CN108802520A - 风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法和系统 - Google Patents

风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法和系统 Download PDF

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Abstract

用于具有叶片(P)的风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法，所述雷电防护系统包括连接至大地并通过多个导体板(1，2)连接至每个叶片(P)的下导体。该方法被配置用于确定导体板(1，2)和其叶片(P)之间的连接质量，并且包括在同一叶片(1，2)的两个导体板(1，2)之间注入直流电流(P)，产生流过包含在两个导体板(1，2)之间的叶片(P)的段的电流，在所述段的测量点(Pm)处测量电压(V)，将该电压V与另一个比较，并且根据所述比较的结果确定所述导体板(1，2)和所述叶片(P)之间的连接质量。以及相关的评估系统。

Description

风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法和系统
技术领域
本发明涉及用于包括由碳纤维增强塑料或聚合物制成的多个叶片的风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法和系统，并且更具体地，涉及用于评估雷电防护系统的下导体连接的导体板与相应的叶片之间的连接质量的方法和系统。
背景技术
目前的风力涡轮机可以被认为是高架结构，而且其大部分结构是可移动的。除此之外，还必须考虑到风力涡轮机通常位于它们非常容易受到雷电冲击的地方。由于它们是高架结构(现代风力涡轮机甚至可以超过200米)，它们可以呈现由结构本身引发的大量向上的雷电(涡轮机到云)。这种类型的雷电通常具有直接分量的特征，并且由于其高能量而通常造成最大的损害。
目前风力涡轮机的大尺寸已经使制造商使用碳纤维增强塑料或聚合物(carbonfiber reinforced plastic or polymer，CFRP)作为制造叶片的材料。鉴于CFRP具有导电性，在开发连接到叶片本身的风力涡轮机的雷电防护系统(lightning protectionsystem，LPS)时，必须考虑到这一点。一篇题为“Investigation of potentialdistribution on a CFRP coupon under impulse current.Test results and FDTDsimulation”的文章，由D.Romero等人于2016年9月25日至30日举行的国际雷电防护会议上展示了分析结果，获得的该结果是关于响应于具有不同的上升时间的电流冲击(考虑到雷电冲击叶片时产生的问题)的这种类型的材料中的电势分布。为了进行测试，将电流脉冲注入叶片的一段中，并且在所述段中测量所述段的不同点之间的电位。
如属于同一申请人的专利文献ES2396839A1和ES2594452A1中所公开的，雷电防护系统通常包括通过导体板连接到地面并连接到每个叶片的下导体。每个导体板嵌入其相应的叶片中并且通常沿叶片的整个宽度延伸。多个导体板被设置在同一个叶片中，纵向分布在所述叶片P中。为了雷电防护系统正常工作，必须确保导体板和叶片之间的正确连接，因为雷电放电电流在接地时通过叶片，叶片与雷电防护系统的下导体连接。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法和系统，风力涡轮机包括由碳纤维增强塑料或聚合物制成的多个叶片，如权利要求中所限定。
