CN102667146A

CN102667146A - 用于风力涡轮机机舱的雷电保护

Info

Publication number: CN102667146A
Application number: CN2010800511685A
Authority: CN
Inventors: B.莱夫克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2012-09-12
Also published as: CA2780558C; EP2499359B1; DK2499359T3; US9097238B2; US20120219420A1; CA2780558A1; WO2011057828A1; EP2499359A1

Abstract

本发明描述了用于风力涡轮机（100）的机舱（122）的雷电保护系统，其中机舱（122）包括支撑结构（132，232）、罩盖（134，234，334）和避雷针（236a，236b）。雷电保护系统包括：（a）导体装置（260），它包括（a1）核心导体（264），（a2）包围核心导体（264）的隔离材料（466），和（a3）包围隔离材料的屏蔽结构（268）；（b）输入端口，其连接到核心导体（264）的第一端，且适于连接到避雷针，和（c）输出端口，其连接到核心导体（264）的第二端，且适于连接到支撑结构（132，232）。本发明进一步描述了用于风力涡轮机（100）的机舱（122），风力涡轮机（100），保护风力涡轮机（100）的机舱（122）的方法，这几个都得益于提到的雷电保护系统。而且，本发明描述了所述雷电保护系统的用途。

Description

用于风力涡轮机机舱的雷电保护

技术领域

本发明涉及风力涡轮机领域。具体地，本发明涉及用于风力涡轮机机舱的雷电保护系统。进一步地，本发明涉及用于风力涡轮机的机舱，以及涉及风力涡轮机，它们配备了提到的雷电保护系统。而且，本发明涉及一种用于保护风力涡轮机的机舱不受雷击破坏的方法，以及涉及提到的雷电保护系统的用途。

背景技术

已知的提供最大功率输出为例如2.3MW或3.6MW的风力涡轮机包括分别具有机舱罩盖的机舱，机舱罩盖通常由钢制成的机舱罩盖。由于钢是具有高导电率的稳定材料，所以罩盖能够受到并承受住直接的雷击。因此，罩盖形成法拉第笼，其包围a）相应风力涡轮机的系统组件，和b）位于机舱内以便例如执行维修任务的人。

新一代的风力涡轮机将配备分别具有机舱罩盖的机舱，机舱罩盖由不导电材料制成。具体地，用于新型风力涡轮机机舱的罩盖由非金属材料例如玻璃纤维增强塑料制成。

为了对电磁兼容性（EMC）有良好屏蔽，玻璃纤维罩盖的内部可以覆盖薄的金属涂层，例如金属涂料。然而，此涂层通常不能承受或应付由雷击引起的如雷电保护等级1（参见“Technical Report IEC 614C0-24”，Turbine generator system，Part 24：“Lightning Protection”）所要求的高达200kA的峰值电流安培数的电流。因此，需要额外的下引导体（或称引下线）将位于风力涡轮机的冷却器和发电机顶上的保护性避雷针电连接到机舱的底板。然而，在直接雷击的情况下，这样的下引导体不得不将高的雷电电流传送通过机舱内部。所产生的电磁场可能损害机舱内的电敏感系统组件。因此，通过采用从避雷针到机舱底板的标准下引导体，不能实现雷电保护区II（LPZ2）。

可能需要提高对具有非金属罩盖的机舱的雷电保护。

发明内容

此需求可以通过独立权利要求所述的主题来实现。从属权利要求描述了本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于风力涡轮机机舱的雷电保护系统，其中所述机舱包括支撑结构、罩盖和避雷针。所提供的雷电保护系统包括：a）导体装置，它包括核心导体，包围所述核心导体的隔离材料和包围所述隔离材料的屏蔽结构，b）输入端口，其连接到所述核心导体的第一端，且其适于连接到所述避雷针，和c）输出端口，其连接到所述核心导体的第二端，且其适于连接到所述支撑结构。

