CN107605669B - 一种发电系统的雷电防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发电系统的雷电防护系统及使用方法，所述雷电防护系统包括雷电防护监测预警系统、发电设备雷电防护装置，所述雷电防护监测预警系统与所述发电设备雷电防护装置数据连接，所述雷电防护监测预警系统收集环境参数，并通过对所述环境参数的处理控制述发电设备雷电防护装置，所述发电设备雷电防护装置设置在发电设备上用于保护所述发电设备；本发明通过所述雷电防护监测预警系统对所述发电设备雷电防护装置进行安全检测，保证所述发电设备雷电防护装置有效接地，使所述发电设备雷电防护装置处于正常工作状态。

Description

一种发电系统的雷电防护系统

技术领域

本发明涉及雷电防护领域，具体涉及一种发电系统的雷电防护系统及使用方法。

背景技术

虽然已经步入了高科技时代，但是仍然在受到能源、环境和安全这三个因素的困扰，随着通信设备的高度集成化、通信网络的系统化、通信设备管理的集成中央化，广泛使用在各类通信系统中的大量精密电子设备，其耐过电压过电流水平的下降，雷电灾害事故常常发生，已经成为我们“网络化时代、电子化时代”的一大公害。智能系统在工作时可能受到过电压的侵袭，过电压可能以电压或电流波形侵入电源系统和信号系统，并通过其电气连接线传播。施加在电子设备上浪涌过电压分为纵向过电压和横向过电压，纵向冲击主要损坏跨接在接地线与地间的元器件或绝缘介质，击穿线路和设备间起阻抗匹配作用的变压器匝间、层间或线对地绝缘等；横向冲击则同信息一样，可在线路中传输，损坏内部电路的电容、电感及耐冲击能力较差的固体元件。

风能是当前技术最成熟、最具开发条件的可再生洁净能源。风能发电为人与自然和谐发展提供了基础。由于风力发电机组时自然环境下工作，不可避免的会受到自然灾害的影响。

风力发电通常位于开阔地带，而且位置较高，所述整个风力发电机是暴露在直击雷的威胁下，被雷击直接击中的概率是与该物体的高度的平方值成正比。兆瓦级风力发电机的叶片高度达到150m以上，因此风机的叶片位置特别容易被雷电击中。风机内部集成了大量的电气、电子设备，发电系统的外部电流传输装置与风机直接相连，雷电电涌会给发电系统各装置带来相当严重的损害。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述问题，本发明采用的技术方案在于，提供一种发电系统的雷电防护系统，所述雷电防护系统包括雷电防护监测预警系统、发电设备雷电防护装置，所述雷电防护监测预警系统与所述发电设备雷电防护装置数据连接，所述雷电防护监测预警系统收集环境参数，并通过对所述环境参数的处理控制述发电设备雷电防护装置，所述发电设备雷电防护装置设置在发电设备上用于保护所述发电设备。

较佳的，所述发电设备雷电防护装置包括包括接闪器、控制装置、连接装置、接地装置，所述接闪器设置在风力发电设备的叶片内，所述控制装置设置在风力发电设备的轮毂内，所述连接装置与所述接闪器连接，所述控制装置与所述接地装置连接，所述雷电防护监测预警系统与所述控制装置数据连接。

较佳的，所述雷电防护监测预警系统包括收集模块、数据处理模块、系统控制模块、雷电防护装置，所述数据收集模块包括数据检测组件和数据集成单元，所述数据集成单元收集整理所述数据检测组件检测的数据，并将所述数据上传至所述数据处理模块；所述数据处理模块通过对所述数据的处理构建出处理方案；所述系统控制模块根据所述处理方案对所述发电设备雷电防护装置进行控制。

较佳的，所述连接装置包括导电环、连杆组件、连接线,所述导电环设置在所述轮毂内并与所述轮毂接触连接，所述导电环和所述轮毂同轴设置，所述连杆组件两端分别与所述接闪器和所述连接线连接，所述连接线与所述导电环连接，所述连杆组件包括连接轴、转轴、连接杆，所述接闪器通过所述连接轴与所述连接杆活动连接，所述连接杆与所述连接线连接，所述转轴固定在所述叶片内并与所述连接杆活动连接。