本发明的第一方面涉及一种用于风力涡轮机的雷电防护系统的评估方法，该风力涡轮机包括由碳纤维增强塑料或聚合物制成的多个叶片。雷电防护系统包括下导体，其连接到地面并且通过嵌入相应叶片中的多个导体板连接到每个叶片，多个导体板在叶片中纵向分布，每个导体板沿叶片的整个宽度延伸。该评估方法被配置用于确定导体板和相应叶片之间的连接质量。
该方法包括以下连续步骤：
-在同一个叶片的两个导体板之间注入直流电流，经过包含在两个导体板之间的叶片段产生电流，
-在所述叶片段的以基本上线性的方式沿所述叶片的宽度分布的多个表面测量点处测量相对于特定公共参考点的电压，
-将测量的电压相互进行比较，以及
-根据比较的结果确定所述导体板与所述叶片之间的连接质量，测量值彼此越接近，确定质量越好。
已经发现，连接越好，电流分布就越均匀，特别是以叶片的宽度作为参考。因此，通过比较叶片表面测量点处的不同电压测量结果，可确定导体板与相应叶片之间的连接质量。被比较的测量电压越相等，电流分布越均匀，因为它在所有测量点都相似。然而，如果在两个测量点处检测到基本上不同的电压值，则这表示在两个连接之间的所述测量点处流过叶片的电流也基本不同，并且沿叶片的电流分布因此不是均匀的，则确定连接(或至少其中一个连接)的质量不合适。
因此，可以利用本发明所提出的评估方法利用工业生产环境中使用的公共设备以非侵入性且易于实施的方式来验证叶片和相应的导体板之间的连接状态。此外，执行检查所需的时间相对较短，例如，这不会使其在风力涡轮机叶片制造过程中引入复杂化。
本发明的第二方面涉及风力涡轮机的雷电防护系统的评估系统，其风力涡轮机包括由碳纤维增强塑料或聚合物制成的多个叶片。雷电防护系统包括下导体，其连接到地面并且通过嵌入相应叶片碳纤维叠层中的多个导体板连接到每个叶片，多个导体板在叶片中纵向分布，每个导体板沿叶片的整个宽度延伸。评估系统被配置用于确定导体板和相应叶片之间的连接质量。
该评估系统包括注入装置、测量装置、控制装置，该注入装置被配置用于通过导体板中的一个将直流电流注入到叶片的两个导体板之间的叶片中，该测量装置被配置用于在两个导体板之间的叶片的多个表面测量点处测量相对于特定公共参考点的电压，测量点分布成使得它们沿叶片的宽度基本对齐，并且控制装置与测量装置连通，用于接收所述电压测量值，并且被配置为将测量结果相互比较，并且用于根据比较的结果确定导体板和叶片的连接质量，测量值彼此越接近，则确定质量更好。该评估系统将获得针对本发明的第一方面的评估方法所讨论的优点。
鉴于附图和本发明的详细描述，本发明的这些和其它优点和特征将变得明显。
附图说明
图1显示了没有雷电防护系统的风力发涡轮机。
图2是具有本发明的评估系统的一个实施例的测量装置的风力涡轮机的叶片的局部透视图。
图3a和3b示意性地描绘了本发明的评估系统的一个实施例的等效电路。
图4示出了图2的测量装置和与所述测量装置相关联的叶片的剖视图。
具体实施方式
第一方面涉及用于风力涡轮机100的雷电防护系统的评估方法，风力涡轮机100包括由碳纤维增强塑料或聚合物(CFRP)制成的多个叶片P。雷电防护系统包括在图中未示出的下导体，该下导体通过多个导体板1和2与大地和每个叶片P连接。导体板1和2嵌入相应叶片P的碳纤维叠层中，在所述叶片P中纵向分布，每个导体板沿所述叶片P的整个宽度延伸。该评估方法配置用于确定导体板1和2与相应叶片P之间的连接质量，从而可以保证雷电防护系统的正常运行。
该方法包括以下连续步骤：
-在同一个叶片P的两个导体板1和2之间注入直流电流，经过在包含在两个导体板1和2之间的叶片P的部分段产生电流，
-在叶片P的所述段的多个表面测量点Pm处测量相对于某个公共参考点Pref的电压V，表面测量点Pm沿所述叶片P的宽度以基本上线性的方式分布，
-将测量的电压V相互比较，
-根据所述比较结果确定所述导体板1和2与所述叶片P之间的连接质量，测量值彼此越接近，确定质量越好。
所确定的质量可以取决于在每种情况下所需的标准，从而根据所述标准可以预先建立所测量的电压V之间的最大可允许差异，从而能够确定连接1和2的质量是好的或合适的，以及确定所述连接1和2的质量为不适合或不允许的差异，因为电压越均匀，沿所述叶片P的长度的电流I将越均匀，因此连接将会更好。例如，可以在测量值之间的最小电压V和测量值(不同测量点之间)之间的最大电压V之间建立差值。测得的电压V值的偏差最好等于或小于10％，以表明连接质量合适。
