CN102395785A - 风力涡轮机雷电保护和监测系统 - Google Patents

风力涡轮机雷电保护和监测系统 Download PDF

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Abstract

一种风力涡轮机毂(8)和吊舱(4)组件，包括用于在毂(8)和吊舱(4)之间传导雷电的雷电传导装置(26，30，32，40)，所述毂(8)安装用于相对于吊舱(4)转动并适于支撑涡轮机叶片，所述毂(8)包括用于连接到由毂(8)支撑的涡轮机叶片的毂导体(26)，所述雷电传导装置包括彼此面临并可互换的导电轨道(40)和端子(30，32)，导电轨道(40)和端子(30，32)之一安装在毂(8)上并电连接到毂导体(26)，导电轨道(40)和端子(30，32)的另一个安装在吊舱(4)上，端子(30，32)包括从导电轨道(40)间隔开的端子主体(30)和从端子主体(30)向着轨道(40)延伸的牺牲导电端子延伸部(32)。

Description

风力涡轮机雷电保护和监测系统
技术领域
本发明涉及风力涡轮机雷击保护系统、将雷击电力传导到大地的方法和用于监测风力涡轮机上的雷击的监测系统。
背景技术
具有用于传导雷击电力到大地的雷电传导系统的风力涡轮机是已知的。这样的风力涡轮机的例子公开在专利US2007/0114797-A1中，其中支撑多个风力涡轮机叶片的转子毂设置有用于传导雷击电力到大地的集流环。火花隙构件安装在转子支撑吊舱上以每个定位为具有从集流环间隔开一小的火花隙的末端。雷击电力被传导到集流环，然后跨过火花隙到大地。这样的用于远离转子传导雷击电力的火花隙的使用提供高阻抗连接，因此不有效。而且，由于部件公差，难以保持火花隙以使得它们足够小。如果火花隙太大，将不会发生有效接地。
发明内容
本发明的目的是克服与现有技术有关的至少一个缺点。
根据本发明的第一方面，提供一种风力涡轮机毂和吊舱组件，其包括用于在毂和吊舱之间传导雷电的传导装置，所述毂安装用于相对于吊舱转动并适于支撑涡轮机叶片，所述毂包括用于连接到通过毂支撑的涡轮机叶片的毂导体，所述雷电传导装置包括彼此面临并可互换的导电轨道和端子，导电轨道和端子之一安装在毂上并电连接到毂导体，导电轨道和端子的另一个安装在吊舱上，所述端子包括从导电轨道间隔开的端子主体和从端子主体向着轨道延伸的牺牲导电端子延伸部。通过提供具有牺牲端子延伸部的端子，所述端子延伸部可以通过滑动接触导电轨道磨损掉直到在端子延伸部和导电轨道之间具有间隙。由于该间隙形成的方式，它将非常小。当雷击电力在端子和导电轨道之间引导时，端子主体和导电轨道之间的大部分端子延伸部将蒸发，电弧将形成在端子和导电轨道之间。该电弧将相应地产生等离子，从而由离子化空气产生导电通路，其将允许继续传导电力到导电轨道。在这样的雷击已经发生后，将必须替换牺牲端子延伸部。
为了尽早开始电弧形成以及随后的等离子形成，优选地，端子延伸部至少大致延伸到轨道。如上述的，当毂和吊舱最初安装时，端子延伸部优选地接触导电轨道，并且毂的初始转动使得端子延伸不损耗直到端子延伸部和导电轨道之间具有小间隙。
优选地，端子延伸部包括并排定位的多个传导构件。这样的配置将提供多个端子延伸部部分，其面临导电轨道，每个导电轨道具有相对小的横截面面积，这将在这些部分的末端增大电场强度。这将相应地增大电势以离子化端子延伸部和导电轨道之间的空气。方便地，端子延伸部包括刷子状传导装置，并可有利地包括由多个传导缆线构成的刷子。
优选地，端子主体的表面是向着轨道的圆顶的以为了增加场强以及相应地增加电势以离子化端子和导电轨道之间的空气。
轨道可以安装在吊舱上，端子安装在毂上。通过这样的配置，来自每个叶片的雷电导体可以方便地单独电连接到单独的端子。每个涡轮机叶片优选地通过雷电导体连接到至少一个所述端子。但是，每个涡轮机叶片也可以连接到多个所述端子。这样的配置将提供有利的冗余性。
