CN102817770A - 用于检测风力涡轮机转子叶片上的雷击的系统 - Google Patents

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Abstract

一种涉及用于检测风力涡轮机上的雷击的系统和方法包括检测并且测量指示雷击的参数，所述参数可以是由于雷击在导体中感应产生的电流。电流接受器可以位于所述风力涡轮机的部件上并且电联接到接地导体。电流传感器布置在所述接地导体上并且生成初级电流I(p)，所述初级电流与当所述接受器上有雷击时流动通过所述接地导体的雷击电流成比例。信号转换器子系统被配置成将所述初级电流I(p)转换为处理信号。处理子系统被配置成接收并且使用所述处理信号以确定所述风力涡轮机上的实际雷击。

Description

用于检测风力涡轮机转子叶片上的雷击的系统
技术领域
本发明总体上涉及风力涡轮机，并且更特别地涉及检测风力涡轮机叶片上的雷击的系统。
背景技术
大型商用风力涡轮机易受雷击，并且在这方面常见的做法是为涡轮机叶片提供沿着叶片的纵向长度间隔的雷电接受器，从而捕获雷击并且将雷击传导到地面。然而常规雷电保护系统不提供实际雷击或任何这样的雷击的量的指示，其是关于潜在修复、控制损坏和保证索赔的重要考虑。例如，风力涡轮机叶片通常由制造商保证耐受一定设计规范内的雷击，例如高达100kA雷击。尽管有可能确定对叶片造成的损坏是雷击的结果，但是迄今为止还没有合适的并且成本效益高的方式来获得雷击的量以及因此确定损坏是否属于保证范围内。
常规雷电保护系统也通常不被配置成提供实际雷击、雷击的量、雷击的时间和可能对于风力涡轮机的操作者重要的其它实时参数的远程指示，例如以关于风力涡轮机是否应当立即停机作出实时决定以防止进一步的可能损坏。
因此，该行业将受益于一种用于风力涡轮机的改善雷电保护系统，所述系统记录实际雷击的参数并且产生任何这样的雷击的远程、实时指示。
发明内容
本发明的方面和优点将部分地在以下描述中进行阐述，或者可以从该描述变得明显，或者可以通过本发明的实施而获悉。
在特定实施例中，提供了一种用于检测风力涡轮机上的雷击的系统。所述系统包括雷击接受器，所述雷击接受器位于所述风力涡轮机的部件上并且电联接到接地导体。电流传感器布置在所述接地导体上并且生成初级电流I(p)，所述初级电流与由于雷击流动通过所述接地导体的电流成比例。所述电流传感器配置有信号转换器子系统以将所述初级电流I(p)转换为可使用的处理信号。处理子系统被配置成接收并且使用所述处理信号以确定所述风力涡轮机上的实际雷击。例如，在一个实施例中，所述处理信号可以与阈值比较以用于提供所述风力涡轮机上的雷击的指示，以及任何其它控制或监测功能。为了易于量检测可以设定多个阈值。
所述处理子系统可以在某些实施例中被配置成当所述处理信号超过所述阈值时生成警报。所述处理子系统也可以与风力涡轮机控制器接口连接，其中所述警报被传输到所述风力涡轮机控制器。所述风力涡轮机控制器又可以将所述警报传输到远程监测站。
所述处理子系统可以包括处理单元，所述处理单元被配置成根据所述处理信号限定雷击的量。例如，所述处理信号的量可以与由于雷击在所述接地导体中生成的电流成比例。为了易于量检测可以设定多个阈值，其中所述阈值限定量范围。
所述系统不限于接受器和关联电流传感器的任何特定放置或数量。在特定实施例中，一个或多个接受器安装到所述风力涡轮机叶片中的一个或每一个并且电联接到布置在所述叶片内的接地导体。所述叶片接地导体可以配置有单电流传感器，从而检测与所述叶片关联的所述接受器的任何一个上的雷击。在备选实施例中，电流传感器可以例如沿着线与每个接受器关联，所述线将所述接受器连接到所述叶片接地导体的中心线。该实施例可以允许确定受到雷击的准确接受器。使用任一实施例，单独的相应叶片上的雷击由所述处理子系统检测并且记录。