所描述的雷电保护系统基于如下思想，即：通过引入被置于屏蔽结构内的特殊的被隔离的导体，由雷击产生的大电流可通过机舱的内部或通过机舱的边界区引导，而不会引起大的可能损害机舱内电力或电子设备的巨大电磁辐射。

一般而言，所描述的雷电保护系统基于的基本思想是将罩盖上和/或罩盖外的避雷针与被隔离的核心导体连接。被隔离的核心导体自身置于屏蔽结构内部。由于隔离，雷电感应电流只在内部核心导体中传导，不会在屏蔽结构上传导。结果，通过设置于隔离的核心导体周围的屏蔽结构，发出的电磁场会被屏蔽到至少高达一定等级。

所提到的屏蔽结构例如由既可用于雷电保护又可用于屏蔽目的的（金属）管或柔性（金属）软管来实现。

注意，可以给机舱配备不只一个避雷针。如果机舱包括两个或多个避雷针，可以使用一个或多个导体装置。具体地，一个导体装置或连接到一个或多个避雷针，其中在后一种情况下，第一端必须分成两个或多个第一端部。

还要注意，本文中，如果没有另行说明，则用语“连接”或“被连接”意指电连接。因此，可以直接在各个组件之间建立电连接，或者通过一个或多个导电的其它组件间接地建立电连接。

根据本发明的实施例，导体装置是同轴电缆。

同轴电缆可以是例如由Dehn & S?hne Gmbh und Co KG（http://www.dehn.de/）生产的HVI^TM电缆，其中HVI^TM是注册商标（TM）。HVI^TM电缆有三种不同类型（HVI^TM电缆I，HVI^TM电缆II和HVI^TM电缆III），其中为了有效保护机舱，优选可使用HVI^TM电缆I。关于HVI^TM电缆的进一步信息，请参见以下网址：http://www.dehn.de/de/newsletter/nl1_08/DEENinfo_1_08_1.pdf。

根据本发明的另一实施例，雷电保护系统进一步包括：a）另一导体装置，其包括其另一核心导体、包围所述另一核心导体的另一隔离材料和包围所述另一隔离材料的另一屏蔽结构，b）另一输入端口，其连接到所述另一核心导体的第一端，且其适于连接到所述避雷针，和c）另一输出端口，其连接到所述另一核心导体的第二端，且其适于连接到所述支撑结构。

另一导体装置可提供优点，即：由雷击产生的电流可分成（至少）两部分，其中一部分由上述的核心导体运送，另一部分由另一核心导体运送。

一般而言，通过使用上文描述的多个导体装置或雷电保护系统，电流可被分散，因此可以进一步降低所产生的电磁场。一旦雷电流的脉冲已经到达机舱支撑结构，可获得与实际的风力涡轮机（例如西门子公司风电部门生产的2.3MW的风力涡轮机）中同样的电磁兼容（EMC）条件。

根据本发明的另一实施例，屏蔽结构的第一端可连接到形成于所述罩盖的金属层。金属层可形成于罩盖的内表面、罩盖的外表面和/或用于形成罩盖的材料内部。

将屏蔽结构的第一端连接到罩盖的金属层可提供如下优点，即：在由雷击产生的电流脉冲在核心导体中从核心导体的第一端传播到核心导体的第二端时，可以提供改进的电磁屏蔽。

根据本发明的另一实施例，屏蔽结构的第二端可连接到支撑结构。

将屏蔽结构的第二端与支撑结构连接还可提供如下优点，即：可实现改进的电磁屏蔽。

为了实现完全封闭的系统，屏蔽结构，例如金属软管在一侧连接到罩盖的金属层，另一侧连接到机舱的支撑结构。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于风力涡轮机的机舱。所提供的机舱包括：a）支撑结构，b）机械地连接到支撑结构的罩盖，c）避雷针，其附连到罩盖，和d）上文所述的雷电保护系统。雷电保护系统的输入端口连接到避雷针，并且雷电保护系统的输出杆连接到支撑结构。

