距离的范围内，使得具有可能放电的点的球不接触该装置。换句话说，希望具有用于风力涡轮及其构件的雷电保护系统，使得具有与将损坏风力涡轮或其构件的距离对应的半径的球不接触风力涡轮的表面。
接闪器110、110′位于转子叶片28上。接闪器连接至叶片内的引下线120。此外，经由轮毂26和导体122建立电连接，使得来自雷击接闪器的雷电的电流可流过引下线120、导体122，其如由附图标记123所指示地接地。
因此，叶片28的雷电保护通过将接闪器110、110′设置在雷电事件的期望位置并提供导体122或传导路径以给雷击105放电而建立。该保护系统的原则是为雷电提供优选的路径。
因此，雷电保护系统可具有设置在叶尖处或附近的离散的雷电接闪器110、110′。内部引下线系统120将雷电电流从尖部处的接闪器引导至叶根。根据另一方面，特别长的叶片配备有分布在叶片上的多个接闪器。根据一个方面，穿透表面的接闪器可设置成使得降低雷电对叶片表面的无保护部分进行雷击的可能性。根据另一方面，离散接闪器的间隔例如可以是如下间隔，其中沿叶片表面的闪络电压低于叶片表皮的击穿电压。作为示例，实心导体可根据一个实施例以从30cm到60cm变化的间隔设置在表面上。
然而，雷电105雷击风力涡轮100及其构件的位置由局部电场给出。先前已报道的对风力涡轮的损坏表明在有些情况下，雷电直接雷击引下线或接闪器，尤其对于转子叶片的后缘。对非传导叶片部分的雷击可至少部分地由水使叶片更有传导性的事实解释。另一因素可以是叶片28可简单地位于雷击风力涡轮100的雷电的路径上。另外，众所周知，放电沿表面比通过空气更容易形成。
当雷电直接通过转子叶片28的非传导部分，例如叶片的后缘，雷击引下线120时，由于玻璃纤维的表面碳化、击穿和分层，所以可出现对转子叶片的GRP的损坏。该损坏可劣化转子叶片的功能性和/或寿命，并且还可为雷电的二次和更多的雷击提供优选的路径。
当雷电在叶片内形成电弧时，引起对风力涡轮叶片28的严重损坏。电弧可在叶片内的充气空腔中形成或沿内表面形成。由这种内部电弧引起的压力冲击波可破坏叶片表面表皮。内部电弧常常在叶尖处的雷电附着点与叶片内部的一些传导构件之间形成。当雷电电流或其一部分可能由于复合材料层保存一些湿气而在这种层中或这种层之间传导时，出现另一类型的损坏。
根据在此描述的方面，可通过在引下线周围提供绝缘片降低在引下线120周围的电场强度，该电场强度决定雷电是否直接雷击引下线。
因此，可以以与第二绝缘线或导体配对的第一绝缘电缆或编织铝导体或电缆的形式提供引下线元件120、122。应理解的是，利用绝缘片覆盖第一和第二导体意味着除例如存在到接闪器或端点的连接的那些部分之外，覆盖整个导体。根据另一方面，同样可利用绝缘材料隔离到接闪器110、110′的连接。在其它方面中，第一导体可不具有绝缘覆层。
在导体周围的绝缘降低在导体周围的电场强度，并因此可避免电击穿。此外，根据另一方面，在(多个)导体周围的绝缘可使在(多个)导体周围的电场均匀。根据已普遍使用的玻璃纤维网结合，不能将电场控制成均匀的。根据在此描述的方面，在导体周围的绝缘使得能够控制均匀电场。
引下线系统可具有足够的横截面，以便能够经受直接的雷击并传导全部雷电电流。根据一个实施例，用于铝的最小横截面例如可以是大约50mm2。引下线系统连接至叶片上的接闪器。安装在叶片表面上的这些导体可劣化叶片的空气动态性，或者产生不合需要的噪声。对于嵌入叶片的雷电导体，可使用例如铝或铜的线或编织物。雷电引下线可设置在叶片内。用于导体的金属固定件穿透叶片表面，并用作离散的雷电接闪器。用于风力涡轮叶片的雷电保护的材料应能经受由雷电电流施加的电、热和电动应力。