在具体实施例中，所述电流传感器包括缠绕有初级绕组的芯元件，所述芯元件围绕所述接地导体布置。通过所述接地导体的电流在所述初级绕组中感应产生所述初级电流I(p)。使用该实施例，所述信号转换器子系统可以包括一个或多个电流变换器，所述电流变换器与所述电流传感器串联布置以将所述初级电流I(p)逐步减小为信号电流I(s)。所述信号转换器子系统还可以将所述信号电流I(s)转换为信号电压V(s)，其中所述信号电压V(s)与阈值电压比较以用于提供所述风力涡轮机上的雷击的指示，或用于任何其它控制或监测功能。
应当领会本发明也涵盖包含上述系统的方面的任何方式的风力涡轮机。例如，这样的风力涡轮机可以具有安装到转子毂的多个涡轮机叶片，所述涡轮机叶片的每一个具有根部、尖端以及在所述尖端和所述根部之间延伸的压力侧和吸力侧。所述涡轮机叶片可以具有沿着所述压力侧或吸力侧中的任意一个或两者配置的一个或多个雷电接受器，所述接受器联接到布置在所述叶片内的叶片接地导体。所述叶片接地导体电联接到主接地导体。电流传感器可以布置在所述主接地导体上以检测所述叶片的任何一个上的所述接受器的任何一个上的雷击。在备选配置中，每个叶片接地导体可以配置有电流传感器以检测该相应叶片上的雷击。在又一个实施例中，电流传感器可以与每个相应接受器关联，从而检测所述叶片上的单独位置的雷击。所述电流传感器和关联的信号和处理子系统可以如上所述进行配置并且在本文中更详细地进行描述。
本发明也涵盖用于检测风力涡轮机上的雷击的各方法实施例。所述方法包括检测并且测量指示所述风力涡轮机的部件上的实际雷击的参数。在某些实施例中，该参数可以是由于所述风力涡轮机部件上的雷击在导体中感应产生的电流。所述测量参数与阈值比较，其中所述阈值被设定成使得等于或超过所述阈值的所述测量参数的量指示所述风力涡轮机上的实际雷击。
在特定方法实施例中，可以设定多个阈值以限定所述测量参数所属于的范围，由此由所述范围确定雷击的量。可以将所述阈值中的一个设定在受到雷击的所述风力涡轮机叶片的所述部件的保证极限，例如风力涡轮机叶片的保证电流极限。
所述方法也可以包括将实际雷击的指示传输到远程监测站。
参考以下描述和附带的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。包含在该说明书中并且构成该说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了包括对于本领域的普通技术人员来说是本发明的最佳模式的本发明的完整和能够实现的公开，其中：
图1示出了常规风力涡轮机的透视图；
图2示出了具有配置在根据本发明的各个方面的系统中的多个雷击接受器的转子叶片的纵向横截面图；
图3是包含根据本发明的各个方面的系统的风力涡轮机的图示；以及
图4是电流传感器和关联子系统的实施例的简图。
附图标记列表：    30雷电接受器
10风力涡轮机      35系统
12塔架            40叶片接地导体
14机舱            42中心线
16叶片            44支线
18转子毂          46主接地导体
20叶片根部        47电流传感器
22叶片尖端        48电流传感器
24压力侧          49电流传感器
26吸力侧          50芯
28内腔            52绕组
54信号转换器子系统    70缓冲器
56电流变换器          72比较器
58芯                  74继电器
60绕组                76WTG控制器
62跨阻抗放大器        78远程监测站
64处理子系统          80接地电缆
66峰值检测器          82接地杆
68处理器
具体实施方式
