CN105388376A - 一种水平轴风力机叶片抗雷击性能测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水平轴风力机叶片的抗雷击性能测试系统及方法，叶片抗雷击性能测试系统包括设置在叶片外部的人工引雷单元、数据采集单元、接地防护单元和安装在叶片内部的被测试的防雷单元，其目的在于通过采用低成本的试验检测手段，获得比较精确的叶片抗雷击能力性能参数，以满足叶片防雷设计研发与检测的需求。该方法特点在于，利用野外自然雷击模式，或人工引雷模式，对叶片开展雷击测试，采用便携式设备，测试雷击时叶片的导雷能力与响应参数。通过修改引雷单元，确定不同引雷装置对叶片防雷能力的影响。与高压实验室内所进行的雷击测试相比，该方法具有设备简单、成本低、便于操作等优点。

Description

一种水平轴风力机叶片抗雷击性能测试系统及方法

技术领域

本发明涉及机械行业风力发电技术领域，尤其涉及一种水平轴风力机叶片的抗雷击性能测试系统及方法。

背景技术

风力发电机组由于应用条件的特殊性，需要安装在野外空旷的区域，而且随着风电大型化发展，大型风力机高度尺寸也越来越大，非常容易受到雷电袭击。世界每年有1％～2％的风机叶片受到雷电袭击，如果风力机组及叶片的防雷能力不足，会导致叶片与机组的破坏，造成很大的经济损伤。目前，很多风电企业越来越重视防雷技术的研究，国际上已有机构开展了风机雷击实验，但这些试验基本都是在实验室内进行的。对兆瓦级叶片的自然雷击实验目前国内尚未开展，而开展在自然环境下的雷击测试，对于把握叶片的真实抗雷击性能具有重要的意义，开展这方面的工作，首先需要建立一套行之有效，且成本较低的测试技术。本发明就是为实现这一目标所提出的。

发明内容

针对上述需求与问题，本专利提出一种在野外自然环境下进行雷击测试的方法，通过在雷电易发生的野外处，构建一叶片固定平台，将所要测试评估的叶片安放在台架上，通过自然引雷，或采用发射火箭进行人工引雷的方法，对叶片进行雷击。利用所搭建的一套雷击信号采集系统接收通过防雷系统的雷电信号，通过计算机观察与分析采集的数据。并通过调整与更换不同的防雷设计结构，实现对防雷设计的优化。

(一)要解决的技术问题

针对目前风力机叶片在野外运行中遭受雷击破坏导致损失严重，而实验室内的雷击测试不仅检测成本高、也难以真实反映自然环境下的雷击影响等问题，本发明提出了一种利用自然雷击或人工引雷，对叶片抗雷击性能进行评估的技术途径。可实现设备简单、成本低廉的叶片雷击测试试验。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种风力机叶片抗雷击性能测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在雷电易发生的野外环境下，构建一叶片固定平台；

2)将所要测试评估的叶片安放在固定平台上，通过叶根螺栓将叶片与固定平台相固定，使得叶片叶尖向上，直立在固定平台上；

3)所构建的雷击测试系统，具体包括人工引雷单元、数据采集单元、接地防护单元和被测试的安装在叶片内部的防雷单元。

人工引雷单元包括引雷火箭，以及与之相连的金属丝。当需要采用人工引雷时，金属丝的另一端应与叶片相连接。

数据采集单元主要包括一个具有大功率小电阻值的电阻块、一个具有电压测量能力的高电压隔离前端、数据接收模块、光纤等。其连接模式为叶片内部的防雷单元的导出电缆，与大功率小电阻相连接，电阻的另一端与接地防护单元相连接。而具有电压测量能力的高电压隔离前端与电阻并联，同时，将该前端通过光纤与数据接收模块相连接。数据接收模块再与计算机相连接。

叶片内部的防雷单元，是由具体测试叶片供应商所提供的，并已安装在叶片内部，并由导电电缆从叶根处连出。

接地防护单元由接地电缆构成，其导电要求，应与所测试叶片的导电要求相一致。

该系统工作原理为：在雷雨频发的季节，采用自然引雷或人工引雷的方式，将雷电导入到叶片的接闪器，雷击产生的电流通过叶片防雷系统的电缆导入到具有大功率小电阻值的电阻中，并通过接地防护系统引入到地下。此时，雷击的电流信号可以转化为电阻上的电压信号，具有电压测量能力的高电压隔离前端可测量出这一电压信号，并完成数字化转换，转换后的数字信号通过光纤传输到数据接收模块，并通过计算机实现对数据的观察与分析。由此可完成对雷击信号的观察和评估。

