CN107476943B - 具有向壳体导电组件中注入雷电电流的优化组件的风力涡轮机叶片防雷电系统 - Google Patents

具有向壳体导电组件中注入雷电电流的优化组件的风力涡轮机叶片防雷电系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于具有在壳体的导电组件中注入雷电电流的优化组件的风力涡轮机叶片的防雷电系统。注入装置包括电流接收器元件(27；47；67)和电流注入元件(28；48；68；69、69')，电流接收器元件(27；47；67)连接到雷电电流的输入电缆，并且布置在壳体的靠近导电组件(22；42；62)的区域上方，电流注入元件(28；48；68；69、69')，布置在导电组件(22；42；62)上方，并且通过至少两个分配电缆(31、32；51、52、53；71、72、73、74)连接至电流接收器元件(27；47；67)。

Description

具有向壳体导电组件中注入雷电电流的优化组件的风力涡轮 机叶片防雷电系统
技术领域
本发明涉及一种用于外壳中具有导电组件的风力涡轮机叶片的防雷电系统，特别涉及在所述导电组件中注入雷电电流。
背景技术
由于风力涡轮机所达到的高度及其在高空地区的位置，特别是在其叶片处受到雷击的风险很高。因此，叶片必须具有防雷电系统，并且必须保护其中包含导电元件(金属部件、传感器、信标系统等)的任何附加系统免受直接雷击和由它们引起的电磁场造成的间接影响。
风力涡轮机叶片的防雷电系统的主要组件是安装在叶片表面上的一系列金属接收器和用于将雷电从接收器驱动到叶片根部的下导体。风力涡轮机的发展与其提供的电力的增长一起导致新一代的风力涡轮机在塔架高度和转子直径方面均具有越来越大的尺寸。叶片延长涉及刚度的增加。在制造叶片时使用更多的碳纤维层压体是实现该刚性的常规方式，不管作为“盖”连接到壳体或形成壳体结构的一部分。然而，碳纤维层压体是导体，因此必须与防雷电系统的下导体并联连接，以防止下导体和层压体之间的内部电弧以及碳层压体上的直接雷击。
WO 2006/051147A1描述了一种防雷电系统，其包括用于使碳纤维层压体和防雷电系统等电位化的装置，包括源自下导体的导出体，将下导体直接连接至布置在叶片的梁的上部和下部的碳纤维层压体(参见图1a)。来自下导体6的辅助电缆5通过螺栓连接连接至与梁凸缘4的碳纤维层直接接触的金属板3，用作向梁凸缘4注入电流的装置。通过使用在金属板3和金属板3附近的碳纤维层之间增加的形成为碳纳米纤维或碳纳米管11的导电树脂，可以改善电连接。由于雷电电流的高频，连接中的本地电流分布导致有效连接面积小于物理面积，因此辅助电缆5附近的区域A中的电流密度比远离它的区域B中的电流密度大得多。
本发明旨在解决这个问题。
发明内容
本发明提供了一种风力涡轮机叶片的防雷电系统，叶片外壳包括嵌入其中的导电组件，其中具有在所述导电组件中注入雷电电流注入装置，其实现了注入区域中的雷电电流的平衡分布。
这种注入装置包括布置在靠近导电组件的壳体某区域上的雷电电流的电流接收器元件和布置在导电组件上的电流注入元件，它们通过至少两个分配电缆连接在它们之间。
这种雷电电流可能来自穿过叶片内部的接地下导体或来自直接连接到叶片雷电接收器的电缆。
在一个实施例中，导电组件是嵌入壳体中的“盖”，并且注入装置包括电流接收器元件和电流注入元件，其通过两个分配电缆连接并被配置为防止电流注入元件中具有高电流密度区域。
在一个实施例中，导电组件是嵌入壳体中的碳纤维层压体，并且注入装置包括电流接收器元件和电流注入元件，其通过三个分配电缆连接并且被配置为防止电流注入元件中具有高电流密度区域。
在一个实施例中，导电组件是嵌入壳体中的金属网，注入装置包括电流接收器元件和电流注入元件，其通过四个分配电缆连接并被配置为防止电流注入元件中具有高电流密度区域。
从下面结合附图的详细描述可以理解本发明的其它特征和优点。
附图说明
图1a和1b分别是风力涡轮机叶片的已知防雷电系统的透视图和示意性平面图，示出了如何将雷电电流注入到风力涡轮机叶片的梁的“盖”中。
图2a是根据本发明的风力涡轮机叶片的防雷电系统的示意性平面图，示出了如何将雷电电流注入到附接至风力涡轮机叶片的壳体的“盖”中。图2b是所述电流注入的电路图，图2c以图形示出了在雷电特征频率(kHz)下的电流分布。