所描述的机舱基于如下思想，即：通过使用上文描述的雷电保护系统，特别在雷击方面显著提高机舱的电磁兼容（EMC）。

在这方面，用语“附连”可表示避雷针可以用直接或间接方式机械地连接到罩盖。

根据本发明的一个实施例，罩盖包括提供了金属层的非金属材料。非金属材料可以是例如玻璃纤维增强塑料。这可提供如下优点，即：罩盖能以稳定但重量轻的方式实现。

金属层可提供如下优点，即：可保护机舱内部不受不必要的电磁辐射的影响。当然，如上文已经描述的，在雷击情况下，主要是导体装置，具体是核心导体而非金属层会将产生的电流从避雷针运送到机舱的支撑结构。

根据本发明的另一实施例，金属层包括金属涂料。这可提供优点，即：可以简单有效的方式提高机舱的电磁兼容性（EMC）。

优选地，金属涂料附连在罩盖的内部上，从而使得因去除金属涂料可能产生的环境影响减至最小。

根据本发明的另一实施例，金属层包括层叠网。该叠层结构可处于罩盖内或者处于罩盖的内表面或外表面上。

要提及的是，层叠网可结合金属涂料的使用而使用，优选用在罩盖内部。该层叠网或保护性网可由钢和/或其它任何适当金属制成。可在非金属材料内，特别是在罩盖的玻璃纤维内执行层叠。另外，像金属涂料一样，屏蔽结构（软管或管）也可电连接到层叠网

根据本发明的另一方面，提供了一种用于产生电力的风力涡轮机。所提供的风力涡轮机包括：a）塔架，b）上文所述的机舱，其中机舱以可旋转方式安装到塔架，和c）转子，其包括至少一个叶片且被附连到机舱。

所描述的风力涡轮机基于如下思想，即：通过使用上文描述的机舱，分别是通过使用上文所述的用于机舱的雷电保护系统，可提高风力涡轮机的操作可靠性，特别是在雷击击中机舱，相应地是击中机舱罩盖的情况下。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于保护风力涡轮机的机舱不受雷击破坏的方法。为此，使用上文描述的雷电保护系统。机舱包括支撑结构、罩盖和避雷针。所提供的方法包括：a）将输入端口连接到避雷针，和b）将输出端口连接到支撑结构。

同样，所描述的雷电保护方法基于如下思想，即：通过使用上述的用于机舱的雷电保护系统，可提高机舱的操作可靠性，因此可提高整个风力涡轮机的操作可靠性。

根据本发明的另一方面，提供了一种上文描述的用于风力涡轮机机舱的雷电保护系统的用途。

必须注意，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。具体地，参考设备类型的权利要求描述了一些实施例，参考方法或用途类型的权利要求描述了其它实施例。但是，本领域技术人员根据上文和下文的描述将会认识到，除另行说明外，应认为本文不但公开了属于同一类型主题的特征的所有组合，而且公开了属于不同主题的特征，具体是设备类型权利要求的特征与方法或用途类型权利要求的特征之间的所有组合。

根据下文描述的实施例，本发明上文所述的方面以及其它方面将变得清楚明了，而且将参照实施例对它们进行解释。下文将参照实施例描述本发明，但本发明并不受限于这些实施例。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的风力涡轮机。

图2A以横截面图的形式示出了本发明一个实施例的机舱，其中横截面平行于转子轴线定向。

图2B以横截面图的形式示出了图2A所示的机舱，其中横截面垂直于转子轴线定向，并且横截面是在机舱的后端截取的。

图3示意性示出了一个机舱罩盖的顶部，该机舱罩盖电连接到根据本发明一个实施例的雷电保护系统。

图4以横截面图的形式示出了雷电保护系统的导体装置。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同图中，相似或相同的元件被提供了相同的附图标记或只是与相应附图标记第1个数字上不同的附图标记。