4)开展试验时，可根据现场情况，选择采用自然采雷，还是采用发射火箭进行人工引雷的方法，对叶片进行雷击。

5)试验期间，数据采集单元保持长期监测状态，当有雷击发生击中叶片时，相应的雷击信号将记录在计算机中。由此可以获得叶片所承受的雷电信号的强弱，通过比较长期的监测，可以获得叶片所承受的多种雷击信号。

6)对每次雷击后，叶片及防雷单元是否遭受破坏，以及若发生破坏，其破坏程度进行观察与记录。测试与记录雷电大电流通过时，防雷单元各个部件的可靠性。例如叶尖及叶中接闪器、电缆接头或固定点在通过大电流时有无损坏及损坏程度，有无电弧放电引起局部强烈高温及高温对叶片的影响等。

7)当需要对不同设计结构的防雷设计做出评估时，可更换防雷单元的各个部件，用以考察其对整体防雷单元的表现。包括对各部件的规格的更改，金属材料的更改，电缆布线的更改，有无接头的更改等。并对每种更改防雷单元后的叶片，重复进行上述操作，记录每次更改后的试验结果，作为后续优化防雷单元的依据。

8)在前述的实验中，可能会出现雷击击中叶片，但没有被接闪器所接受的情况，此时数据采集单元不会有信号被记录。此时，需要人工观察并作出记录，包括雷电是否造成叶片损坏等信息。

优选的，采用该方法进行水平轴风力机叶片的抗雷击性能测试方法，其前提在于，采用自然雷击或人工引雷的方式对叶片提供雷击信号。

优选的，采用该方法进行水平轴风力机叶片的抗雷击性能测试方法，其前提在于，通过采用与叶片内导电电缆相连的大功率小阻值电阻与具备电压测量能力的高电压隔离前端，对雷击信号进行数据采集。

优选的，采用该方法进行水平轴风力机叶片的抗雷击性能测试方法，其前提在于，高电压隔离前端所采集的雷击信号，通过光纤传输到数据接收模块，并通过计算机实现对数据的观察与分析。

另一方面，本发明还提供了一种利用上述叶片抗雷击性能测试方法的测试系统，其特征在于，所述叶片雷击测试系统包括设置在叶片外部的人工引雷单元、数据采集单元、接地防护单元和安装在叶片内部的被测试的防雷单元，其中，

--所述叶片内部的被测试的防雷单元安装在叶片内部，包括安装在叶片表面上的接闪器和与之相连的设置在叶片内部的导出电缆，所述导出电缆的末端从叶根处伸出；

--所述人工引雷单元包括引雷火箭和金属丝，所述金属丝一端与引雷火箭连接，另一端可选择地与叶片上的接闪器连接；

--所述数据采集单元包括一电阻块、一高电压隔离前端和数据接收模块，所述电阻块一端与叶片内部的被测试的防雷单元的导出电缆连接，另一端与接地防护单元相连接，所述高电压隔离前端与所述电阻块并联，所述高电压隔离前端通过光纤与所述数据接收模块相连接，所述数据接收模块与计算机相连接。

--接地防护单元由接地电缆构成，其导电要求与所测试叶片的导电要求相一致。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比，具有如下明显的实质特点和显著优点：

(1)与在实验室内的雷击测试技术方案相比，本发明所提供的测试系统及方法，需要的试验设施简单，成本较低，并可获得比较精确的叶片抗雷击能力性能参数，以满足叶片防雷设计研发与检测的需求。而且由于可以选择叶片实际工作的环境进行试验，能比较真实反应该环境下雷击的特点。(2)，本发明所提供的叶片抗雷击性能测试系统及方法，既可利用野外自然雷击模式，也可利用人工引雷模式，对叶片开展雷击测试，采用便携式设备，测试雷击时叶片的导雷能力与响应参数。通过修改引雷装置，确定不同引雷装置对叶片防雷能力的影响。

附图说明

图1为实施本发明的抗雷击性能测试方法的叶片固定平台示意图。

图2为本发明的叶片抗雷击性能测试系统的结构示意图。

图3为本发明的叶片抗雷击性能测试系统中数据采集单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1、2所示，在实施本发明的抗雷击性能测试方法，需要借助如图1所示的叶片固定平台3，叶片固定平台3设置在雷电易发生的野外环境大地4上，使用时，将所要测试评估的叶片1安放在固定平台3上，通过叶根螺栓2将叶片1与固定平台3相固定，使得叶片1叶尖向上，直立在固定平台上3。