图2图示转子叶片28的一部分。旋转方向由箭头202图示。转子叶片28具有前缘28a和后缘28b。转子叶片28包括转子叶片的尖部处的接闪器110′和转子叶片内的接闪器110。接闪器110、110′由引下线120连接。
对于普遍使用的雷电保护系统，观察到以下情形。一方面，存在到接闪器中的一个的雷击204，并且电荷经由引下线120放出。另一方面，还可能存在穿透转子叶片28的雷击206、206′，其中引下线120由雷电直接雷击。因此，出现上述损坏。在后一种情况下，可损坏或危及引下线的内部连接或完整性。非常难于识别并定位引下线的这种内部损坏。
图3图示根据本发明的方面的引下线300的一部分。该设计利用编织铝条带引下线作为第一导体310，并沿第一导体310的中间设置第二绝缘线或导体320。第二导体可具有绝缘覆层322。导体310和320都经由连接器315连接至在叶尖处(和/或其它位置)的(多个)接闪器110、110′。第一导体310还连接至接地件。接地件可以是变桨轴承、叶片轴承或位于叶片的根段处的叶片螺栓。该接地件构造成具有到地123的低电阻路径。
第二绝缘导体320不连接至靠近叶片的根部的地，而是可卷曲并附连至靠近叶片轴承或叶片根部的内壁或表面，使得其不会用作接地路径。在雷电保护系统的检查期间，对于技术人员为简单事情的是，在第二绝缘导体320和叶根轴承(或其它接地点)上直接使用欧姆计以检查系统和引下线连续性。如果接闪器连接或引下线电缆300的有些部分被损坏，则读出将指示问题。如果雷电保护系统或引下线被损坏，则传导路径的电阻将具有指示问题的值。仅作为一个非限制性示例，如果雷击切断外导体310，则引下线的电阻将比预期的高。
图4图示根据本发明的方面转子叶片或转子叶片体28的侧视图。转子叶片或转子叶片体28包括连接至引下线300的至少一个接闪器410。第一导体310沿叶片28的长度延伸，并可附连至叶片28的根部处的螺栓430中的一个，该叶片28在变桨轴承440处附连至轮毂。当叶片28通过螺栓在变桨轴承440上就位时，这提供通过钢塔架或接地电缆122到地123的传导路径。第二或内导体320不连接至地，并维持不接地且位于叶片28的靠近根部的内壁上。该位置允许维护技术人员接近第二导体320。
图5图示根据本发明的另一方面转子叶片或转子叶片体28的侧视图。转子叶片28包括连接至引下线500的至少一个接闪器510。引下线500包括沿叶片28的长度延伸的两根分开的线。第一导体515可附连至叶片28的根部处的螺栓430中的一个，该叶片28在变桨轴承440处附连至轮毂。当叶片28通过螺栓在变桨轴承440上就位时，提供通过钢塔架或接地电缆122到地123的传导路径。第二导体520不连接至地，并维持不接地且位于叶片28的靠近根部的内壁上。该位置允许维护技术人员接近第二导体520。
该设计将排除对为了检查而每年靠近叶尖的需求。此外，如果看见或怀疑尖部损坏，可非常迅速地且容易地检查雷电接地系统，以允许现场管理员作出是否召集修理组的决定。
在此描述了用于制造或装配用于风力涡轮的转子叶片的方法。该方法包括步骤：提供转子叶片体；提供转子叶片体中的至少一个接闪器，其中接闪器适合于作为雷电冲击的位置。另一步骤提供至少一个引下线并将引下线连接至接闪器。提供至少一个引下线的步骤还包括步骤：提供第一导体，并将第一导体连接至至少一个接闪器和风力涡轮的接地件；和提供第二绝缘导体，并将第二绝缘导体连接至至少一个接闪器和风力涡轮的非接地位置。
还可执行通过评估从第一导体的接地件到第二绝缘导体的非接地位置的路径执行连续性测试的另一步骤。该步骤还可包括利用欧姆计获得路径的电阻。可将电阻与已知值比较，这可指示引下线或雷电保护系统的正常或不正常的操作。另外，第一导体和第二绝缘导体可大致形成同轴导体，其中第二绝缘导体大致位于第一导体内。
