CN104405594A - 一种具有雷电保护功能的直驱风机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有雷电保护系统的直驱风机，包括风轮、发电机、主机架和塔筒，所述的风轮由叶片与轮毂通过变桨轴承连接组成，在所述轮毂周围安装由多根杆状导体构成的导电网架。轮毂后侧有电气接地结构，并相对于轮毂旋转轴线静止。导电网架中导体末端与叶片根部导电环之间存在火花隙，导电网架与电气接地结构之间存在火花隙。本发明通过在相对转动导体间建立火花隙，形成具有相对最低阻抗的雷电电流通路，有效避开了各处轴承，对其充分保护。本发明的导电网架可以直接接纳击到轮毂的雷电电流并通过上述通路导入大地，有效的保护了轮毂内的各部件。

Description

一种具有雷电保护功能的直驱风机

技术领域

本发明涉及大型直驱风力发电机，尤其涉及一种具有雷电保护功能的直驱风机。

背景技术

随着风力发电机进入兆瓦级时代，风机的安装高度也越来越大。雷电瞬间巨大的能量足以破坏风机一些主要部件，雷击已经成为风机安全运行的一大威胁。因此，在风机设计时，防雷设计是很重要的一方面。目前，现有成熟的防雷方法通常是：利用叶片的接闪器，将雷电电流通过单独导线导向变桨轴承和轮毂等金属部件，然后依靠轮毂、主轴、机架、塔筒和各处轴承的装配接触关系形成导电通路，直至导入大地。如此，电流会流经偏航变桨轴承和主轴承等重要部件，难免会造成不同程度的灼烧点蚀等损伤。另外，针对雷电电流会对发电机转子等部件造成破坏，现在已经有了将击到叶片的雷电导离发电机而直接导入塔筒的方法，但对于击到轮毂上的雷电，由于轮毂与转子电气连接，仍然会对发电机造成威胁。

发明内容

为解决现有技术的上述问题，本发明要设计一种旨在使击到叶片和轮毂的雷电电流避开主要轴承、轮毂和发电机内部如转子等重要部件的具有雷电保护功能的直驱风机。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有雷电保护系统的直驱风机，包括风轮、发电机、主机架和塔筒，所述的风轮由叶片与轮毂通过变桨轴承连接组成，所述的发电机的转子与轮毂连接，并通过主轴承与主轴相连，所述的主轴安装在主机架上，再通过偏航轴承与塔筒相连。在所述轮毂周围安装由多根杆状导体构成的导电网架。轮毂后侧有电气接地结构，并相对于轮毂旋转轴线静止。导电网架中某些导体与叶片根部导电环之间存在火花隙，导电网架与电气接地结构之间也存在火花隙。

所述的叶片的主体由不导电的非金属材料制成，通过变桨轴承连接到轮毂上；在靠近叶片叶尖的位置，设置至少一处导电体作为接雷单元，接纳击到叶片的雷电电流；在叶片靠近轮毂处设置导电环；接雷单元通过叶片下引线与导电环电气连接。

所述的导电网架是由一系列杆状导体相互交叉并电气连接而形成包络轮毂的网架状结构。导电网架与轮毂间隔一定距离，防止与轮毂之间产生电弧。导电网架的某些导体与导电环通过火花隙电气连接，轮毂后侧的导电网架的某些导体通过火花隙与接地结构电气连接。

所述的主机架和塔筒通过主机架下引线与塔筒间的火花隙建立电气连接。

本发明所述的轮毂后侧的接地结构为电气接地结构，所述的电气接地结构是发电机的外壳体。

本发明所述的接雷单元是专门的接闪器、金属镶片或者金属材质的一段叶片。

本发明所述的杆状导体包括金属线、金属杆或金属条。

本发明的工作原理如下：通过上述措施，就建立起了叶片导电端→叶片近轮毂端附近的导电环→导电网架→轮毂后侧的接地结构→主机架→塔筒→大地的雷电电流通路。

当叶片遭受雷击时，雷电电流从叶片导电部分进入，经过下引线传到叶根附近的导电环上，经过导电环与导电网架间的火花隙传入导电网架上，接着再通过火花隙传递到接地结构上，接地结构上的雷电电流经过主机架后传递到塔筒上，最后导入大地。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过在相对转动导体间建立火花隙，形成具有相对最低阻抗的雷电电流通路，有效避开了各处轴承，对其充分保护。