现在将详细地参考本发明的实施例，所述实施例的一个或多个例子在附图中示出。每个例子作为本发明的解释而不是作为本发明的限制而被提供。实际上，本领域的技术人员将显而易见可以在本发明中进行修改和变化而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以用于另一个实施例以产生又一个实施例。因此，本发明旨在涵盖属于附带的权利要求及其等效物的范围内的这样的修改和变型。
本发明涉及一种用于检测风力涡轮机上的雷击的方法和系统，其中检测并且测量指示所述风力涡轮机的部件上的实际雷击的参数。所述测量参数可以与阈值比较，其中所述阈值被设定成使得等于或超过所述阈值的所述测量参数的量指示所述风力涡轮机上的实际雷击。本发明不限于任何特定的测量参数。在图中示出和以下描述的实施例中，所述测量参数是由于所述风力涡轮机的部件上的雷击在导体中感应产生的电流。
参考附图，图1示出了水平轴线风力涡轮机10的透视图。应当领会风力涡轮机10可以是竖直轴线风力涡轮机。在所示实施例中，风力涡轮机10包括塔架12、安装在塔架12上的机舱14和联接到机舱14的转子毂18。塔架12可以由管钢或其它合适的材料制造。转子毂18包括转子叶片16，所述转子叶片联接到毂18并且从毂径向向外延伸。如图所示，转子毂18包括三个转子叶片16。然而，在备选实施例中，转子毂18可以包括多于或少于三个的转子叶片16。
转子叶片16可以大体上具有能够使风力涡轮机10根据设计标准起作用的任何合适的长度。例如，转子叶片16可以具有在大约15米(m)至大约91m的范围内的长度。然而，叶片长度的其它非限定性例子可以包括10m或以下、20m、37m或大于91m的长度。转子叶片16旋转转子毂18以能够将来自风的动能转换为可使用的机械能，并且随后转换为电能。具体地，毂18可以可旋转地联接到定位在机舱14中以用于产生电能的发电机(未示出)。
图2是包含用于检测叶片16上的雷击的系统35的各个方面的示例性叶片16的纵向横截面图。叶片16具有根部20和尖端22，压力侧24和吸力侧26在根部20和尖端22之间延伸。内腔28限定在侧24、26之间。一个或多个接受器30沿着压力侧24和吸力侧26中的任意一个或两者配置。例如，在图中所示的实施例中，多个雷电接受器30设在压力侧24和吸力侧26的每一个上。在备选实施例中，雷电接受器30可以仅仅设在侧24、26中的一个上。
应当领会本发明不限于雷电接受器30在风力涡轮机10上的任何特定定位。例如，作为接受器30设在叶片16上的替代或附加，接受器30可以位于塔架12或机舱14上。
雷电接受器30可以在本发明的范围内进行各种配置，并且包括为了将雷击传导到地面而安装在风力涡轮机部件上(例如叶片16的压力或吸力侧24、26上)的任何金属或金属化部件(即，金属网、金属杆或尖端，和类似物)。
例如参考图2，雷电接受器30电联接到可以包括多个部件的叶片接地导体40。例如，在所示实施例中，每个接受器30由支线44连接到叶片接地导体40的中心线42。支线44可以包括延伸通过压力或吸力侧24、26的柱。线42、44具有适合于限定风力涡轮机的总接地系统的导电部件的测量计，以用于经由叶片接地导体40至风力涡轮机的主接地导体46(图3)的连接将接受器30中的任何一个上的雷击传输到地面。
应当理解导电元件42、44也可以包括叶片接地连接器40电路内的叶片结构的任何配置，例如碳翼梁帽、后缘锯齿、前缘保护器、导流罩等。
大体上参考图2和3，系统35包括配置在关联接地导体上的至少一个电流传感器。例如，在图2的实施例中，每个雷击接受器30配置有电流传感器48。换句话说，与每个雷击导体30关联的支线44配置有单独的电流传感器48。中心线42也配置有电流传感器49。如下面更详细地所述，电流传感器48、49具体地被配置成生成初级电流I(p)，所述初级电流与由于相应传感器30上的雷击流动通过关联接地导体42、44的电流成比例。该初级电流I(p)与流动通过接地导体44、42的雷击电流成比例。