通过传感器5.0相对于叶片P的相应测量点Pm的接触来获取每个电压V的测量结果，所述传感器5.0包括金属测量尖端，其末端与对应的测量点Pm接触，所述传感器5.0与叶片P的接触引起所述测量。为了执行该评估方法的所述步骤，在注入直流电流I之前的准备步骤中，在两个导体板1和2之间的叶片P的段与传感器5.0相对于彼此设置，使得它们面对面，并且在这种情况下传感器5.0朝向叶片P移动以引起与叶片P的接触，并根据需要调整接触力。
传感器5.0包括在测量装置5中，该测量装置5优选地包括第一元件5.1和第二元件5.2，在该第一元件和第二元件之间设置包括测量点Pm的叶片P的段。传感器5.0设置在所述元件5.1和5.2中的一个中，面对另一个元件，并且因此当所述段设置在元件5.1和5.2之间时面向叶片P的所述段。关于所述测量装置5的更多细节将在以下讨论本发明的评估系统时提供，但是所述测量装置5可以应用于评估方法中。
此外，为了在所述测量期间并且优选地在注入直流电流I的整个间隔期间确保正确的电压V测量结果，传感器5.0保持静止。为此目的，并且在使用如前段所述的测量装置5的情况下，不包括传感器5.0的元件5.1与叶片P耦接，并且包括传感器5.0的元件5.2在给定的位置被固定到元件5.1(一旦所需的接触力已经被调整)。
以注入直流电流I的基本上恒定的幅值来进行电压V的测量，所述幅值还包括在给定的上限和给定的下限之间。上限防止叶片P的相应段的过度加热，以防损坏叶片P，并且下限试图确保电压V的测量，因为直流电流I的幅值的过小值可能使所述电压V的测量失真，使得叶片P的截面(特别是用CFRP制造的叶片P部分的截面)越大，该最小电流就必须越大以确保所述测量质量。根据用于制造叶片P的碳叠层的几何形状建立上限电流注入极限，因为过量的电流会过度加热材料，能够造成损坏，并且导体(碳叠层)的截面限定了被注入的最大电流。对于给定的例子，下限和上限可以是大约2A和5A。
在该方法的一些实施例中，除了电压V测量之外，还在沿所述叶片P的宽度以基本上线性的方式分布的叶片P的测量点或区域处，在注入直流I期间测量温度。所述温度测量相互比较，并且连接1和2的质量取决于所述比较的结果，如电压V所发生的那样。测量点处的温度也是流过所述测量点的直流I的反映，使得温度测量越均匀，连接1和2将越好。然而，如果在不同的测量点处测量到不同的温度，这是非均匀分布的反映，确定导体板1和2与叶片P之间的连接质量在该情况下不好(或者温度差异越大，质量越差)。确定质量是否合适的标准可以与用于电压的情况相同。测量温度的测量点或区域不必与电压被测量的测量点Pm重合，并且它们优选为靠近导体板2的区域，在该处电流被注入到叶片P中。通过测量在靠近导体板1和2中之一的区域中的温度，可以更加清楚地看到热动力学，并且在更短的时间内可以看到，因此测试的持续时间可以更短，有利于其使用并且降低使材料经受过度的热疲劳。
在这些实施例中，从温度测量确定的质量进一步与从测量的电压V确定的质量进行比较，并且如果在两种情况下确定的质量接近或相等，则所述确定被验证。因此，通过温度测量进一步确定先前确定的质量。
该方法优选应用在每个叶片P的每两个导体板1和2之间，由此评估所有导体板1和2与所述叶片P之间的所述叶片P的连接质量。
此外，该方法优选地在制造叶片P的方法期间、在将叶片P安装在相应的风力涡轮机100中之前实施。
本发明的第二方面涉及风力涡轮机100的雷电防护系统的评估系统，诸如，在图1中以示例的方式示出的风力涡轮机，风力涡轮机100包括由碳纤维增强塑料或聚合物(CFRP)制成的多个叶片。雷电防护系统包括图中未示出的下导体，该下导体与大地连接并通过多个导体板1和2与每个叶片P连接。导体板1和2嵌入相应叶片P的碳纤维叠层中，在所述叶片P中沿纵向分布，每个导体板延伸所述叶片P的整个宽度。评估系统构造成用于确定导体板1和2与相应叶片P之间的连接质量，从而可以保证雷电防护系统的正常运行。