较佳的，所述控制装置包括控制环、控制器，所述控制环和所述控制器固定连接，所述控制器控制所述控制环在轴向上的位置状态实现所述控制环和所述导电环的接触和分离；所述控制环设置连接部，所述控制环和所述导电环通过所述连接部连接，所述连接部包括外圈、内圈、滚子，所述滚子设置在所述内圈和所述外圈之间，所述内圈固定在所述控制环上，所述外圈与所述控制环活动连接。

较佳的，所述连接部与所述导电环的对应接触面设置为斜面，所述斜面倾斜角度θ公式为，

其中，D₁为所述内圈外表面最大直径，D₂为所述内圈外表面最小直径， D₃为所述外圈外表面最大直径，D₄为所述外圈外表面最小直径，a为所述外圈厚度，D为所述导电环外径，μ为所述外圈和所述导电环的摩擦系数，μ₁为所述内圈和所述滚子的摩擦系数，μ₂为所述外圈和所述滚子的摩擦系数，F为所述控制器施加的轴向压力，a₁为所述转轴到所述连接杆与所述连接线的连接端的距离，a₂为所述转轴到所述连接轴的距离，m为所述接闪器的重量，g为重力比例系数，e为常数。

较佳的，所述数据检测组件包括传感器和设备检测装置，所述传感器用于采集环境参数，所述设备检测装置用于检测所述发电设备雷电防护装置的工作状况。

较佳的，一种使用所述雷电防护系统的使用方法，包括步骤：

S1，所述雷电防护监测预警系统收集天气数据并周期性对所述发电设备雷电防护装置进行检测；

S2，通过所述雷电防护监测预警系统对所述发电设备雷电防护装置的检测结果及所述天气数据的分析；

S3，所述雷电防护监测预警系统控制所述发电设备雷电防护装置进行雷电防护工作。

较佳的，步骤S2具体是，通过所述数据处理模块对所述天气数据处理判断天气情况，当天气情况判断为晴朗天气时，所述发电设备雷电防护装置进入非工作状态，当天气情况判断为雷雨天气时，所述发电设备雷电防护装置进入工作状态；当所述数据处理模块分析所述设备检测装置的检测数据出现异常，立即发出预警，并通过对标准电流数值变化曲线与实际检测的电流数值变化曲线进行比对，判断出现问题的具体位置并进行后续处理。

较佳的，步骤S3具体是，当所述发电设备雷电防护装置进入工作状态时，通过所述系统控制模块对所述发电设备雷电防护装置中所述控制器的控制，使所述控制环和所述导电环通过所述连接部连接，从而实现所述接闪器从所述叶片内伸出。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1,通过所述雷电防护监测预警系统对所述发电设备雷电防护装置、所述电流传输设备雷电防护装置进行安全检测，保证所述发电设备雷电防护装置、所述电流传输设备雷电防护装置有效接地，使所述发电设备雷电防护装置、所述电流传输设备雷电防护装置处于正常工作状态；2，通过所述发电设备雷电防护装置的所述控制组件，使所述发电设备雷电防护装置内形成有效的防雷导电线路，保证所述发电设备雷电防护装置的防雷效果；3，通过所述电流传输设备雷电防护装置的所述调控组件，调节所述电流传输设备雷电防护装置的雷电保护范围。

附图说明

图1为本发明所述雷电防护系统的功能示意图；

图2为本发明所述雷电防护系统的所述发电设备雷电防护装置结构示意图(侧视)；

图3为本发明所述雷电防护系统的所述发电设备雷电防护装置结构示意图(正视)；

图4为本发明所述雷电防护系统的所述发电设备雷电防护装置局部结构示意图；

图5为本发明所述雷电防护系统的所述电流传输设备雷电防护装置结构示意图；

图6为本发明所述雷电防护系统的所述电流传输设备雷电防护装置局部结构示意图。

图中数字表示：

1-雷电防护监测预警系统；2-发电设备雷电防护装置；3-电流传输设备雷电防护装置；21-接闪器；22-控制装置；23-连接装置；24-接地装置；31-避雷组件；32-调节组件；221-控制环；222-控制器；231-连杆组件；232-连接线；233-定位轮；234-导电环；311-避雷器；312-引下线；313-接地单元；321-压线器；322-避雷调节器；3221-罩板；3222-支撑底座；3223-固定套管；3224- 电机；3225-连接机构。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