根据本发明的第二方面，提供一种在风力涡轮机毂和吊舱组件中传导雷电电力的方法，包括步骤：(i)提供根据本发明的第一发方面所述的风力涡轮机毂和吊舱组件；(ii)从所述毂导体传导雷电电力到所述端子主体，然后通过所述端子延伸到所述轨道，然后到大地；(iii)蒸发所述端子主体和所述轨道之间的大部分端子延伸部，因为电力流动通过所述端子延伸部；(iv)在所述端子主体和所述轨道之间形成导电等离子体路径；和(v)在所述端子主体和所述轨道之间经由所述等离子路径继续传导电力。
根据本发明的第三方面，提供一种风力涡轮机雷击监测系统，其包括支撑多个风力涡轮机叶片的转子，每个风力涡轮机叶片包括雷电导体和感应传感器，感应传感器配置为在当各雷电导体传导雷击电力到大地时产生电信号。由于当发生雷击时在雷电导体中流动非常高的电流(200kA数量级)，通过感应传感器传感雷击提供实施这样的传感的特别可靠的方法。
优选地，监测系统还包括适于获得与哪个风力涡轮机叶片已经被雷击相关的数据的数据获取装置。当风力涡轮机是所谓的风力形式的多个风力涡轮机中的一个时，数据获取装置优选地还适于获得与哪个风力涡轮机已经被雷击的数据。通过这样的系统，将可以快速确定涡轮机的哪个牺牲端子将需要更换。
优选地，所述系统包括安置为将电信号转换为光信号以便在毂和通过用于毂的支撑结构支撑的传输器之间传输的换能器。这样的配置将避免对集流环或者类似的电连接以适应毂和吊舱之间的相对移动以传输信号到传输器的需求。这样的系统意味着，信号可以通过穿入和穿出毂的单一光学纤维多路传输到吊舱中的数据获取系统。
方便地，监测系统进一步包括SCADA(监控、控制和数据获取)系统，每个感应传感器包括感应环，该环安置为传输信号到SCADA系统以使得能够监测哪个风力涡轮机叶片已经被雷击。
附图说明
现参照附图仅通过例子形式描述本发明，在附图中：
图1示出根据本发明的第一实施例的具有毂和吊舱的风力涡轮机的侧视图；
图2示出通过如图1所示的风力涡轮机的一个涡轮机叶片的在图1中标记A的部分的示意性横截面视图；
图3示出通过图1所示所述风力涡轮机的毂和吊舱的示意性部分横截面视图；
图4示出在线BB上的图3所示的组件的示意性横截面视图；以及
图5示出在线CC上的图3所示的组件的示意性横横截面视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的包括毂8和吊舱4组件的风力涡轮机2。吊舱4通过塔6支撑，毂8支撑两个涡轮机叶片10，用于绕旋转轴16转动。每个涡轮机叶片包括定位在它的末端外部并接近于它的末端的圆顶雷击垫14。在图1中标记A的上涡轮机叶片10的部分的放大的横截面视图示出在图2中，图2示出由适当的导电材料例如铜合金制成的雷电导体18连接到垫14的内部部分。雷电导体18沿着叶片10延伸到毂8避过具有围绕它的一部分的线圈形式的感应传感器20。来自感应传感器20的传感器引线22沿着叶片10延伸到毂8。感应传感器20可以位于沿着雷电导体18的其它的位置，例如在毂8中。而且，感应传感器20不必如图所示地围绕雷电导体18，而是可以定位为与其相邻，如果感应传感器足够靠近它以检测沿着雷电导体18通过的雷击的话。
参照图3，毂8包含连接到雷电导体18的毂导体26，并还可以由铜合金形成，并可以构成导体18的延伸部。毂导体26还连接到从毂8向着吊舱4突出的端子28。雷电导体18和毂导体26包在绝缘层27中。端子28包括可以由铜合金形成的端子主体30，和牺牲导电端子延伸部32。主体30包括用于固定它在毂8中的凸缘34。主体还包括盲孔36，端子延伸部32固定在其中。主体30的面对固定到吊舱4的外表面的环形导电轨道40的表面38是圆顶的。端子延伸部32包括多个传导缆线，所述多个传导缆线可以是不锈钢缆线。缆线为从端子主体30大致延伸到导电轨道40的刷子形式。
用于端子的替代配置示出在图6中。图6中的端子包括具有圆顶远端面44的端子主体46。端子主体46由多个构成端子延伸部42的缆线围绕。缆线通过夹子48例如不锈钢的Jubilee夹子(TM)围绕，所述夹子牢固地保持缆线在端子主体46周围。
