CN110469463A - 与风叶气动性互补的消雷阵列及无源等离子拒雷系统 - Google Patents
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Abstract
一种与风叶气动性互补的消雷阵列及无源等离子拒雷系统，包含基板、阵列针和固定部，基板和阵列针为导电体，该基板一端和固定部连为一体，该基板通过该固定部连接在风叶的顶端部，该基板的另一端部设有阵列针，该阵列针为锯齿边，所述的锯齿边包含若干个锯齿；强电离放电单元安装于风叶内，该强电离放电单元的电极A通过第一导体连接消雷阵列的基板,电极B通过第二导体连接接地单元；高位风叶端距地面约120米时，低位风叶端距地面约30米,全方位防护高、低空雷击；本发明适用于风电站改善风叶气动性和直击雷防护。
Description
技术领域：
本发明涉及防雷和风叶气动技术领域，特别是涉及一种与风叶气动性互补的消雷阵列及无源等离子拒雷系统。
背景技术：
风电机组,特别是风电机组的风叶遭受雷击损坏是风叶损坏的主要原因，由于风力发电机组的风叶高度较高和端部尖窄则在雷云电场感应下具有尖端效应而成为机组中最易遭受直接雷击的异突部件。雷击造成风叶损坏主要有两个方面：一方面是雷电击中叶尖后，释放大量能量，强大的雷电流使叶尖结构内部的温度急骤升高，水分受热汽化膨胀，从而产生很大的机械力，造成叶尖结构爆裂破坏，严重时使整个风叶开裂；另一方面雷击造成的巨大声波，对风叶结构造成冲击破坏。风叶受到雷击损害后的维修或更换都是耗资耗时和难度极大的事故，风叶的雷击损坏对全球风电行业来说都是一个突出的运行障碍，风叶的防雷一直是个全球性的难题。
现在国际上有很多厂商在风叶的设计和制作上采用了多种防雷方法，比如，在风叶内部或背面安置接闪器类避雷针及避雷线，或在风叶翼面复合材料中加入具有良好导电性能和比重轻的碳纤维新材料，并在叶尖部位配置金属接闪器，通过接地线与风叶法兰连接，再由轮毂通过机舱内的接地线经钢塔架接入地网形成雷电通道。当雷电击中风叶时，强大的雷电流通过雷电通道泄入大地，以期能够实现避雷而不致对风叶及其他设备造成损坏。这样实际上风叶成了引雷针，接闪周围的雷电并泄放强大的雷电流，因此要求雷电通道阻抗必须很小，连接导线要有足够导电截面及良好的导电性，接地网一定要保证在不少现场难以实现的足够小的接地电阻值,否则将带来强反击过电压和电磁脉冲辐射过电压,损坏强弱电和机械设备。大量运行统计资料表明：引雷入地即“引狼入室”。因此，防雷界著名专家们呼吁：避雷针一般应该停用！
鉴于除异突的风叶易遭受雷击外，风电机组周围的输变电设施也同样容易遭受雷击，因此出现了针对风电场整体防雷的方案，即所谓的区域防雷，在风电场来雷气流通道的前端区域安装避雷针塔，以期阻截顺流侵入风电场的雷电顺流侵入风电场。但是对于面积极大的风力发电场，雷电侵入通道方位存在很大的随机性和全方位性(例如由山底飘升的能量和危害较顶空负极性雷更大的正极性雷)，在水平气流通道入口处装设避雷针塔只能很有限地解决极少数风叶及其周围输变电设施被雷击的问题，并且高大的避雷针塔的建设成本高昂，而且不能实现全方位防雷，因此在防雷可靠性和实用性方面受到很大限制而难以推广应用。