请参阅图1所示，其为本发明雷电防护系统的功能示意图。

如图1所示，所述雷电防护系统包括雷电防护监测预警系统1、发电设备雷电防护装置2、电流传输设备雷电防护装置3。所述雷电防护监测预警系统 1与所述发电设备雷电防护装置2、所述电流传输设备雷电防护装置3数据连接，所述雷电防护监测预警系统1收集环境参数，并通过对所述环境参数的处理控制述发电设备雷电防护装置2和所述电流传输设备雷电防护装置3。

实施例二

如图2和图3所示，图2和图3为所述雷电防护系统的所述发电设备雷电防护装置的结构示意图，所述发电设备雷电防护装置2包括接闪器21、控制装置22、连接装置23、接地装置24，所述接闪器21设置在风力发电设备的叶片内，所述控制装置22设置在所述风力发电设备的轮毂内，所述连接装置23与所述接闪器21连接，所述控制装置22与所述接地装24置连接。

所述接闪器21优选设置为避雷针，所述连接装置23包括连杆组件231、连接线232、定位轮233、导电环234，所述连杆组件231用于连接所述接闪器231和所述连接线232，所述连杆组件231包括连接轴、转轴、连接杆，所述接闪器21底部通过所述连接轴与所述连接杆活动连接，所述连接杆与所述连接线232连接，所述转轴设置在所述连接杆中间位置，所述转轴固定在所述叶片内，所述连接杆可绕所述转轴转动，通过控制所述连接杆的转动实现所述接闪器21从所述叶片内探出或缩入的操作。优选的所述转轴到所述连接杆与所述连接线232连接位置的距离小于所述转轴到所述连接轴位置的距离，保证所述连接杆转动时，所述接闪器21可以进行较大的位移，增强所述连接杆对所述接闪器21位置的控制。所述转轴设置弹性元件，所述弹性元件优选设置为弹簧，所述弹性元件一端固定在所述连接杆上，另一端固定在所述叶片内，通过所述弹性元件的回弹作用，保证所述连接杆在未受到外力作用下保持一定的位置状态，实现所述接闪器21在所述叶片内的位置固定，避免在所述叶片转动过程中，所述接闪器21由于离心力的作用从所述叶片内伸出。

所述定位轮233设置在所述叶片的叶根位置处，所述定位轮233用于稳定所述连接线232的运动位置，避免在所述连接杆控制所述接闪器21的过程中，所述连接线232发生来回摆动，并增强所述导电环234对所述连接杆的控制作用，保证所述连接线232的张紧状态。

所述风力发电设备的叶片和轮毂的连接位置设置槽口，所述连接线穿过所述槽口与所述导电环234固定连接，所述导电环234设置在所述轮毂内，并与所述轮毂接触，所述导电环234和所述轮毂同轴设置。在所述连接线的拉力作用，以及所述导电环234和所述轮毂之间的摩擦力作用下，当所述叶片和所述轮毂发生转动时，所述导电环234也随之发生转动。