毂8通过转子轴52被支撑用于转动，转子轴52从毂8的背面60延伸并通过吊舱主体24的前面50的孔62。在吊舱主体24内部，转子轴52依靠外轴承构件54和内轴承构件安装用于转动，该外轴承构件54接合吊舱主体24，该内轴承构件每一个具有接收转子轴52的贯穿通道64。发生器腔室53位于转子轴52和吊舱主体24之间，电力产生装置将定位在其中。电力产生装置已经省略以为了简洁。
导电轨道40是环形的，依靠螺栓66固定到吊舱主体24的前面50，与旋转轴16和转子轴52同心，所述螺栓66接合轨道40的背面中的螺纹孔。图5是图3中的线CC上的横截面并示出具有连接到其上的导电轨道40的吊舱主体24的前面50。塔导体68电连接到导电轨道40并延伸通过吊舱主体24并沿着塔6到大地。图4是图3中的线BB上的横截面并示出毂8和端子28的背面60。
当毂8最初连接到吊舱4时端子延伸部32将用于仅仅接触导电轨道40。当发生毂的转动时端子延伸部32将磨损到一个点，由此在每个端子延伸部32和导电轨道40之间具有非常小的间隙。
在毂8中传感器引线22从两个感应传感器20连接到换能器70，换能器70将来自感应传感器20的电信号转换为光信号，光信号依靠光学纤维72传送，所述光学纤维72沿着转子轴52中的通路76延伸。光学纤维72端接在转子轴52的背面78。来自感应传感器20的信号可以替代地以替代的方式传送到吊舱4中的数据获取系统80。例如，信号可保持为电形式并依靠集流环传送到吊舱4，该集流环定位为围绕转子轴52。
支撑件82安装在紧邻转子轴52的背面78的吊舱主体24。支撑件82支撑与转子轴52中的光学纤维72对齐的光学纤维桩84。纤维桩84连接到第二换能器74，第二换能器74将从第一换能器70经由光学纤维72和纤维桩84接收的光信号转换为电信号，该电信号通过缆线86传送到数据获取系统80，数据获取系统80可以为所谓的SCADA(监视、控制和数据获取)系统。磁体90安装在转子轴52上并安置为每当转子轴转动时穿过连接到支撑件82的近程式传感器92。来自近程式传感器92的信号通过其它缆线88传输到SCADA系统80。SCADA系统还可被提供与风力涡轮机的其它的特征相关的其它数据。传输线94从SCADA系统80延伸到从风力涡轮机2远程定位并如图1所示的数据处理系统102。数据处理系统102可包括连接到屏幕98和键盘100的中央处理单元96，用于访问与风力涡轮机2相关的数据。
当一个垫14被雷击时，电力将沿着相关的雷电导体18传输到毂导体26并进入端子主体中。电力然后将流入端子延伸部32中，电弧然后将形成在端子延伸部32和导电轨道40之间。从导电轨道，电力可以沿着塔导体68流到大地。在端子延伸部32和导电轨道40之间的接口处，端子延伸部32将蒸发，并且当这发生时，电弧将被拽拉在端子28和导电轨道40之间。该电弧将从离子化的空气产生导电等离子体路径，其将在端子主体30和导电轨道之间提供有效的电力传导。在雷击已经发生后，将必须替换已经耗费掉的端子延伸部32。
当发生雷击时，沿着雷电导体18的电力传导导致与其相关联的感应传感器20产生电信号，该电信号通过传感器引线22传输到第一换能器70，在那里电信号变为光信号并沿着光学纤维72和纤维桩84传送到第二换能器74，在那里它变回电信号。来自第二换能器74的电信号传递到SCADA系统，用于经由传输线94向前传输到数据处理系统102，该数据处理系统102构成人机联系装置，其使得操作者能够监测可能的多个风力涡轮机中的哪个已经被雷击以及特别地哪个涡轮机叶片已经被击中。
尽管已经描述本发明的特地实施例，但是，将认识到，可以对其进行修改而不超出本发明的如权利要求限定的范围。风力涡轮机可包括三个或更多的叶片。轨道可以安装在毂上，一个或多个端子可以安装在吊舱上。所有的雷电导体可以连接到两个、三个或者更多的这样的端子。牺牲端子延伸部可以为多个杆的形式，其具有尖的远端，或者可以为由在它传导通过其中的雷击电力时会蒸发的材料制成的固体构件的形式。感应传感器可以位于从涡轮机叶片延伸的雷电导体的毂部分中。