中国发明专利申请201510340729“无源复合强电离放电等离子拒雷装置”该拒雷装置简称PCPLR。具体地，该装置包括消雷阵列雷云电荷(场)聚消单元(消雷阵列)、强电离放电单元和接地导体，其特征在于:该强电离放电单元的放电器包含两电极，其中电极A与消雷阵列连接为一体，电极B与接地导体连接，两电极之间以绝缘支座隔开和固定放电间隙。将LEA无源等离子体产生技术构成的消雷阵列与采用新的“多细线效应”无源强电离放电等离子体产生技术构成的强电离放电单元复合,并与接地导体连接，由雷云电场激励，复合强电离放电产生数10mC/s消散电荷(即数10mA消散电流)，高效中和消雷阵列及接地导体引聚的云、地电荷±Q，有效抑制云-地间等效电容C的电压V＝Q/C增高而不被雷云充电至激发雷电先导和对地面放电击穿的水平，即雷云电场下保护角大于84°(也即保护半径为PCPLR安装高度的10倍)宽范围内的物体及PCPLR本体均免遭雷云电场放电击穿。虽然发明适用于各类固定和移动物体的直击雷防护。如果将现有的等离子拒雷装置(PCPLR)安装在风叶上，可以对起到拒雷效果，但是，根据等离子拒雷装置(PCPLR)原有的结构形式，将现有等离子拒雷装置(PCPLR)的消雷阵列安装在风叶上，即阵列仍为传统的美国式多短针或中国式少长针。图1现有技术等离子拒雷装置的消雷阵列示意图,如图所示,该消雷阵列包括:现有技术消雷阵列针11、现有技术消雷阵列针座12、现有技术消雷阵列安装法兰座23。消雷阵列包括一基座12和若干阵列针11，阵列针11以基座12为中心呈放射状固定在基座12上。而风叶在旋转时，其端部的线速度可达到200公里/小时以上,则安装在风叶顶端的消雷阵列将承受巨大的离心力，很容易变形和折断。此外，这类消雷阵列的结构装于风叶端部，与叶片翼型空气动力特性不能匹配而会影响其稳定和有效运行。
目前，国内外成千上万的风力发电机组和风电场迫切需要有一种可为风叶和风电场输变电设施提供有效防雷的技术。为此本申请人经过反复试验和样机验证，设计了本发明的消雷阵列及其无源等离子拒雷系统。
发明内容：
本发明的目的在于公开一种消雷阵列及其无源等离子拒雷系统，该消雷阵列适于安装在风力发电机组的风叶顶端部处，由于该消雷阵列为端部具有锯齿状结构，装于与风叶后，正好在风叶端部形成气动性防扰的机构，有利于风叶旋转的平稳性。
本发明的技术目的是以如下技术手段来实施的：
一种与风叶气动性互补的消雷阵列，包基板、阵列针和固定部，基板和阵列针为导电体，该基板一端和固定部连为一体，该基板通过该固定部连接在风叶的顶端部，该基板的另一端部设有阵列针，其特征在于：该阵列针为锯齿边，所述的锯齿边包含若干个锯齿。
所述的基板、构成阵列针的锯齿边和固定部一体成型，所述锯齿边朝向离心力的方向放置。
所述的锯齿边的每个锯齿的齿尖的夹角α为15゜到90゜；齿高h约为6mm到60mm；齿尖宽w约为3mm，齿厚δ由齿根到齿尖的厚度由15mm渐变为齿尖板厚约3mm。
所述的导电体为金属材料或金属合金材料。
所述的金属材料为不锈钢、钛铝合金、铜或铝合金。
一种与风叶气动性互补的无源等离子拒雷装置，包括消雷阵列、强电离放电单元和接地单元，其特征在于；所述的消雷阵列为权利要求1至6所述的任意一种消雷阵列；该消雷阵列安装在风叶的顶端部，所述锯齿边朝向离心力的方向放置；强电离放电单元安装于风叶内，该强电离放电单元包含电极A和电极B(图中未标出)，该电极A通过第一导体连接消雷阵列的基板；该电极B通过第二导体连接接地单元。
该强电离放电单元安装在风叶的根部。
将所述消雷阵列的固定部用螺栓固定到风叶端部的原有金属接闪器上，将该原接闪器的接地引线连接至强电离放电单元的电极A上，电极B经接地联线连接到接地滑环连接到接地单元。
本发明的无源等离子拒雷系统采用PCPLR将现有LEA无源等离子体产生技术构成的雷云电荷聚消单元(消雷阵列)与采用新的“多细线效应”无源强电离放电等离子体产生技术构成的强电离放电单元复合,并与接地导体连接，由雷云电场激励，复合强电离放电产生数10mC/s消散电荷(即数10mA消散电流)，高效中和雷云电荷聚消单元及接地导体引聚的云、地电荷±Q，有效抑制云-地间等效电容C的电压V＝Q/C增高而不被雷云充电至对地面放电击穿的水平，即雷云电场下保护角大于84°(也即保护半径为PCPLR消雷阵列安装高度的10倍)，实现风电机组及保护范围内的输变电设施均免遭雷云电场放电击穿。