图1示出了根据本发明一个实施例的风力涡轮机100。风力涡轮机100包括安装在塔基上（没有示出）的塔架120。在塔架120的顶部设置有机舱122。在塔架120和机舱122之间的空间中提供有偏航角调节装置121，它能够使机舱122绕未示出的竖直轴线旋转，竖直轴线与塔架120的纵向延伸方向成一直线。通过以适当方式控制偏航角调节装置121，可以保证在风力涡轮机100的正常运行中，机舱122总是适当地对准当前的风向。然而，偏航角调节装置121还可用来将偏航角调节到一个位置，其中特意不使机舱122与当前风向完全对准。

通过图1可以看出，机舱122包括支撑结构132，其通常被简单称为底板；为位于机舱122内的设备提供的罩盖134；和避雷针136，根据这里描述的实施例，它位于罩盖134顶部。

风力涡轮机100进一步包括具有三个叶片114的转子110。在图1的视角中，只有两个叶片114可见。转子110可绕旋转轴线110a旋转。叶片114安装在轮毂112上，关于旋转轴线110a径向延伸。

在轮毂112和叶片114之间的空间中，分别提供有叶片调节装置116，以便通过绕未示出的轴线旋转相应的叶片114来调节每个叶片114的叶片浆距角，该轴线基本与叶片114的纵向延长方向平行。通过控制叶片调节装置116，可以至少在风向不太强时，通过可用的风力获取最大风力的方式，调节相应叶片114的叶片浆距角。然而，叶片浆距角还可被有意调节到一个仅捕获风力较小的位置。

通过图1可以看到，在机舱122内提供有齿轮箱124。齿轮箱124用来将转子110的旋转数转换成轴125的更多次的旋转，其中所述轴125是用已知方式耦连到机电转换器14C。机电转换器是发电机14C。然而，要说明的是，本文中描述的本发明的应用并不局限于配备齿轮箱的风力涡轮机。所描述的雷电保护也可用于所谓的直接驱动型风力涡轮机。

进一步地，提供有制动器126，以便停止风力涡轮机100的工作或在以下情况下降低转子110的旋转速度，这些情况例如是：a）紧急情况，（b）风力太强的情况，这可能损害风力涡轮机100，和/或c）在有目的地节约风力涡轮机100至少一个结构组件的消耗疲劳寿命和/或疲劳寿命消耗率。

风力涡轮机100进一步包括控制系统153，用于以高效方式操作风力涡轮机100。除了控制例如偏航角调节装置121之外，示出的控制系统153还用来以优化方式调节转子叶片114的叶片浆距角。

根据电气工程的基本原理，发电机140包括定子组合件145和转子组合件150。定子组合件145包括多个线圈，以响应于时间交变磁通量产生电流。转子组合件包括多个设置成几排与转子组合件150的纵向轴线对齐的永磁铁。

图2A和图2B以横截面图的形式示出了根据本发明一个实施例的机舱。图2A示出了平行于转子轴线定向的横截面。图2示出了垂直于转子轴线定向的横截面。图2B所示的横截面是在机舱后端截取的。

机舱包括支撑结构232，尽管支撑结构不一定具有板形形状，但通常也被称作底板232。机舱进一步包括罩盖234。机舱安装在塔架220的顶部。偏航角调节装置221设置于塔架220和在塔架220和机舱之间的承载连接232a之间。

根据这里描述的实施例，罩盖234由增强玻璃纤维材料制成。然而，为了提供电磁屏蔽，罩盖234要么配备优选在玻璃纤维材料内侧的EMC保护涂料（在图2A和图2B中未显示）和/或配备层叠到玻璃纤维材料中的EMC保护网（在图2A和图2B中也未显示）。

附加的外玻璃纤维盖板238位于罩盖234的后端，在图2A是左面，在附加的外玻璃纤维盖板238的上面提供均匀表面238a。在此表面238a上，设置金属支撑部件233，其承载仪器承载平台235。在此平台235顶部，放置至少一个风速计237和一些避雷针236a。