可以以绝缘电缆或线、或任何其它合适的导体的形式提供引下线元件。在引下线的一部分或全部周围的绝缘降低在引下线周围的电场强度，并且因此可避免引下线的电击穿。此外，根据另一方面，在引下线周围的绝缘可使在引下线周围的电场均匀。根据已普遍使用的玻璃纤维网结合，电场不能被控制成均匀的。根据在此描述的方面，在引下线周围的绝缘片使得能够控制均匀的电场。
绝缘减少直接对引下线的雷击的危险。因此，沿接闪器310、到引下线的导体312和引下线320本身的期望放电路径具有甚至更高的概率。因此，能降低雷击通过转子叶片的外壳的非传导部分直接附连至引下线的概率。
根据另一方面，引下线的横截面可以是圆形的，或者至少具有高于2mm的最小曲率半径。相比于矩形引下线，弯曲引下线横截面可进一步减弱在雷击期间出现的电场，并因此进一步减少雷击的危险。根据另一实施例，绝缘体的耐电强度具有至少50kV/mm的耐电强度。通常，根据另一实施例，耐电强度高于100kV/mm。绝缘的厚度可例如在0.5到5mm的范围内。根据其它实施例，可提供用作引下线的隔离的多层介电片。然而，引下线和任何单独的导体在特定的应用中根据需要可具有任何期望的横截面形状(例如矩形的、椭圆形的、多边形的等等)。
根据另外的方面，引下线可包括作为用于放电传导的材料的铜或铝。取决于材料，引下线的横截面的面积可至少为30mm2、50mm2、70mm2或甚至更高。因此，必须考虑的是，取决于横截面及与其对应的电阻率，当出现雷击时，可或多或少地提高引下线的温度。在雷击时，可预期高达100℃或更高的引下线的温升。因此，与外部温度结合，绝缘体材料对于150℃、160℃、180℃或甚至更高的温度可具有电阻率。通常，温阻可以是长期温阻，以便在转子叶片的整个寿命期间维持绝缘的耐用性。根据不同的实施例，可使用以下材料中的一种：乙烯-三氟氯乙烯-共聚物、乙烯-四氟乙烯-共聚物或聚氟乙烯丙烯。
根据另一实施例，引下线位于转子叶片28内，使得引下线基本上沿转子叶片的中性轴线设置。在风力涡轮的操作期间，转子叶片由于对它们起作用的风力而经历弯曲。通常，与是否预偏压转子叶片无关，存在具有转子叶片的最低压缩或张紧的中性轴线(中性纤维)或区域。引下线元件通常沿具有最低材料压缩或材料张紧的这种区域设置。例如，这至少可应用于转子叶片的中央部分。根据另一实施例，引下线的绝缘材料具有大约10kN/mm2、5kN/mm2或更低的杨氏模量。因此，转子叶片的弹性几乎不受为引下线提供绝缘的影响。
该文字描述使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种用于风力涡轮(100)的转子叶片(28)，包括：
转子叶片体(28)；
至少一个接闪器(410)，其适合于作为雷电冲击的位置；
至少一个引下线(300)，其连接至所述至少一个接闪器(410)并位于所述转子叶片体内，所述至少一个引下线包括：
　　第一导体(310)，其连接至所述至少一个接闪器和所述风力涡轮的接地件；
　　第二绝缘导体(320)，其连接至所述至少一个接闪器和所述风力涡轮的非接地位置；
其中，从所述第一导体的接地件到所述第二绝缘导体的非接地位置形成路径，所述路径便于用于评估所述路径的状态的连续性测试，以及
其中，所述第二绝缘导体(320)位于所述第一导体内。
2.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述至少一个接闪器(410)靠近所述转子叶片体的尖部进行设置。
3.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述第一导体的接地件包括以下中的一个或更多个：
叶片轴承、变桨轴承和叶片根段螺栓。