该系统可以安装在移动物体上,特别是安装在风电机组的风叶上,能有效避免风电机组遭受雷击，彻底解决了长期困扰风力发电行业的雷击风叶问题。与此同时,由于装在风叶端部的锯齿状消雷阵列与叶端小叶复合而增进风叶的出力和减噪气动特性,风叶端部的高线速度又大大增加了无源等离子拒雷系统电离空气产生的消散电流而增大拒雷冗余度。此外，消雷阵列装于风轮的各风叶端部，旋转至高位置的风叶端距地面约120米时低位置的风叶端距地面约30米(以当今通用的1.5兆瓦级机组为例)而全方位防护高、低空雷击，实现高位置风叶端保护角大于84°宽范围内风电场的风电机组本体及输变电设施均免遭雷击。具有如下的优点：
1、本发明拒雷系统的结构简捷实用，制造成本低，经济性好。本拒雷系统包括：包括气动扰流/雷云电荷聚消复合单元、强电离放电单元和接地单元，消雷阵列为导体材料制成一体成型制造，结构简单，制造成本低，适合在风力发电行业广泛使用。
2、本发明拒雷装置的使用可靠性高，寿命长。该拒雷装置其总重量约为18kg、耐受18级台风、海岛重盐污环境使用寿命大于30年，PCPLR产品在其它工程项目运行中成功拒雷数百万次无失效。
3、本发明的消雷阵列固定在风叶顶端处，在空气动力学上，该消雷阵列构成了叶片小叶结构，拒雷系统在有效防护直击雷的同时,还能抑制诱导阻力而提高风机出力约1％和消减风叶噪音。
4、本发明拒雷装置克服传统避雷针引雷入地的弊端，而以非引雷入地方式良好实现直击雷防护。本拒雷系统装于旋转的各风轮风叶端，消除风机风叶的尖端效应引接雷击。风叶旋转时，相对地面高约120米和低约30米(以1.5MW水平轴机组为例)而利于全方位防护顶空及低谷雷，并且，风叶端部线速度约为风速的4倍而增大其电离空气产生的消散电流；本发明的拒雷系统由雷云电场(1)激励，复合强电离放电产生数10mA消散电流，高效中和引聚的云、地电荷，有效抑制雷电先导形成而避免云地雷击，实现保护角大于84°宽范围内的风电机组及输变电设施均免遭雷击。
5、由于本发明的拒雷系统在拒雷运行时仅释放数10mA消散电流而不被雷电击穿释放强大的雷电流，因而不要求经小电阻接地，接地电阻高达数kΩ仍可正常工作，解决了高土壤电阻率地区接地电阻难以减小的问题。
为了更好地理解本发明的构思、工作原理和技术效果，下面结合附图，通过具体实施例，对本发明进行详细说明。
附图说明：
图1：现有技术等离子拒雷装置的消雷阵列示意图；
图2：本发明在风叶上安装的示意图；
图2A：本发明消雷阵列的结构示意图；
图2B：图2A锯齿部分的尺寸标示图
图3：本发明消雷阵列和强电离放电单元置于风叶端部的布置位置图；
图4：本发明拒雷系统装于水平轴风机的实施例，
图5：本发明拒雷系统装于立轴风叶两端的实施例
图5A：图5锯齿小帆的局部放大图图中：
1—雷云电场/电荷；
11-现有技术消雷阵列针，12-现有技术消雷阵列针座，13-现有技术消雷阵列安装法兰座；
2—气动扰流/雷云电荷聚消复合单元，21—阵列针，
22—基板，23—固定部；
3—第一导体，
4—风叶，41—叶根法兰，42—叶根人孔盖板；
5—强电离放电单元；
6—接地单元，61—第二导体。
具体实施方式：
图2A：本发明消雷阵列的结构示意图；图2B：图2A锯齿部分的尺寸标示图。在本实施例中，该与风叶气动性互补的消雷阵列2，包基板22、阵列针21和固定部23，基板22和阵列针21为导电体；该基板22一端和固定部23连为一体，该基板22通过该固定部23连接在风叶4的顶端部，该基板22的另一端部设有阵列针21，该阵列针21为锯齿边，所述的锯齿边包含若干个锯齿。本实施例中的基板22、构成阵列针21的锯齿边和固定部一体成型，也就是一导电材料板材，分成两个部分，一部份是基板22，另一部分为固定部23，将基板22的部分边沿加工出锯齿形状，该锯齿形状就构成了消雷阵列的阵列针。