根据这里描述的实施例，在支撑部件233附近提供有热交换装置239，其用于将发电机（在图2A和图2B中未示出）产生的热从机舱内部传递到机舱外部。从图2A可以看出，机舱还配备另一避雷针236b，其直接放置在罩盖234的顶部。

导体装置260用来将避雷针236a、236b连接到支撑结构232。对于每个避雷针236a、236b，优选用至少两个导体装置260（在图2A和图2B中只显示了一个导体装置），以便将雷电流脉冲分成不同的平行传播的电流脉冲。结果，所产生的电磁场会被降低。

每个导体装置包括高压绝缘（HVI）电缆262。HVI电缆262包括核心导体264、隔离材料和屏蔽结构268。核心导体264、隔离材料和屏蔽结构268形成同轴电缆类型的排列。屏蔽结构268可以是金属管和/或金属软管。

每个HVI电缆262的核心导体264在一端连接到相应的（一个或几个）避雷针236b，或者连接到用于仪器承载平台235的金属支撑部件233，其支承（一个或几个）避雷针236a。在HVI电缆262的另一端，每个HVI电缆262的相应核心导体264连接到机舱的支撑结构232，具体连接到支撑结构232的底面。

为了进一步降低在雷电击中机舱情况下所产生的电磁场，屏蔽结构268通过电连接272连接到罩盖234的EMC屏蔽。在底端，屏蔽结构268通过电连接274连接到支撑结构232。

图3示意性示出了机舱的罩盖334的顶部，该罩盖电连接到根据本发明一个实施例的雷电保护系统。罩盖234由玻璃纤维结构制成，在其内部提供金属涂料334a。避雷针336安装在罩盖334的顶部。避雷针336通过导体装置360的核心导体364连接到机舱的支撑结构（未显示）。金属涂料334a通过屏蔽结构368连接到支撑结构。屏蔽结构368和金属涂料334a通过电连接372电连接。

隔离材料366设置在核心导体364和屏蔽结构368之间。

图4以横截面图的形式示出了雷电保护系统的导体装置460。导体装置460包括核心导体464、隔离材料466和屏蔽结构468。核心导体464、隔离材料466和屏蔽结构468形成同轴电缆排列。

总结本发明上述实施例的要旨，可以说成：

在屏蔽结构268、368、468内部使用隔离的导体装置260、360、460是一种使玻璃纤维增强机舱罩盖234、334满足机舱内的雷电保护区II要求的新颖且有效的方式。通过将屏蔽结构连接到玻璃纤维增强机舱罩盖234、334内部的金属涂料334a和/或玻璃纤维增强材料内的金属网，此金属涂料334a和/或此金属网的屏蔽能力会在隔离的核心导体264、363、464周围延伸。因此，可以以任意方式将雷电流脉冲通过机舱引导到支撑结构232，并仍对电子设备和机舱内部人员提供雷电保护区2。

最后但同样要注意的是，用语“包括”并不排除其它元件或步骤，表示英语不定冠词的用语“一”并不排除多个。此外，可以结合那些联系不同实施例描述的元件。还应该注意，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。