2、本发明的导电网架可以直接接纳击到轮毂的雷电电流并通过上述通路导入大地，有效的保护了轮毂内的各部件。

3、本发明的轮毂后侧接地结构，一般指发电机壳体。雷电电流会在导电网架和发电机壳体上产生集肤效应，这样对轮毂和发电机内部部件是一种有效的保护。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1是直驱风机雷电保护系统简图。

图2是图1的局部放大图，用以表示导电网架的火花隙。

图中：10、风轮，11、叶片，12、轮毂，13、整流罩，21、转子，22、定子，23、主轴承，24、主轴，25、壳体，30、主机架，31、偏航轴承，32、主机架下引线，40、塔筒，51、叶片下引线，52、导电环，60、导电网架，61、导体A，62、导体B，63、导体C，64、导体D，65、导体E，66、导体F，71、火花隙A，72、火花隙B，73、火花隙C，74、火花隙D，75、火花隙E。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1所示，叶片11安装在轮毂12上，加上整流罩13，组成风轮10。每个叶片11可绕叶根中心转动。轮毂12连接发电机转子21，转子21通过主轴承23连接到主轴24上。风机运转时，风轮10和转子21可绕主轴轴线转动，而主轴24和发电机定子22以及发电机壳体25与主机架30固定连接，相对静止。主机架30通过偏航轴承31安装在塔筒40上。

叶片11导电端的功能是将叶片11上的雷电电流导向导电网架60。每个叶片11大部分由非导电材料制成，但在叶片11上端，具有至少一处接雷单元。每个接雷单元都通过叶片下引线51与导电网架60电气连接。叶片下引线51应置于叶片11腔体内，以得到保护。

叶片11可相对轮毂12做变桨转动，当变桨范围比较大时，考虑扭缆影响，叶片下引线51就不能与导电网架60直接相接。为此叶根部位设置导电环52，接雷单元通过叶片下引线51与导电环52连接。叶片下引线51可穿过叶片11非导电端的预留孔与导电环相连。导电环52通过一个或多个火花隙与导电网架60电气连接。

导电网架60不仅能接受叶片11导雷单元传过来的雷电电流，还可以直接吸纳击到轮毂12周围的雷电电流，并将其传导至发电机接地结构，避开轮毂12和转子21。导电网架60由一系列在轮毂12周围相互交叉和电气连接的杆状导体组成。这些杆状导体可以是导电的线、杆和条等形式。除了轮毂12与转子21的连接面，导电网架60基本上将轮毂12包围起来，并与轮毂12相隔距离不低于100mm，以防止两者之间产生放电。

考虑到变桨转动，导电网架60中的导体D64环绕导电环52一周，并与之有一定径向间隙作为火花隙A71，如图2中所示。考虑到风轮的旋转，导体E65也呈环状布置在轮毂12后侧，接近于发电机壳体25，并留有整周火花隙B72。导体D64和导体E65做成环状的目的在于当叶片11或风轮旋转时，环状导体会产生整周连续的火花隙，在存有安装误差等因素导致火花隙大小不均的情况下，能够使雷电电流总能找到阻抗最小的一处或几处火花隙作为通路。

在轮毂12前侧，杆状导体A61的末端与导体D64搭接，并与导电环52存有火花隙C73。在轮毂12后侧，导体C63一端亦与导体D64搭接并与导电环52留有火花隙C73，而另一端与环形导体E65搭接，并与发电机壳体25留有火花隙D74。在导电网架60中，应针对每件叶片11设置一条上述的由导体A61、导体C63、导体D64和导体E65连接成的导电路径，以将每件叶片11的雷电电流导入导电网架60中。