如图4所示，图4为所述雷电防护系统的所述发电设备雷电防护装置的局部结构示意图.所述控制装置22包括控制环221、控制器222，所述控制环 221与所述导电环234同轴设置，所述控制器222控制所述控制环221在轴向上的位置状态，实现所述控制环221和所述导电环234的接触和分离，所述控制环221与所述导电环234的对应接触面优选设置为斜面，便于所述控制环221与所述导电环234的连接接触；优选的在所述控制环221的接触面上设置连接部，通过所述控制器222控制，使所述控制环221和所述导电环234 通过所述连接部连接。所述连接部包括外圈、内圈、滚子，所述滚子设置在所述内圈和所述外圈之间，所述内圈固定在所述控制环221上，所述外圈与所述控制环221活动连接，所述外圈和所述内圈优选设置为空心圆锥台型，所述外圈外表面形状与所述导电环234内表面形状相配。通过所述控制器222 控制，使所述控制环221和所述导电环234通过所述连接部连接，使所述连接部和所述导电环234产生摩擦力，通过所述控制器22对所述控制环221作用力的控制改变所述连接部和所述导电环234之间的摩擦力大小，实现所述导电环234和所述轮毂之间的相对转动，由于所述导电环234和所述轮毂之间的相对转动，导致所述连接线232运动状态发生变化，实现所述转动轴的转动，从而实现所述接闪器从所述叶片内伸出。随所述转动杆转动角度的增大，所述弹性原件的回弹力逐渐增加，当所述回弹力到达某一数值时，致使所述导电环234发生转动，所述导电环234和所述轮毂再次处于相对静止状态，所述导电环234和所述控制环221通过所述连接部发生相对转动。由于各连接位置都具有相互作用力，致使所述连接位置连接紧密，所述接闪器21、所述连接杆、所述连接线232、所述导电环234、所述控制环221、所述接地装置 24形成完整的导电线路，实现所述接闪器21与地面的有效连接。

所述控制环221与所述导电环234的对应接触面设置为斜面，所述导电环234内表面为接触面；所述导电环234内表面与水平面形成的锐角，即所述导电环234内表面倾斜角度θ公式为，

其中，D₁为所述内圈外表面最大直径，D₂为所述内圈外表面最小直径， D₃为所述外圈外表面最大直径，D₄为所述外圈外表面最小直径，a为所述外圈厚度，D为所述导电环外径，μ为所述外圈和所述导电环的摩擦系数，μ₁为所述内圈和所述滚子的摩擦系数，μ₂为所述外圈和所述滚子的摩擦系数，F为所述控制器施加的轴向压力，a₁为所述转轴到所述连接杆与所述连接线的连接位置的距离，a₂为所述转轴到所述连接轴的距离，m为所述接闪器的重量，g 为重力比例系数，e为常数。

由于所述导电环234与所述连接部配合设置，所述导电环234内表面倾斜角度与所述连接部外表面倾斜角度相同，所述导电环234内表面倾斜角度的设置影响所述导电环234和所述连接部之间摩擦力的大小，所述导电环234 和所述连接部之间摩擦力需保证所述导电环234和所述连接部在所述控制器施加一定压力后的连接状态下，所述导电环234和所述连接部之间的摩擦力小于所述连接部内部组件之间的摩擦力，并且所述导电环234和所述连接部之间的摩擦力可带动所述连接杆发生转动致使所述接闪器从叶片内伸出；故当所述控制器施加的轴向压力越大时，所述导电环234和所述连接部之间摩擦力随之增大，需将所述导电环234内表面设置的倾斜角度减小，调节所述导电环234和所述连接部之间的摩擦力满足所述发电设备雷电防护装置的工作状态。

现有的风力发电设备的雷电防护装置都是通过设置在叶片尖端部位的引雷装置接引雷电流，所述雷电流通过连接线传递至叶片根部的金属法兰盘再经过与法兰连接的变桨轴承传递到轮毂完成避雷保护，使得作为发电设备的关键部件所述变桨轴承容易发生电腐蚀，造成所述变桨轴承的损坏。本发明中的所述发电设备雷电防护装置，作为单独的雷电防护装置，并不与原有的风力发电设备发生直接导电连接，避免风力发电设备内部件受到雷电流的不良影响，同时也实现了对风力发电设备的雷电防护。

实施例三

图5为所述雷电防护系统的所述电流传输设备雷电防护装置的结构示意图，所述电流传输设备雷电防护装置3包括避雷组件31、调节组件32，所述避雷组件31用于对电流传输设备进行雷电防护，所述调节组件32于调节所述避雷组件31的保护范围。