Claims (15)

1.一种风力涡轮机毂和吊舱组件，包括用于在所述毂和所述吊舱之间传导雷电的传导装置，所述毂安装用于相对于所述吊舱转动并适于支撑涡轮机叶片，所述毂包括用于连接到由所述毂支撑的涡轮机叶片的毂导体所述雷电传导装置包括彼此面临并可以彼此互换的导电轨道和端子，所述导电轨道和所述端子之一安装在所述毂上并电连接到所述毂导体，所述导电轨道和所述端子的另一个安装在所述吊舱上，所述端子包括从所述导电轨道间隔开的端子主体和从所述端子主体向着所述轨道延伸的牺牲导电端子延伸部。
2.如权利要求1所述的组件，其中，所述端子延伸部至少大致延伸到所述轨道。
3.如权利要求1或者2所述的组件，其中，所述端子延伸部包括并排定位的多个传导构件。
4.如权利要求1、2或者3所述的组件，其中，所述端子延伸部包括刷子状传导装置。
5.如权利要求4所述的组件，其中，所述端子延伸部包括由多个传导缆线构成的刷子。
6.如前述任一权利要求所述的组件，其中，所述端子主体的表面向着所述轨道是圆顶的。
7.如前述任一权利要求所述的组件，其中，所述轨道安装在所述吊舱上，所述端子安装在所述毂上。
8.如权利要求7所述的组件，其与由所述毂支撑的涡轮机叶片结合，其中，每个涡轮机叶片通过雷电导体连接到至少一个所述端子。
9.如权利要求8所述的毂、吊舱和涡轮机叶片的组合，其中，每个涡轮机叶片通过雷电传导装置连接到多个所述端子。
10.一种在风力涡轮机毂和吊舱组件中传导雷电电力的方法，包括步骤：(i)提供如权利要求1-8之一所述的风力涡轮机毂和吊舱组件；(ii)从所述毂导体传导雷电电力到所述端子主体，然后通过所述端子延伸到所述轨道，然后到大地；(iii)蒸发所述端子主体和所述轨道之间的大部分端子延伸部，因为电力流动通过所述端子延伸部；(iv)在所述端子主体和所述轨道之间形成导电等离子体路径；和(v)在所述端子主体和所述轨道之间经由所述等离子路径继续传导电力。
11.一种风力涡轮机雷击监测系统，包括支撑多个风力涡轮机叶片的转子，每个风力涡轮机叶片包括雷电导体和感应传感器，该感应传感器配置为当各个雷电导体传导雷击电力到大地时产生电信号。
12.如权利要求11所述的监测系统，包括适于获得关于哪个风力涡轮机叶片已经被雷击的数据的数据获取装置。
13.如权利要求11或者12所述的监测系统，包括换能器，该换能器配置为将所述电信号转变为光信号，用于在所述毂和用于所述毂的由支撑结构支撑的传输器之间传输。
14.如权利要求11、12或者13所述的监测系统，进一步包括SCADA(监控、控制和数据获取)系统，并且每个感应传感器包括感应环，该感应环设置为传递信号到SCADA系统以使得能够检测哪个风力涡轮机叶片已经被雷击。
15.如权利要求11-14之一所述的监测系统，其与包括如权利要求1-9之一所述的毂和吊舱组件的风力涡轮机结合。
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