图3a是根据本发明的风力涡轮机叶片的雷电导体系统的示意性平面图，示出了如何将雷电电流注入到嵌入在风力涡轮机叶片的外壳中的碳纤维层压体中。图3b是所述电流注入的电路图，图3c以图形示出了雷电特征频率(kHz)下电流的分布。
图4a和4b是根据本发明的风力涡轮机叶片的防雷电系统的示意性平面图，示出了如何将雷电电流注入到集成在风力涡轮机叶片的壳体中的金属网中。
具体实施方式
本发明涉及风力涡轮机叶片的防雷电系统，其外壳包括导电组件，特别是以下类型的壳体：
-包含由碳纤维层压体制成的“盖”的壳体；
-其结构包括碳纤维层压体的壳体(通常称为结构壳体)；
-其结构包括金属网的壳体，如在具有雷达吸收材料的壳体的情况下。
在上述类型的第一类中，典型的防雷电系统包括由通常位于叶片尖端处的一个或多个雷电接收器接收的雷电电流的下导体电缆21(参见图1b)，其通过叶片20内部，通常最靠近其后缘23，而不是靠近其前缘25，并连接到布置在附接到外壳的“盖”22上的金属板24。黑色方块表示来自下导体21的电缆与金属板24的连接，粗线的灰色圆周表示高电流密度区域。
在图2a、图2b和图2c所示的本发明的实施例中，通过“盖”22中的辅助电缆(以下称为输入电缆)从下导体电缆21而来的雷电电流的注入装置包括分配电缆电流接收器元件27和电流注入元件28(例如由金属板制成)，它们由具有比电流接收器元件更大的电感的两个分配电缆31、32连接。电流注入元件28布置在“盖”22上方，连接到输入电缆的电流接收器元件27位于与其相邻的较近的区域中，优选位于小于5m的距离处。
所描述的配置允许改善注入区域中的电流分布，如所示的灰色圆周的厚度，与图1b的圆周的厚度相比。峰值电流可以减少到一半，因此注入区域中电场的值减小，随之而来的温度减小变得增加了。
通过对电感为L＝0.1μH(和电阻R)的电流接收器元件27和两个电感为L1＝1μH和L2＝1μH的分配电缆31、32进行图2b的电路示意图的模拟，发现可以实现由分配电缆31、32传输的电流I1和I2之间的电流接收器元件27接收的雷电电流强度的几乎均衡的分布，其也在图2c中示出：It曲线35、I1曲线36和I2曲线37。
在图3a、图3b和图3c所示的本发明的实施例中，适用于具有结构壳体和梁15、17的风力涡轮机叶片20，由壳体的碳纤维层压体42上的输入电缆传输的雷电电流的注入装置包括电流接收器元件47和电流注入元件48(例如由金属板制成)，它们由具有比电流接收器元件47更大的电感的三个分配电缆51、52、53(因为碳纤维层压体42通常具有比图2a中的“盖”22更大的宽度)连接。电流注入元件48布置在碳纤维层压体42上方，连接到电缆输入端的电流接收器元件27位于与其接近的区域中。
类似于上述实施例，该配置改善了注入区域中的电流分布。
对电感L＝0.1μH(和电阻R)的电流接收器元件47和电感L1＝1μH、L2＝1μH、L3＝1μH的分配电缆51、52、53进行图3b的电路示意图的模拟，发现可以实现由分配电缆51、52、53传输的电流I1、I2和I3之间的电流接收器元件27接收的雷电电流强度几乎均衡的分布，其也在图3c示出：It曲线55、I1曲线56、I2曲线57和I3曲线58。
在图4a所示的本发明的实施例中，适用于具有包括金属网62(其是雷达吸收结构的一部分)和梁15、17的外壳的风力涡轮机叶片20，由金属网62中的输入电缆传输的雷电电流的注入装置包括电流接收器元件67和电流注入元件68(例如由金属板制成)，它们由具有比电流接收器元件67更大的电感的四个分配电缆71、72、73、74(因为金属网62通常具有图2a中的“盖”22和图3a中的碳纤维层压体更大的宽度)连接。
电流注入元件68布置在金属网62上方，连接到电缆输入端的电流接收器元件67位于与其接近的区域中。
类似于上述实施例，该配置改善了注入区域中的电流分布，如图4a的灰色圆周所示，表示注入元件的最大密度或“影响”的面积。
图4b所示的实施例类似于图4a的实施例。唯一的区别在于，使用两个电流注入元件69、69'代替电流注入元件68。
当输入电缆是直接连接到雷电接收器的电缆时(其在雷电防护系统的情况下可能发生)，上述情况也适用，除了位于连接至下导体的叶片尖端的典型的雷电接收器(如图中数字21所示的那样)，还包括在叶片的某些横截面中的横向雷电接收器。
在本发明的优点之中，可以强调：