评估系统适用于支持诸如本发明的第一方面的方法的评估方法，并且因此可以被配置以使配置和/或实施例适合其必须支持的评估方法。同样，评估方法所讨论的特征和优点因此也适用于评估系统，即使没有再重复它们。
该评估系统包括注入装置3和测量装置5，注入装置3被配置为通过所述导体板1和2中的一个在所述叶片P的两个导体板1和2之间将直流电流I注入叶片P中，并且该测量装置5被配置用于通过接触在两个导体板1和2之间的所述叶片P的多个表面测量点Pm处测量相对于特定公共参考点Pref的电压V，所述测量点Pm被分布成使得它们沿着叶片P的宽度大致排成一行。参考点Pref可以是例如测量装置5自身的框架(其优选地连接到地面)或叶片P本身的一点。叶片P的测量点Pm与测量装置5的传感器5.0所接触的叶片P的点相对应。测量装置5的传感器5.0优选地包括金属尖端，其末端与叶片P的待测量的电压V的测量点Pm的点接触。测量装置5包括与将要获得的电压V测量一样多的传感器5.0，并且两个连续的传感器5.0之间的距离将取决于预先建立的要求。
评估系统还包括与测量装置5通信的用于接收所述电压V测量结果的控制装置6。通信优选通过相应的接线5.4来执行，但是可以替代地以无线方式来执行。控制装置6被配置用于将所述测量结果相互比较并且根据所述比较的结果确定所述导体板1和2与所述叶片P之间的连接质量，测量值彼此越接近就确定质量越好。控制装置6包括微处理器、控制器、FPGA或能够处理数据并进行计算的任何其它类型的设备，以便能够执行上述操作(至少比较测量结果并基于该比较确定质量)。上面提供的关于确定本发明的评估方法的质量的解释对评估系统同样有效。
在优选实施例中，测量装置5包括彼此附接的第一元件5.1和第二元件5.2，在第一元件和第二元件之间限定用于接收叶片P的间隙5.3，由此在设置在所述间隙5.3中的叶片P区域的测量点处测量电压V。因此，元件5.1和5.2包括两个面对的表面，每个元件5.1和5.2包括一个表面，当所述叶片设置在间隙5.3中时，叶片P设置在所述表面之间，传感器5.0设置在所述表面中的一个上以便在所述叶片P处于所述间隙5.3中时与叶片P接触。所述面对的表面由此覆盖叶片P的宽度。
第一元件5.1和第二元件5.2相互附接，具有在相对的表面彼此靠近或远离的意义上的运动自由度。该运动允许调节传感器5.0的测量尖端与叶片P的测量点之间的接触力，因此能够从传感器5.0与测量点之间的期望的接触获得电压V测量。在本发明的第一方面的评估方法中，在使用这种类型的测量装置5的情况下，传感器5.0与叶片P的接触以及所需的接触力通过第二元件5.2相对于第一元件5.1的运动引起。
在评估系统的优选实施例中，第一元件5.1适于并构造成通过未在附图中示出的密合系统耦接到叶片P，从而确保第一元件5.1在叶片P上的合适压力。密合系统也可以作用于第二元件5.2以确保合适的压力。第二元件5.2相对于第一元件5.1移动以调节接触力，传感器5.0设置在所述第二元件5.2中，使得相应的测量尖端从面向第一元件5.1的所述第二元件5.2的表面向所述第一元件5.1突出。第一元件5.1的耦接能力允许保持测量装置5静止，同时在叶片P的测量点处进行电压测量，由此确保正确的测量。
注入装置3适于并被构造成使得被注入的直流电流I的幅值被包括在优选地限制在上限和下限之间的范围内，该上限用以防止所述直流I流过的叶片P的一部分被过度加热，具有损坏它的风险，该下限用以确保正确的电压V测量(过低的直流电流I值会使电压测量失真)。针对本发明的第一方面提供的与这些上下限相关的解释对于这种情况同样有效。