如图2所示，本发明的叶片抗雷击性能测试系统，包括设置在叶片外部的人工引雷单元100、数据采集单元200、接地防护单元300和安装在叶片内部的被测试的防雷单元400。叶片内部的被测试的防雷单元400安装在叶片内部，包括安装在叶片表面上的接闪器和与之相连的设置在叶片内部的导出电缆，导出电缆的末端从叶根处伸出(图中未示出)。人工引雷单元100包括引雷火箭和金属丝，金属丝一端与引雷火箭连接，另一端可选择地与叶片上的接闪器连接。接地防护单元300由接地电缆构成，其导电要求与所测试叶片的导电要求相一致。

如图3所示，数据采集单元200包括一电阻块201、一高电压隔离前端202和数据接收模块203，电阻块201具有大功率小电阻值。高电压隔离前端202具有电压测量能力。电阻块201一端与叶片内部的被测试的防雷单元400的导出电缆连接，另一端与接地防护单元300相连接，高电压隔离前端202与电阻块201并联，高电压隔离前端202通过光纤与数据接收模块203相连接，数据接收模块203与计算机500相连接。

在实施本发明的抗雷击性能测试方法，以当前主流的MW级水平轴风力机叶片为例，

在雷雨频发的季节，采用自然引雷或人工引雷的方式，将雷电导入到叶片的接闪器，雷击产生的电流通过叶片防雷单元400的电缆导入到具有大功率小电阻值的电阻块201中，并通过接地防护单元300引入到地下。此时，雷击的电流信号可以转化为电阻块201上的电压信号，具有电压测量能力的高电压隔离前端202可测量出这一电压信号，并完成数字化转换，转换后的数字信号通过光纤传输到数据接收模块203，并通过计算机500实现对数据的观察与分析。由此可完成对雷击信号的观察和评估。

开展试验时，可根据现场情况，选择采用自然采雷，还是采用发射火箭进行人工引雷的方法，对叶片进行雷击。

试验期间，这个数据采集单元200保持长期监测状态，当有雷击发生击中叶片时，相应的雷击信号将记录在计算机500中。由此可以获得叶片所承受的雷电信号的强弱，通过比较长期的监测，可以获得叶片所承受的多种雷击信号。

对每次雷击后，叶片及防雷单元是否遭受破坏，以及若发生破坏，其破坏程度进行观察与记录。测试与记录雷电大电流通过时，防雷单元各个部件的可靠性。例如叶尖及叶中接闪器、电缆接头或固定点在通过大电流时有无损坏及损坏程度，有无电弧放电引起局部强烈高温及高温对叶片的影响，雷电电流通过时产生巨大电磁力的影响。

当需要对不同设计结构的防雷设计做出评估时，更换防雷单元的各个部件考察单元的表现。包括对各部件的规格的更改，金属材料的更改，电缆布线的更改，有无接头的更改。并对每种更改防雷单元后的叶片，重复进行上述操作，记录每次更改后的试验结果，作为后续优化防雷单元的依据。

在前述的实验中，也会出现雷击击中叶片，但雷击没有被接闪器所接受的情况，此时数据采集单元不会有信号被记录。此时，需要人工观察并作出记录，包括雷电是否造成叶片损坏等信息。

通过以上步骤的实施，完成了对该叶片防雷系统抗雷击性能的评估以及防雷系统抗优化设计的评估工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种水平轴风力机叶片的抗雷击性能测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)在雷电易发生的野外环境下，构建一叶片固定平台；

2)将所要测试评估的叶片安放在固定平台上，通过叶根螺栓将叶片与固定平台相固定，使得叶片叶尖向上，直立在固定平台上；

3)利用叶片抗雷击性能测试系统对所要测试评估的叶片进行雷击测试：

所述叶片抗雷击性能测试系统包括设置在叶片外部的人工引雷单元、数据采集单元、接地防护单元和安装在叶片内部的被测试的防雷单元，其中，

--所述叶片内部的被测试的防雷单元安装在叶片内部，包括安装在叶片表面上的接闪器和与之相连的设置在叶片内部的导出电缆，所述导出电缆的末端从叶根处伸出；

--所述人工引雷单元包括引雷火箭和金属丝，所述金属丝一端与引雷火箭连接，另一端可选择地与叶片上的接闪器连接，当需要采用人工引雷时，该金属丝的另一端与叶片上的接闪器相连接，当需要自然引雷时，该金属丝的另一端断开与接闪器的连接；