-增加了电流传输的有效面积。
-降低了注入区域的局部电压。
-降低了材料中的温度升高(确保结构完整性)。
另一个显着的优点是，本发明的防雷电系统可以安装在通过注入工艺制造的壳体中，因为可以在制造叶片的每个壳体期间将系统注入装置布置在相应的位置，并在组装叶片过程中进行适当的连接。由于特别是在该过程中，梁15、17必须“连接”到壳体特别有利于利用诸如金属板的注入装置，其可以被梁15、17的侧面“压紧”。这对电缆是不可能的(它们将被压断)。
本发明特别适用于海上碳纤维叶片，因为电流量要高得多，因此需要改进目前用于将电流注入“盖”中的系统，以及需要改进其电流注入系统的“隐形”叶片。
尽管已经结合各种实施例描述了本发明，但是从说明书中可以理解，可以进行各种元件的组合、变型或改进，并且在所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (11)

1.风力涡轮机叶片(20)的防雷电系统，所述叶片(20)的壳体包括嵌入其中的至少一个导电组件(22；42；62)，
所述防雷电系统包括：一旦从输入电缆接收到雷电电流，即向所述导电组件(22；42；62)中注入的雷电电流的注入装置，所述输入电缆与所述叶片的一个或多个雷电接收器直接或间接连接，其特征在于，所述雷电电流的注入装置包括：
-电流接收器元件(27；47；67)，连接到所述输入电缆，并且布置在所述壳体的靠近所述导电组件(22；42；62)的区域上方；以及
-电流注入元件(28；48；68；69、69′)，布置在所述导电组件(22；42；62)上方，并且通过至少两个分配电缆(31、32；51、52、53；71、72、73、74)连接至所述电流接收器元件(27；47；67)，所述至少两个分配电缆(31、32；51、52、53；71、72、73、74)具有比电流接收器元件(27；47；67)更大的电感。
2.根据权利要求1所述的防雷电系统，其中，所述输入电缆是来自设置在风力涡轮机叶片(20)内的将雷电电流传送到地面的下导体(21)的电缆。
3.根据权利要求1所述的防雷电系统，其中，所述电流接收器元件(27；47；67)与所述电流注入元件(28；48；68；69、69′)之间的距离小于5m。
4.根据权利要求1或2所述的防雷电系统，其中，所述导电组件是“盖”(22)，并且所述注入装置包括由两个分配电缆(31、32)连接的电流接收器元件(27)和电流注入元件(28)，并且被配置为实现所述分配电缆(31，32)中的电流分布可防止电流注入元件(28)中具有高电流密度区域。
5.根据权利要求4所述的防雷电系统，其中，所述电流接收器元件(27)和所述电流注入元件(28)是金属板。
6.根据权利要求1或2所述的防雷电系统，其中，所述导电组件是碳纤维层压体(42)，并且所述注入装置包括由三个分配电缆(51、52、53)连接的电流接收器元件(47)和电流注入元件(48)，并且被配置为实现所述分配电缆(51、52、53)中的电流分布可防止电流注入元件(48)中具有高电流密度区域。
7.根据权利要求6所述的防雷电系统，其中，所述电流接收器元件(47)和所述电流注入元件(48)是金属板。
8.根据权利要求1或2所述的防雷电系统，其中，所述导电组件是金属网(62)，并且所述注入装置包括由四个分配电缆(71、72、73、74)连接的电流接收器元件(67)和电流注入元件(68)，并且被配置为实现所述分配电缆(71、72、73、74)中的电流分布可防止电流注入元件(68)中具有高电流密度区域。
9.根据权利要求8所述的防雷电系统，其中，所述电流接收器元件(67)和所述电流注入元件(68)是金属板。
10.根据权利要求1或2所述的防雷电系统，其中，所述导电组件是金属网(62)，并且所述注入装置包括由四个分配电缆(71、72、73、74)连接的电流接收器元件(67)和两个电流注入元件(69，69′)，并且被配置为实现所述分配电缆(71、72、73、74)中的电流分布可防止所述两个电流注入元件(69、69′)中具有高电流密度区域。
11.根据权利要求10所述的防雷电系统，其中，所述电流接收器元件(67)和所述电流注入元件(69，69′)是金属板。
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