在一些实施例中，评估系统包括热敏照相机，其适于测量在沿所述叶片P的宽度以基本上线性的方式分布在两个导体板1，2之间的叶片P的测量点或区域处的温度，控制装置6适于接收所述测量并且被配置用于比较它们并且根据所述比较的结果确定连接1和2的质量，测量值越接近彼此就确定质量越好。在这些实施例中，控制装置6还被配置用于将从温度测量确定的质量与从测量的电压确定的质量进行比较，并且如果所确定的质量接近或相等则验证所述确定。因此，通过温度测量进一步确定先前确定的质量。测量温度的测量点或区域不必与其电压被测量的测量点Pm重合，并且它们优选为靠近导体板2的区域，在此电流被注入到叶片P中。通过测量靠近导体板1和2中的一个的区域中的温度，可以更加清楚地看到热动力学，并且在更短的时间内可以看到，因此测试的持续时间可以更短，有利于其使用并且降低使材料经受过度的热疲劳。
热敏照相机可以包括在测量装置5中，或者它可以是独立于所述测量装置5并且与控制装置6通信的装置。

Claims (15)

1.用于风力涡轮机(100)的雷电防护系统的评估方法，所述风力涡轮机(100)包括由碳纤维增强塑料或聚合物制成的多个叶片(P)，所述雷电防护系统包括连接至大地并通过多个导体板(1，2)连接至每个叶片(P)的下导体，所述多个导体板(1，2)嵌入在相应的叶片(P)中、并在所述叶片(P)中纵向分布，每个导体板(1，2)沿所述叶片(P)的整个宽度延伸，其特征在于，所述评估方法被配置用于确定所述导体板(1，2)与相应的叶片(P)之间的连接质量，并且包括以下连续的步骤：
-在同一个叶片(P)的两个导体板(1，2)之间注入直流电流(I)，经过包含在两个导体板(1，2)之间的叶片(P)段产生电流，
-在所述叶片(P)段的多个表面测量点(Pm)处测量相对于特定公共参考点(Pref)的电压(V)，多个表面测量点(Pm)以基本上线性的方式沿所述叶片(P)的宽度分布，
-将测量的电压(V)相互进行比较，以及
-根据比较的结果确定所述导体板(1，2)与所述叶片(P)之间的连接质量，测量值彼此越接近，确定质量越好。
2.根据权利要求1所述的评估方法，其中通过传感器(5.0)相对于所述叶片(P)的相应测量点(Pm)的接触来获取每个电压(V)测量结果，每个传感器(5.0)包括金属测量尖端，所述金属测量尖端的末端与对应的测量点(Pm)接触，所述传感器(5.0)与所述叶片(P)的接触引起所述测量。
3.根据权利要求2所述的评估方法，包括在注入电流之前的准备步骤，其中在所述两个导体板(1，2)之间的所述叶片(P)的段和所述传感器(5.0)相对于彼此设置使得它们彼此面对，并且在这种情况下传感器(5.0)朝向叶片(P)移动以引起与叶片(P)的接触，并调节所述传感器(5.0)与所述叶片(P)之间的接触力。
4.根据权利要求3所述的评估方法，其中所述传感器(5.0)在电压(V)测量期间保持静止。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的评估方法，其中，当所测量的电压(V)之间的最大偏差等于或小于10％时，确定所述连接质量是合适的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的评估方法，其中，在电压(V)测量期间，注入的直流电流(I)包括基本恒定的幅值并且该幅值在根据制造叶片(P)的碳叠层的几何形状确定的上限和下限之间。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的评估方法，其中，在注入直流电流(I)期间，还在两个导体板(1，2)之间的、沿所述叶片(P)的宽度以基本线性方式分布的叶片(P)测量点或区域处测量温度，将所述温度测量相互比较，根据所述比较的结果确定所述导体板(1，2)和所述叶片(P)之间的连接质量，测量值彼此越接近，确定质量越好，将从温度测量确定的质量与从测量电压(V)确定的质量进行比较，并且如果确定的质量接近或相等，则所述确定被验证。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的评估方法，在将叶片(P)安装在对应的风力涡轮机(100)中之前，在制造叶片(P)的方法期间实施所述评估方法。