--所述数据采集单元包括一电阻块、一高电压隔离前端和数据接收模块，所述电阻块一端与叶片内部的被测试的防雷单元的导出电缆连接，另一端与接地防护单元相连接，所述高电压隔离前端与所述电阻块并联，所述高电压隔离前端通过光纤与所述数据接收模块相连接，所述数据接收模块与计算机相连接。优选地，所述电阻块具有大功率小电阻值，所述高电压隔离前端具有电压测量能力；

--接地防护模块由接地电缆构成，其导电要求与所测试叶片的导电要求相一致；

在雷雨频发的季节，采用自然引雷或人工引雷的方式，将雷电导入到叶片的接闪器，雷击产生的电流通过叶片防雷单元的电缆导入到电阻块中，并通过接地防护单元的接地电缆引入到地下，雷击的电流信号转化为电阻块上的电压信号，与电阻块并联的高电压隔离前端将测量出的所述电压信号转换为数字信号，所述数字信号通过光纤传输到数据接收模块，并通过计算机实现对数据的观察与分析，由此完成对雷击信号的观察和评估。

4)开展试验时，可根据现场情况，选择采用自然采雷还是采用发射火箭进行人工引雷，对叶片进行雷击。

5)试验期间，数据采集单元保持长期监测状态，当有雷击发生击中叶片时，相应的雷击信号将记录在计算机中，由此可以获得叶片所承受的雷电信号的强弱，通过比较长期的监测，可以获得叶片所承受的多种雷击信号。

6)对每次雷击后，叶片及防雷单元是否遭受破坏，以及若发生破坏，其破坏程度进行观察与记录。测试与记录雷电大电流通过时，防雷单元各个部件的可靠性。例如叶尖及叶中接闪器、电缆接头或固定点在通过大电流时有无损坏及损坏程度，有无电弧放电引起局部强烈高温及高温对叶片的影响等。

7)当需要对不同设计结构的防雷单元做出评估时，可更换防雷单元的各个部件，用以考察其对整体防雷单元的影响。包括对各部件的规格的更改，金属材料的更改，电缆布线的更改，有无接头的更改等。并对每种更改防雷单元后的叶片，重复进行上述操作，记录每次更改后的试验结果，作为后续优化防雷单元的依据。

8)在实验过程中，对于雷击击中叶片但没有被接闪器所接受的情况，数据采集系统不会有信号被记录，此时，需要人工观察并作出记录，包括雷电是否造成叶片损坏等信息。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，采用自然雷击或人工引雷的方式对叶片提供雷击信号。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，通过采用与叶片内导电电缆相连的电阻块与高电压隔离前端对雷击信号进行数据采集。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，高电压隔离前端所采集的雷击信号，通过光纤传输到数据接收模块，并通过计算机实现对数据的观察与分析。

5.一种叶片抗雷击性能测试系统，利用权利要求1-4任一项所述的测试方法，其特征在于，所述叶片抗雷击性能测试系统包括设置在叶片外部的人工引雷单元、数据采集单元、接地防护单元和安装在叶片内部的被测试的防雷单元，其中，

--所述叶片内部的被测试的防雷单元安装在叶片内部，包括安装在叶片表面上的接闪器和与之相连的设置在叶片内部的导出电缆，所述导出电缆的末端从叶根处伸出；

--所述人工引雷单元包括引雷火箭和金属丝，所述金属丝一端与引雷火箭连接，另一端可选择地与叶片上的接闪器连接；

--所述数据采集单元包括一电阻块、一高电压隔离前端和数据接收模块，所述电阻块一端与叶片内部的被测试的防雷单元的导出电缆连接，另一端与接地防护单元相连接，所述高电压隔离前端与所述电阻块并联，所述高电压隔离前端通过光纤与所述数据接收模块相连接，所述数据接收模块与计算机相连接。

--接地防护单元由接地电缆构成，其导电要求与所测试叶片的导电要求相一致。

6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述电阻块具有大功率小电阻值。

7.根据权利要求5、6所述的测试系统，其特征在于，所述高电压隔离前端具有电压测量能力。