参考图2和4，信号转换器子系统54与电流传感器48、49的每一个可操作地关联并且将初级电流I(p)转换为处理信号。在特定实施例中，该处理信号可以是逐步减小的电流信号I(s)，所述逐步减小的电流信号还可以被转换为例如电压信号V(s)。
处理信号然后被传送到处理子系统64，其中处理信号与阈值比较。如果处理信号超过阈值，则指示相应接受器30上的雷击的正指示。
处理子系统64可以被配置成当处理信号超过阈值时生成警报或报警。该警报信号可以传输到风力涡轮机发电机控制器76，其中警报可以被时间戳记并且与处理信号的值(例如量)一起被记录。风力涡轮机发电机控制器76又可以将警报和与处理信号关联的任何其它参数或信息传输到任何方式的远程监测站78，其中信息可以用于任何目的，例如安排风力涡轮机发电机的检查、发出命令以停止风力涡轮机发电机、启动保证索赔调查等。
在图2的实施例中，其中单独的相应电流传感器48与雷击接受器30的每一个关联，电流传感器48与信号转换器54通信，如图中的虚线所示。在该特定实施例中，有可能确定叶片16上的特定雷击位置。该信息可能是特别有价值的，原因在于雷击接受器30的每一个的连续性不需要随后在维护/检查程序中被检验。换句话说，通过初始识别受到雷击的相应接受器30(例如通过用识别器标记I(p)或I(s))，维修技师仅仅需要检验特定接受器30的完整性和操作而不需要检查叶片中的其它接受器30的每一个。这将节省大量的时间和费用。
然而在备选实施例中，配置在叶片接地连接器40的中心线42上的单电流传感器49可能是期望的，原因在于为每个单独的接受器30配置多个电流传感器48的费用被避免。如果接受器30中的任何一个受到雷击，则电流将流动通过中心线42并且初级电流I(p)将由唯一电流传感器49生成，与哪个接受器30受到雷击无关。
应当领会根据本发明的范围和精神叶片接地连接器40可以配置有任何配置和数量的电流传感器48、49。
再次参考图2和4，在特定实施例中，电流传感器48、49包括芯元件50，接地连接器46、44、42穿过所述芯元件。芯元件50缠绕有具有预定匝数(N)的初级绕组52。芯元件50的半径被限定为使得相对于接地导体44建立安全距离以防止流动通过接地导体的雷击电流跳跃到初级绕组52。芯50由这样的材料形成，所述材料减小初级绕组环中的磁场强度，并且因此减小感应产生的初级电流I(p)。信号转换器子系统54还可以包括一个或多个次级电流变换器56，所述次级电流变换器与初级电流传感器48串联布置以便将初级电流I(p)逐步减小为信号电流I(s)，如图4中所示。串联配置电流变换器56用作多个感应线圈，根据以下公式根据电流变换器56的每一个上的绕组的匝数(N)按比例缩减初级电流I(p)∶I(s)＝I(p)/(N1xN2xN3x...)，其中N是每个特定线圈的匝数。
在所示实施例中，信号转换器子系统54还可以包括跨阻抗放大器62，所述跨阻抗放大器接受来自末级变换器56的电流I(s)并且将该电流转换为电压信号V(s)。该放大器62可以包括允许检测超过阈值的雷击以及放电是正还是负的运算放大器的任何配置。跨阻抗放大器62的增益可以由适当的增益电阻器设定以获得期望的操作电压范围。
根据图4，处理子系统64可以包括使用处理信号执行各种期望功能的任何方式的硬件/软件配置。例如，子系统64可以包括峰值检测器66，所述峰值检测器用于记录感测到的最高电压并且保持该电压值供后续处理。处理信号V(s)由缓冲器70缓冲并且送往比较器72和处理单元68。比较器72被设计成当处理信号V(s)超过阈值时将位设定为高。例如，当感测到电压对应于接地检测器中的初始100kA电流(指示雷击)时可以将比较器72设定为发警报。处理器68可以用于任何方式的进一步处理，例如确定并且记录处理信号的实际量。