4.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述第一导体(310)是以下中的一个或更多个：
铜导体、铝导体和编织铝导体。
5.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述第一导体(310)和所述第二绝缘导体(320)大致形成同轴导体。
6.根据权利要求1所述的转子叶片，其特征在于，所述第二绝缘导体的非接地位置附连至所述转子叶片的靠近变桨轴承的内壁。
7.一种用于风力涡轮(100)的雷电保护系统，所述风力涡轮具有机舱、轮毂和一个或更多个转子叶片，所述转子叶片包括：
　　转子叶片体(28)；
所述雷电保护系统包括：
　　至少一个接闪器(410)，其适合于作为雷电冲击的位置；
　　至少一个引下线(300)，其连接至所述至少一个接闪器(410)并位于所述转子叶片体内，所述至少一个引下线包括：
　　第一导体(310)，其连接至所述至少一个接闪器和所述风力涡轮的接地件；
　　第二绝缘导体(320)，其连接至所述至少一个接闪器和所述风力涡轮的非接地位置；
其中，从所述第一导体的接地件到所述第二绝缘导体的非接地位置形成路径，所述路径便于用于评估所述路径的状态的连续性测试，以及
其中，所述第二绝缘导体(320)位于所述第一导体内。
8.根据权利要求7所述的雷电保护系统，其特征在于，所述至少一个接闪器(410)靠近所述转子叶片体的尖部进行设置。
9.根据权利要求7所述的雷电保护系统，其特征在于，所述第一导体的接地件包括以下中的一个或更多个：
叶片轴承、变桨轴承和叶片根段螺栓。
10.根据权利要求7所述的雷电保护系统，其特征在于，所述第一导体(310)是以下中的一个或更多个：
铜导体、铝导体和编织铝导体。
11.根据权利要求7所述的雷电保护系统，其特征在于，所述第一导体(310)和所述第二绝缘导体(320)大致形成同轴导体。
12.根据权利要求7所述的雷电保护系统，其特征在于，所述第二绝缘导体的非接地位置附连至所述转子叶片的靠近变桨轴承的内壁。
13.一种具有雷电保护系统和一个或更多个转子叶片的风力涡轮，所述风力涡轮包括：
至少一个转子叶片体(28)；
至少一个接闪器(410)，其适合于作为雷电冲击的位置；
至少一个引下线(300)，其连接至所述至少一个接闪器(410)并位于所述转子叶片体内，所述至少一个引下线包括：
　　第一导体(310)，其连接至所述至少一个接闪器和所述风力涡轮的接地件；
　　第二绝缘导体(320)，其连接至所述至少一个接闪器和所述风力涡轮的非接地位置；
其中，从所述第一导体的接地件到所述第二绝缘导体的非接地位置形成路径，所述路径便于用于评估所述路径的状态的连续性测试，以及
其中，所述第二绝缘导体(320)位于所述第一导体内。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一个接闪器(410)靠近所述转子叶片体的尖部进行设置。
15.根据权利要求13所述的风力涡轮，其特征在于，所述第一导体的接地件包括以下中的一个或更多个：
叶片轴承、变桨轴承和叶片根段螺栓。
16.根据权利要求13所述的风力涡轮，其特征在于，所述第一导体(310)是以下中的一个或更多个：
铜导体、铝导体和编织铝导体。
17.根据权利要求13所述的风力涡轮，其特征在于，所述第一导体(310)和所述第二绝缘导体(320)大致形成同轴导体。
18.根据权利要求13所述的风力涡轮，其特征在于，所述第二绝缘导体的非接地位置附连至所述转子叶片的靠近变桨轴承的内壁。
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