所述的锯齿边齿可以是相同规整的形状，也可是非规整和相同的形状，也就是起到消雷阵列针的作用就可以，消雷阵列针的作用在现有技术中已有相应说明，在此不在详细描述。在实施过程中，齿尖的形状可以根据需要制造，图2中标注出了齿尖的几何参数，其中：齿尖的夹角α、齿高h、齿尖宽w和齿厚δ。锯齿的每个齿尖的夹角α为15゜到90゜；齿高h约为6mm到60mm；齿尖宽w约为3mm，齿厚δ由齿根到齿尖的厚度由15mm渐变为齿尖板厚约3mm。
优选地，所述的每个齿高h约为6毫米到20毫米。
优选地，每个锯齿的齿尖的夹角α为30゜到60゜，齿高h约为20mm到60mm。
如图2本发明在风叶上安装的示意图，该实施例中，该无源等离子拒雷装置，包括消雷阵列2、强电离放电单元5和接地单元6，消雷阵列2具有上述公开的有锯齿边的消雷针。该消雷阵列2安装在风叶4的顶端部，所述锯齿边(消雷针)21朝向离心力的方向放置；强电离放电单元5安装于风叶4内。强电离放电单元5的外形尺寸相对于风叶来说，其尺寸很小，因此，该强电离放电单元5可以安装在风叶内的任何位置。图2所示的实施例，显示了风叶4的结构，该风叶4的叶根底部四周设有叶根法兰41，叶根法兰41与风机转轴连接，并驱动发电机转动发电。在风叶4的根部的中间位置，设有叶根人孔盖板42，该人孔和人孔盖板是方便人进入叶片维修。为了安装和维修方便，将强电离放电单元5安装在风叶4的人孔盖板42附件是较好的实施方式。或者将该强电离放电单元5安装在风叶4叶根人孔盖板42上；消雷阵列2安装在风叶4的顶端部处。
该强电离放电单元5包含电极A和电极B(图中未标出)，该电极A通过第一导体3连接消雷阵列的基板；该电极B通过第二导体61连接接地单元。
现有风叶4为了防止雷击，一般设有接闪器，通过导线将接闪器与地面接通，在现有风叶4上安装本发明的无源等离子拒雷装置时，将所述消雷阵列2的固定部23用螺栓固定到风叶4顶端部的原有金属接闪器上，将该原接闪器的接地引线连接至强电离放电单元5的电极A上，电极B经接地联线连接到接地滑环连接到接地单元6。
实施例中的与风叶气动性互补的风电站无源等离子拒雷系统，其消雷阵列2的消雷针21为锯齿边，相对于在旋转叶片的端部设置了一个小叶或小帆，根据空气动力学原理，该小叶或小帆可以抑制风叶4端部诱导阻力和噪音，改善风叶的运动环境。
所述的锯齿边21(小叶或小帆)相对于风叶4迎风面或背风面翘起的角度及面积由空气动力设计确定。
所述在风叶背风面或迎风面翘起的消雷阵列小叶或小帆，可以抑制风叶的诱导阻力而消减其造成的噪音并提高出力约1％和增加运行稳定性。小叶或小帆外边缘的锯齿边，除具有引聚雷云电场(电荷)的功能外，还能产生系列小涡流进一步消减噪音。
所述的连接消雷阵列与强电离放电单元的电极A的第二导线为绝缘金属导线；
如图3为本发明消雷阵列和强电离放电单元置于风叶端部的布置位置图，如图3所示，该实施例与图2中所描述的实施例大致相同，消雷阵列2位于风叶的顶端部，消雷阵列的固定部23固定在风叶定端，消雷阵列的基板22伸出风叶4的顶端，并向上翘起。其强电离放电单元5安装在风叶4的根部。
如图4所示是本发明拒雷系统装于水平轴风机的实施例，该风机是传统的三叶片水平轴风机，在每个风叶4上各安装一套该拒雷系统，即每个叶片上都安装该无源等离子拒雷装置，该消雷阵列2安装在风叶4的顶端部，所述锯齿边(消雷针)21朝向离心力的方向放置；强电离放电单元5安装于风叶4内；该强电离放电单元5包含电极A和电极B，该电极A通过第一导体3连接消雷阵列的基板；该电极B通过第二导体61连接接地单元。