量确定可以通过比较处理信号和限定量范围的多个阈值而实现。超过指定阈值但不超过下一个后续值的处理信号属于由阈值限定的量范围内。
系统35可以包括任何方式的浪涌保护以保护系统部件免于过电流尖波或限制最大感测电压。例如，变阻器可以用于箝位最大电压，或者保险丝可以用于保护电路免于电流尖波。
如上所述，处理子系统64可以与风力涡轮机控制器76、特别是处理单元68和比较器72通信以用于将关于处理信号的任何信息或参数传输到控制器76。
大体上参考图3，应当领会本发明也涵盖包含本发明的各个方面、特别是上述用于检测风力涡轮机上的雷击的系统35的任何方式的风力涡轮机10。在图3的实施例中，叶片16的每一个包括配置有单独的相应雷击检测器30的多个电流传感器48。用于每个相应叶片16的接地导体40电联接到主接地导体46，所述主接地导体又连接到接地电缆80和接地杆82。叶片接地连接器40和主接地连接器46之间的接地路径可以包括由风力涡轮机械或支撑结构限定的任何导电路径，包括叶片轴承、机械床板、塔架结构等。电流传感器48(或关联子系统)可以与风力涡轮机发电机控制器76以及任何方式的继电器或接点74通信，如图3中所示。
图3也描绘了配置在主接地连接器46上的电流传感器47。应当领会该单电流传感器47可以用于检测位于风力涡轮机10上的任何位置的任何接受器30上的雷击，原因在于雷击电流最终传导通过主接地连接器46。因此，叶片16的任何一个上的接受器30的任何一个上的雷击将在电流传感器47上感应产生初级电流I(p)，如上所述。该特定实施例可能是期望的，原因在于它需要最少的部件和系统配置，但是不具有确定已受到雷击的特定叶片16的能力。
参考图2和4，应当领会信号转换器子系统54和处理子系统64可以可操作地配置成与电流传感器48相对较近，或远离电流传感器48。部件可以配置在单个整体外壳单元或相互连接的独立单元中。起到本发明中所述的功能的相应部件的任何合适配置在本发明的范围和精神内。
该书面描述使用例子来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它例子。这样的其它例子旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (15)

1.一种用于检测风力涡轮机(10)上的雷击的系统(35)，包括：
雷击接受器(30)，所述雷击接受器位于所述风力涡轮机的部件上并且电联接到接地导体(42、44、46)；
布置在所述接地导体上的电流传感器(47、48、49)，所述电流传感器生成初级电流I(p)，所述初级电流与当所述接受器上有雷击时流动通过所述接地导体的雷击电流成比例；
信号转换器子系统(54)，所述信号转换器子系统被配置成将所述初级电流I(p)转换为处理信号；以及
处理子系统(64)，所述处理子系统被配置成接收并且使用所述处理信号以确定所述风力涡轮机上的实际雷击。
2.根据权利要求1所述的系统(35)，其特征在于，所述处理子系统(64)被配置成当所述处理信号超过阈值时指示所述风力涡轮机(10)上的实际雷击。
3.根据权利要求2所述的系统(35)，其特征在于，所述处理子系统(64)与风力涡轮机控制器(76)接口连接以将所述实际雷击的指示传输到所述风力涡轮机控制器，所述风力涡轮机控制器与远程监测站(78)通信，其中指示所述风力涡轮机上的雷击的参数被传送到所述远程监测站。
4.根据权利要求1所述的系统(35)，其特征在于，所述处理子系统(64)还包括处理单元(68)，所述处理单元被配置成进一步处理所述处理信号以根据所述处理信号限定雷击的量。
5.根据权利要求1所述的系统(35)，其特征在于，所述接受器(30)安装到所述风力涡轮机(10)的叶片(16)并且电联接到布置在所述叶片内的接地导体(42、44)，所述叶片接地导体配置有所述电流传感器(48、49)，其中单独的相应所述叶片上的雷击由所述处理子系统检测并且记录。