附图标记列表：

100 风力涡轮机

110 转子

110a 旋转轴线

112 轮毂

114 叶片

116 叶片调节装置

120 塔架

121 偏航角调节装置

122 机舱

124 齿轮箱

125 轴

126 制动器

132 支持结构/底板

134 罩盖

136 避雷针

140 机电转换器/发电机

145 定子组合件

150 转子组合件

153 控制系统

220 塔架

221 偏航角调节装置

232 支持结构/底板

232a 塔架和机舱之间的承载连接

233 支撑部件

234 罩盖

235 仪器承载平台

236a 避雷针

236b 另一避雷针

237 风速计

238 玻璃纤维盖板

238a 上表面

239 用于发电机热输出的热交换装置

260 导体装置

262 高压绝缘（HVI）电缆

264 核心导体

268 屏蔽结构/管/金属软管

272 电连接

274电连接

334 罩盖

336 避雷针

334a 金属涂料

360 导体装置

364 核心导体

366 隔离材料

368 屏蔽结构/管/金属软管

372 电连接

460 导体装置

464 核心导体

466 隔离材料

468 屏蔽结构/管/金属软管。

Claims

1. 一种用于风力涡轮机（100）的机舱（122）的雷电保护系统，其中所述机舱（122）包括支撑结构（132，232）、罩盖（134，234，334）和避雷针（136，236a，236b，336），所述雷电保护系统包括：

· 导体装置（260，360，460），其包括：

- 核心导体（264，364，464），

- 包围所述核心导体（264，364，464）的隔离材料（366，466），和

- 包围所述隔离材料的屏蔽结构（268，368，468），

· 输入端口，其连接到所述核心导体（264，364，464）的第一端，且其适于连接到所述避雷针（136，236a，236b，336），和

· 输出端口，其连接到所述核心导体（264，364，464）的第二端，且其适于连接到所述支撑结构（132，232）。

2. 根据前一权利要求所述的雷电保护系统，其中

所述导体装置（260，360，460）是同轴电缆。

3. 根据前述权利要求中任一项所述的雷电保护系统，进一步包括：

· 另一导体装置，其包括：

- 另一核心导体，

- 包围所述另一核心导体的另一隔离材料，和

- 包围所述另一隔离材料的另一屏蔽结构，

· 另一输入端，其连接到所述另一核心导体的第一端，且其适于连接到所述避雷针，和

· 另一输出端口，其连接到所述另一核心导体的第二端，且其适于连接到所述支撑结构。

4. 根据前述权利要求中任一项所述的雷电保护系统，其中

所述屏蔽结构（268，368，468）的第一端可连接到形成于所述罩盖的所述金属层（334a）。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的雷电保护系统，其中所述屏蔽结构（268，368，468）的第二端可连接到所述支撑结构（132，232）。

6. 一种用于风力涡轮机（100）的机舱，所述机舱包括：

· 支撑结构（132，232），

· 罩盖（134，234，334），其机械地连接到所述支撑结构（132，232），

· 避雷针（136，236a，236b，336），其附连到所述罩盖（134，234，334），和

· 根据前述权利要求中任一项所述的雷电保护系统，

其中所述雷电保护系统的输入端连接到所述避雷针（136，236a，236b，336），并且

其中所述雷电保护系统的输出杆连接到所述支撑结构（132，232）。

7. 根据前一权利要求所述的机舱，其中

所述罩盖（134，234，334）包括提供有金属层（334a）的非金属材料。

8. 根据前一权利要求所述的机舱，其中

所述金属层包括金属涂料（334a）。

9. 根据前述权利要求7和8中任一项所述的机舱，其中

所述金属层包括层叠网。

10. 一种用于产生电力的风力涡轮机，该风力涡轮机（100）包括：

· 塔架（120），

· 根据前述权利要求6-9中任一项所述的机舱（122），其中所述机舱（122）以可旋转方式安装到所述塔架（120），和

· 转子（110），其包括至少一个叶片（114），且其附连到所述机舱。

11. 一种保护风力涡轮机（100）的机舱（122）不受雷击破坏的方法，其通过使用根据前述权利要求1-5中任一项所述的雷电保护系统来实现，其中所述机舱（122）包括支撑结构（132，232）、罩盖（134，234，334）和避雷针（136，236a，236b，336），所述方法包括：

· 将所述输入端口连接到所述避雷针（136，236a，236b，336），和

· 将所述输出端口连接到所述支撑结构（132，232）。

12. 一种根据前述权利要求1-5中任一项所述的雷电保护系统的用途，所述雷电保护系统用于风力涡轮机（100）的机舱（122）。