在另外的实施例中，也可以三个叶片可以共享一个强电离放电单元5，具体地，三个消雷阵列2分别安装在三个风叶4的顶端部，一个强电离放电单元5设有其中一个风叶4的根部，该强电离放电单元5包含电极A和电极B，该电极A通过三根第一导体3分别连接安装在三个风叶顶端部的消雷阵列2的基板22；该电极B通过第二导体61连接接地单元。
对于具有两个风叶或多个风叶的风电机组，也可以用同样的方式安装。
对于兆瓦级风电机组，风叶端部的消雷阵列可在相对地面高约120米和低约30米位置而利于全方位防护顶空及低谷雷，并且，风叶端部线速度约为风速的4倍而增大其电离空气产生的消散电流；本发明的拒雷系统由雷云电场(1)激励，复合强电离放电产生数10mA消散电流，高效中和引聚的云、地电荷，有效抑制雷电先导形成而避免云地雷击，实现保护角大于84°宽范围内的风电机组及输变电设施均免遭雷击。
如图5和图5A所示是本发明拒雷系统装于立轴风机的实施例，在每个风叶的上下两端各安装一套该拒雷系统，对于立轴风叶更适合采用如图5A所示小帆式消雷阵列，其在风叶内的安装及雷电防护特性与水平轴风机相似，不再赘述。
以上是对本发明的构思、工作原理和最佳实施例的说明，该说明不应理解为对本发明权利要求的限定，依照本发明构思的其他实现方式也属于本发明的保护范围。
Claims (11)
1.一种与风叶气动性互补的消雷阵列，包基板、阵列针和固定部，基板和阵列针为导电体，该基板一端和固定部连为一体，该基板通过该固定部连接在风叶的顶端部，该基板的另一端部设有阵列针，其特征在于：该阵列针为锯齿边，所述的锯齿边包含若干个锯齿。
2.根据权利要求1所述的消雷阵列，其特征在于：所述的基板、构成阵列针的锯齿边和固定部一体成型，所述锯齿边朝向离心力的方向放置。
3.根据权利要求1所述的消雷阵列，其特征在于：锯齿边的每个锯齿的齿尖的夹角α为15゜到90゜；齿高h约为6mm到60mm；齿尖宽w约为3mm，齿厚δ由齿根到齿尖的厚度由15mm渐变为齿尖板厚约3mm。
4.根据权利要求3所述的消雷阵列，其特征在于：所述的每个齿高h约为6毫米到20毫米。
5.根据权利要求3所述的消雷阵列，其特征在于：每个锯齿的齿尖的夹角α为30゜到60゜，齿高h约为20mm到60mm。
6.根据权利要求1所述的消雷阵列，其特征在于：所述的导电体为金属材料或金属合金材料。
7.根据权利要求6所述的消雷阵列，其特征在于：所述的金属材料为不锈钢、钛铝合金、铜或铝合金。
8.一种与风叶气动性互补的无源等离子拒雷系统，包括一个或一个以上的消雷阵列、强电离放电单元和接地单元，其特征在于；所述的消雷阵列为权利要求1至7所述的任意一种消雷阵列；该消雷阵列安装在风叶的顶端部，所述锯齿边朝向离心力的方向放置；强电离放电单元安装于风叶内，该强电离放电单元包含电极A和电极B(图中未标出)，该电极A通过第一导体连接消雷阵列的基板；该电极B通过第二导体连接接地单元。
9.根据权利要求8所述的无源等离子拒雷系统，其特征在于：该两个以上消雷阵列2，各消雷阵列分别安装在两个以上的各自风叶4的顶端部，一个强电离放电单元5设有其中一个风叶4的根部，该强电离放电单元5包含电极A和电极B，该电极A通过两根以上的第一导体3分别连接安装在各个风叶顶端部的消雷阵列2的基板22上；该电极B通过第二导体61连接接地单元。
10.根据权利要求8所述的无源等离子拒雷系统，其特征在于：该强电离放电单元安装在风叶的根部。
11.根据权利要求8所述的无源等离子拒雷系统，其特征在于：将所述消雷阵列的固定部用螺栓固定到风叶端部的原有金属接闪器上，将该原接闪器的接地引线连接至强电离放电单元的电极A上，电极B经接地联线连接到接地滑环连接到接地单元。
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