6.根据权利要求1所述的系统(35)，其特征在于，所述电流传感器(47、48、49)包括围绕所述接地导体(42、44、46)布置的具有初级绕组(52)的芯元件(58)，在所述初级绕组中感应产生所述初级电流I(p)，并且所述信号转换器子系统(54)包括一个或多个电流变换器(56)，所述电流变换器与所述电流传感器串联布置以将所述初级电流I(p)逐步减小为信号电流I(s)。
7.一种风力涡轮机(10)，包括：
安装到转子毂(18)的多个涡轮机叶片(16)，所述涡轮机叶片的每一个包括根部(20)、尖端(22)以及在所述尖端和所述根部之间延伸的压力侧(24)和吸力侧(26)；
所述涡轮机叶片还包括多个雷电接受器(30)，所述多个雷电接受器沿着所述压力侧或所述吸力侧中的任意一个或两者配置并且电联接到布置在所述叶片内的叶片接地导体(42、44)；
所述叶片接地导体电联接到主接地导体(46)；
电流传感器(47、48、49)，所述电流传感器布置在所述主接地导体或所述叶片接地导体之一中的至少一个上，所述电流传感器生成初级电流I(p)，所述初级电流与当所述接受器上有雷击时流动通过所述主接地导体或叶片接地导体的雷击电流成比例；
信号转换器子系统(54)，所述信号转换器子系统被配置成将所述初级电流I(p)转换为处理信号；以及
处理子系统(64)，所述处理子系统被配置成接收并且使用所述处理信号以确定所述风力涡轮机上的实际雷击。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，每个所述叶片接地导体(42、44)配置有相应的所述电流传感器(48、49)使得单独的相应叶片(16)上的雷击由所述处理子系统(64)检测并且记录。
9.根据权利要求7所述的风力涡轮机(10)，其特征在于，还包括与远程监测站(78)接口连接的风力涡轮机控制器(76)，所述处理子系统(64)与所述风力涡轮机控制器接口连接，其中所述风力涡轮机上的实际雷击的指示被传输到所述风力涡轮机控制器和所述远程监测站。
10.根据权利要求7所述的风力涡轮机，其特征在于，所述电流传感器(48、49)包括围绕所述接地导体(42、44)布置的具有初级绕组(60)的芯元件(58)，在所述初级绕组中感应产生所述初级电流I(p)，并且所述信号转换器子系统(54)包括一个或多个电流变换器(56)，所述电流变换器与所述电流传感器串联布置以将所述初级电流I(p)逐步减小为信号电流I(s)。
11.一种用于检测风力涡轮机(10)上的雷击的方法，包括：
检测并且测量指示所述风力涡轮机的部件上的实际雷击的参数；
比较所述测量参数和阈值，其中所述阈值被设定成使得等于或超过所述阈值的所述测量参数的量指示所述风力涡轮机上的实际雷击。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括设定多个阈值以限定所述测量参数所属于的范围，由此由所述范围确定雷击的量。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述阈值中的一个设定为受到雷击的所述风力涡轮机叶片的所述部件的保证极限。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括将实际雷击的指示传输到远程监测站(78)。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述测量参数是由于所述风力涡轮机(10)的部件上的雷击在导体(42、44、46)中感应产生的电流。
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