9.用于风力涡轮机(100)的雷电防护系统的评估系统，所述风力涡轮机(100)包括由碳纤维增强塑料或聚合物制成的多个叶片(P)，所述雷电防护系统包括连接至大地并通过多个导体板(1，2)连接至每个叶片(P)的下导体，所述多个导体板(1，2)嵌入在相应的叶片(P)的碳纤维叠层中、并在所述叶片(P)中纵向分布，每个导体板(1，2)沿所述叶片(P)的整个宽度延伸，并且所述评估系统被配置用于确定所述导体板(1，2)与相应的叶片(P)之间的连接质量，其特征在于，所述评估系统包括：
-注入装置(3)，其被配置用于通过所述导体板(1，2)中的一个、在所述叶片(P)的两个导体板(1，2)之间将直流电流(I)注入到所述叶片(P)中，
-测量装置(5)，其被配置用于在两个导体板(1，2)之间的所述叶片(P)的多个表面测量点(Pm)处测量相对于特定公共参考点(Pref)的电压(V)，所述测量点(Pm)分布成使得它们沿叶片(P)的宽度基本对齐，以及，
-控制装置(6)，与测量装置(5)通信，用于接收所述电压(V)测量结果，并且被配置为将所述测量结果相互比较，并且根据比较的结果确定所述导体板(1，2)和所述叶片(P)的连接质量，测量值彼此越接近，则确定质量更好。
10.根据权利要求9所述的评估系统，其中，所述测量装置(5)包括多个传感器(5.0)，一个传感器(5.0)用于叶片(P)的一个测量点(Pm)，所述传感器适于通过接触来测量在所述叶片(P)的相应测量点(Pm)处的电压(V)，每个传感器(5.0)包括金属测量尖端，所述金属测量尖端的末端与叶片(P)的相应测量点(Pm)接触，以在所述测量点(Pm)处测量电压(V)。
11.根据权利要求10所述的评估系统，其中，所述测量装置(5)包括彼此附接的第一元件(5.1)和第二元件(5.2)，在所述第一元件和所述第二元件之间具有用于接收叶片(P)的限定的间隙(5.3)，所述测量装置(5)适于测量设置在所述间隙(5.3)中的叶片(P)区域的测量点(Pm)处的电压(V)。
12.根据权利要求11所述的评估系统，其中，所述测量装置(5)的所述元件(5.1，5.2)包括两个面对的表面，每个元件(5.1，5.2)包括一个表面，当所述叶片(P)容纳在间隙(5.3)中时所述叶片(P)设置在所述表面之间，当所述叶片(P)位于所述间隙(5.3)中时，传感器(5.0)设置在所述表面之一上以与叶片(P)接触。
13.根据权利要求12所述的评估系统，其中，所述测量装置(5)的所述第一元件(5.1)和所述第二元件(5.2)相互附接、且具有在相对的表面彼此靠近或远离的意义上的运动自由度，以能够调节传感器(5.0)和叶片(P)之间的接触力。
14.根据权利要求13所述的评估系统，其中，当所述叶片(P)穿过所述测量装置(5)的两个元件(5.1，5.2)之间限定的所述间隙(5.3)时，所述测量装置(5)的所述第一元件(5.1)适于并构造成耦接到所述叶片(P)，所述第二元件(5.2)适于并构造成相对于所述第一元件(5.1)移动以调节所述接触力，并且所述传感器(5.0)设置在所述第二元件(5.2)中，使得相应的测量尖端从面向所述第一元件(5.1)的所述第二元件(5.2)的表面向所述第一元件(5.1)突出。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的评估系统，包括热敏照相机，所述热敏照相机适于测量在沿所述叶片(P)的宽度以基本上线性的方式分布在两个导体板(1，2)之间的叶片(P)的测量点处的温度，所述控制装置(6)适于接收所述测量并且被配置为将所述测量相互比较，以根据所述比较的结果确定所述导体板(1，2)与所述叶片(P)之间的连接质量，测量值彼此越接近，确定质量更好，所述控制装置适于将从温度测量确定的质量与从测量的电压(V)确定的质量进行比较，如果确定所确定的质量接近或相等，则使所述确定被验证。
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