同时，仅仅是和叶片11对应的几条上述路径是不足以称为“网架”的。若将上述路径称为网架的“经线”的话，那么轮毂12周围仍然需要布置更多的“经线”。如本例中导体B62，一端与导体A61在A处或其他处连接，另一端可直接连接到环形导体E65上。另外，也应设置数条导体做“纬线”，如图中的导体F66。导体F66与导体A61、导体B62相互交叉和连接，构成网架结构，提供了多条通路，雷电电流通过时，可以选择相对阻抗最小的通路流过。导体的数量应足够多，以形成较密的网架，对轮毂12充分的保护。

导电网架60可以安装或集成在非导电材质的整流罩13内侧，这在设计和安装中不难做到。各处火花隙应尽量小，以降低阻抗。构成火花隙的导体端部应尽量成较尖锐形状，以助于产生放电。

导电网架60通过火花隙与发电机壳体25电气连接。壳体25与主机架30连接，主机架30通过主机架下引线32和火花隙E75，与塔筒40电气连接。由于电流的集肤效应，雷电电流会在导电网架60和壳体25上分布并传导，不会流向轮毂12和发电机内部转子21等部件。这样，无论轮毂12和转子21接地与否，雷电电流都不会对其造成破坏。

综上，本发明设计了一种带雷电保护系统的直驱风机，当叶片11或轮毂12遭受雷击时，雷电电流都会被导电网架60吸纳，通过包含火花隙在内的低阻抗通路传到发电机壳体25，接着经过主机架30，再通过火花隙传到塔筒40。一旦雷电电流传到塔筒40，就会与大地连接并导入大地，从而保护了风机上的主要轴承、轮毂12和发电机转子21等部件免受雷击破坏。

Claims (4)

1.一种具有雷电保护系统的直驱风机，包括风轮(10)、发电机、主机架(30)和塔筒(40)，所述的风轮(10)由叶片(11)与轮毂(12)通过变桨轴承连接组成，所述的发电机的转子(21)与轮毂(12)连接，并通过主轴承(23)与主轴(24)相连，所述的主轴(24)安装在主机架(30)上，再通过偏航轴承(31)与塔筒(40)相连；

其特征在于：在所述轮毂(12)周围安装由多根导体构成的导电网架(60)；轮毂(12)后侧有电气接地结构，并相对于轮毂(12)旋转轴线静止；导电网架(60)中导体末端与叶片(11)根部的导电环(52)之间存在火花隙，导电网架(60)与电气接地结构之间存在火花隙；

所述的叶片(11)的主体由不导电的非金属材料制成，通过变桨轴承连接到轮毂(12)上；在靠近叶片(11)叶尖的位置，设置至少一处导电体作为接雷单元，接纳击到叶片(11)的雷电电流；在叶片(11)靠近轮毂(12)处设置导电环(52)；接雷单元通过叶片下引线(51)与导电环(52)电气连接；

所述的导电网架(60)是由一系列杆状导体相互交叉并电气连接而形成包络轮毂(12)的网架状结构；导电网架(60)与轮毂(12)间隔一定距离，防止与轮毂(12)之间产生电弧；导电网架(60)的某些导体与导电环(52)通过火花隙电气连接，轮毂(12)后侧的导电网架(60)的某些导体通过火花隙与接地结构电气连接；

所述的主机架(30)和塔筒(40)通过主机架下引线(32)与塔筒(40)间的火花隙建立电气连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有雷电保护系统的直驱风机，其特征在于：所述的轮毂(12)后侧的接地结构为电气接地结构，所述的电气接地结构是发电机的外壳体(25)。

3.根据权利要求1所述的一种具有雷电保护系统的直驱风机，其特征在于：所述的接雷单元是专门的接闪器、金属镶片或者金属材质的一段叶片。

4.根据权利要求1所述的一种具有雷电保护系统的直驱风机，其特征在于：所述的杆状导体包括金属线、金属杆或金属条。