所述避雷组件31包括避雷器311、引下线312、接地单元313，所述避雷器311设置在所述电流传输设备的顶部，所述引下线312连接所述避雷器311 和所述接地单元313，保证所述避雷器311接地正常工作。

所述调节组件32包括压线器321和避雷调节器322，所述避雷调节器322 与所述避雷器311连接，所述压线器321与所述引下线312连接，所述避雷调节器322包括传动单元、固定单元，所述固定单元设置为固定支架，所述避雷器311设置在固定支架内，所述固定支架保证所述避雷器311竖直设置；所述固定支架包括罩板3221、支撑底座3222、固定套管3223，所述罩板3221 和所述支撑底座3222连接形成内部空间，所述固定套管3223设置在所述内部空间内，所述避雷器311设置在所述固定套管3223内，所述避雷器311可在所述固定套管3223上下移动，所述罩板3221设置伸出孔，保证所述避雷器311自由在所述内部空间内外活动。所述引下线312穿过所述支撑底座3222 在所述固定套管3223内与所述避雷器311底部固定连接。

所述传动单元包括电机3224和连接机构3225，所述电机3224和所述避雷器311通过所述连接机构3225活动连接，所述连接机构3225包括设置在所述避雷器上的第一传动部和设置在所述电机输出轴上的第二传动部，所述固定套管3223设置槽口，所述第一传动部和所述第二传动部在所述槽口位置固定连接，所述第二传动部包括活动块和旋转块，所述活动块设置内螺纹，所述旋转块设置外螺纹，所述活动块和所述旋转块螺纹连接，所述旋转块与所述电机3224输出轴固定连接，所述活动块与所述第一传动部固定连接，通过所述电机3224带动所述旋转块转动，由于所述槽口限制了所述活动块的转动，所述活动快沿所述旋转块上移移动，致使所述第一传动部上下移动，实现所述避雷器在所述固定套管3223内的上下移动。所述固定套管3223内设置减震组件，所述减震组件与所述避雷器底部连接，通过所述减震组件的张力以及所述第一传动部和所述第二传动部的连接效果，保证所述避雷器在所述固定套管3223的位置稳定，且所述减震组件对所述避雷器311具有一定的减震效果，保证所述避雷器311在被雷击过程中不会雷击作用力发生偏移，导致所述避雷器311失去避雷效果。所述活动块和所述旋转块通过螺纹进行传动连接，传动是通过所述活动块和所述旋转块之间的相互摩擦进行的，由于有摩擦力的作用，所述连接机构3225具有一定的自锁能力，在所述避雷器311受到雷击过程中，所述电机3224可能会因雷电作用发生失效，由于自锁能力，所述连接机构3225保证所述电机3224失效时所述避雷器311的位置，避免所述避雷器311位置移动对所述电流传输设备雷电防护装置避雷效果的影响。

所述压线器设置在所述避雷器311和所述接地单元313之间，所述压线器包括弹性原件、固定座、压线滑轮、活动杆，所述引下线包括固定段和调节段，所述固定段竖直设置，下端与所述接地单元313连接，所述调节段一端与所述固定段连接，另一端与所述避雷器311连接，所述压线滑轮与所述调节段连接保证所述调节段的张紧状态，所述固定座固定在电流传输设备上，所述活动杆两端分别与所述固定座、所述压线滑轮活动连接，所述活动杆可绕所述固定座竖直方向转动，所述压线滑轮可在与所述活动杆连接位置处转动，所述弹性原件设置在所述固定座上，所述弹性原件保证所述活动杆处于下压状态。

为保证所述压线器321对所述引下线的张紧效果，在所述固定座设置限制槽实现对所述压线器321中所述活动杆可转动角度的设置，即所述压线器的可调角度。所述压线器的可调角度β公式为

其中，L为所述固定套管到所述固定座的水平距离，H为所述固定套管到所述固定座的竖直距离，h为所述固定段和所述调节段连接位置到所述固定座的竖直距离，l_Δ为所述活动杆的长度，d为所述压线滑轮的直径，b为所述避雷器的高度调节量，为所述避雷器处于收缩状态时所述活动杆与竖直方向的锐角夹角。

对于所述压线器的可调角度β，所述避雷器的高度调节量越大时，所述引下线进入所述固定套管3223内的部分就越长，致使所述压线器的可调角度β就越大；为保证所述压线器的张紧效果，所述固定段和所述调节段连接位置到所述固定座的竖直距离尺寸设置小于所述活动杆的长度尺寸，保证所述压线器具有较大的可调角度，且所述固定段和所述调节段连接位置到所述固定座的竖直距离尺寸越小，所述压线器的可调角度就越大；当所述避雷器处于收缩状态时所述活动杆与竖直线的夹角越大时，相对的所述压线器可转动的角度就越小，所述压线器的可调角度就越小。

当所述避雷器处于收缩状态时，所述避雷器底端处于所述固定套管3223 底部，所述避雷器在向上移动的过程中，所述引下线会随之发生移动，导致所述引下线的位置状态发生改变，极易使所述引下线缠绕形成线圈，所述线圈在受雷击有电流通过时会产生大量的热量造成火灾或其他安全隐患，为避免所述安全隐患的发生通过所述压线器对所述引下线进行限制引导，使所述引下线处于张紧状态，在实现所述避雷器可调节的同时，避免所述引下线发生缠绕，更加优化的所述电流传输设备雷电防护装置避雷效果。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种发电系统的雷电防护系统，其特征在于，包括雷电防护监测预警系统、发电设备雷电防护装置，所述雷电防护监测预警系统与所述发电设备雷电防护装置数据连接，所述雷电防护监测预警系统收集环境参数，并通过对所述环境参数的处理控制述发电设备雷电防护装置，所述发电设备雷电防护装置设置在风力发电设备上用于保护所述风力发电设备；所述发电设备雷电防护装置包括包括接闪器、控制装置、连接装置、接地装置，所述接闪器设置在所述风力发电设备的叶片内，所述控制装置设置在风力发电设备的轮毂内，所述连接装置与所述接闪器连接，所述控制装置与所述接地装置连接，所述雷电防护监测预警系统与所述控制装置数据连接；

所述连接装置包括导电环、连杆组件、连接线,所述导电环设置在所述轮毂内并与所述轮毂接触连接，所述导电环和所述轮毂同轴设置，所述连杆组件两端分别与所述接闪器和所述连接线连接，所述连接线与所述导电环连接，所述连杆组件包括连接轴、转轴、连接杆，所述接闪器通过所述连接轴与所述连接杆活动连接，所述连接杆与所述连接线连接，所述转轴固定在所述叶片内并与所述连接杆活动连接。

2.根据权利要求1所述的雷电防护系统，其特征在于，所述控制装置包括控制环、控制器，所述控制环和所述控制器固定连接，所述控制器控制所述控制环在轴向上的位置状态实现所述控制环和所述导电环的接触和分离，所述控制环设置连接部，所述控制环和所述导电环通过所述连接部连接，所述连接部包括外圈、内圈、滚子，所述滚子设置在所述内圈和所述外圈之间，所述内圈固定在所述控制环上，所述外圈与所述控制环活动连接。

3.根据权利要求2所述的雷电防护系统，其特征在于，所述连接部与所述导电环的对应接触面设置为斜面，所述斜面倾斜角度θ公式为，

其中，D₁为所述内圈外表面最大直径，D₂为所述内圈外表面最小直径，D₃为所述外圈外表面最大直径，D₄为所述外圈外表面最小直径，a为所述外圈厚度，D为所述导电环外径，μ为所述外圈和所述导电环的摩擦系数，μ₁为所述内圈和所述滚子的摩擦系数，μ₂为所述外圈和所述滚子的摩擦系数，F为所述控制器施加的轴向压力，a₁为所述转轴到所述连接杆与所述连接线的连接端的距离，a₂为所述转轴到所述连接轴的距离，m为所述接闪器的重量，g为重力比例系数，e为常数。