CN112502913B - 包括防雷系统的具有有源部件的智能风力涡轮机叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及包括防雷系统的具有有源部件的智能风力涡轮机叶片。本发明包含在智能风力涡轮机叶片及用于其智能风力涡轮机叶片的防雷系统的技术领域中。更具体而言，本发明涉及一种包括防雷系统的智能风力涡轮机叶片，该防雷系统包括有源部件，例如除冰系统、传感器和/或襟翼之类的类型，其中，闪电流的路径被引导成避免轮毂阻止电流流过轴承，这可能会对它们以及还对从那里向有源部件馈送的金属柜造成重大损伤。
Description
技术领域
本发明包含在智能风力涡轮机叶片及用于其智能风力涡轮机叶片的防雷系统的技术领域中。更具体而言，本发明涉及一种包括防雷系统的智能风力涡轮机叶片，该防雷系统包括有源部件，例如除冰系统、传感器和/或襟翼之类的类型，其中，闪电流的路径被引导成避免轮毂阻止电流流过轴承，这可能会对它们以及还对从那里向有源部件馈送的金属柜造成重大损伤。
背景技术
具有有源部件的风力涡轮机叶片需要使用金属线来向叶片内的有源部件馈送（指馈电或馈送信号等，feed）。这种状况会增加那些部件上的闪电损伤的风险，并且需要将这些部件整合到叶片防雷系统（LPS）中或者重新设计所述叶片LPS。这适用于智能或有源叶片，这种类型的叶片除其他智能叶片构造之外例如具有防冰或除冰系统或者襟翼。这也适用于安装在叶片内的传感器，例如热电偶或者例如任何电感或电容传感器。
在现有技术中已知一些用于保护具有有源部件的风力涡轮机叶片的防雷系统。
例如，文献WO2000079128A1公开了一种风力涡轮机叶片，其包括处于末梢处的闪电接收器以及连接到所述闪电接收器并在叶片转子处接地的电导体。此外，它还描述了连接到加热元件的两个导体，并且其中，两个导体都通过叶片根部处的火花隙连接并接地。在这种类型的构造中，由于火花隙相对于风力涡轮机接地的阻抗高于从轮毂或变桨轴承到风力涡轮机接地的阻抗，因此所有闪电流将穿过轴承流过轮毂和机舱框架。该路径可能会损伤风力涡轮机的主轴轴承。
文献US2015098823A1描述了一种用于如下类型的风力涡轮机叶片的具有整合的防冰系统的防雷系统，即：该类型的风力涡轮机叶片具有各种导电片，该导电片嵌入具有电极的叶片的层压件中，并且其中，LPS包括处于末梢处的一个接收器，该接收器连接到在叶片根部处接地的下引线电缆，并且还包括电压放电器，该电压放电器安装在连接到该导电片和连接到该下引线电缆的电极之间。同样，在该文献中公开的解决方案中，闪电流没有从叶片被引导到机舱，并且闪电流将不可避免地流过轴承和主轴承，从而造成损伤。
在本申请人在现有技术中已知的解决方案中，发现“接地”点处于叶片之外，位于叶片中，也就是处于轮毂中，或者直接将中性线或接地电缆电连接到变桨轴承的内部金属部分。利用这些解决方案，闪电流没有机会通过任何闪电传输系统（LTS）从叶片被引导到机舱旁路轴承（by-passing bearing）。例如，Gamesa的WO2000079128A1使用火花隙系统（称为锤（hammer）），并且由于该锤相对于风力涡轮机接地的阻抗高于从轮毂或变桨轴承到风力涡轮机接地的阻抗，因此所有闪电流都将穿过轴承流过轮毂和机舱框架。该路径可能会损伤风力涡轮机的主轴轴承。
发明内容
本文公开了一种包括防雷系统（LPS）的具有有源部件的智能风力涡轮机叶片，利用该智能风力涡轮机叶片，已发现至少减轻了与现有技术的解决方案相关的上述缺点。
更具体而言，根据本发明的第一方面，提供了一种具有有源部件的智能风力涡轮机叶片，该叶片包括防雷系统（LPS），该防雷系统包括：
- 位于叶片根部处的避雷带，
- 闪电传输系统（LTS），其旨在通过第一开关电联接到机舱框架，并且通过第二开关电联接到该避雷带，
- 与该避雷带电联接的防雷导体，
- 向该叶片的有源部件馈送的电力和/或信号电缆，
- 开关单元，其包括：
- 第三开关，其能够将该电力和/或信号电缆中的至少一个电力和/或信号电缆与该闪电传输系统联接，以及
- 第四开关，其能够将该电力和/或信号电缆与轮毂框架联接，
其中，每个开关能够断开或闭合其联接，并且其中，该第三开关和该第四开关被构造成以如下方式来控制，即：在闪电活动期间，该第四开关断开并且该第三开关闭合，从而停用该有源部件，因此在闪电击中期间，所述闪电绕过轴承被引导到该机舱框架。
可选地，该开关单元的第三开关能够经由该防雷导体和/或该避雷带将该电力和/或信号电缆中的该至少一个电力和/或信号电缆与该闪电传输系统联接。
可选地，该开关单元的第四开关能够经由金属线将该电力和/或信号电缆与该轮毂框架联接。
因此，该开关单元根据逻辑算法工作：
- 当期望叶片有源部件的操作时，在无闪电活动期间，第四开关闭合，并且第三开关断开，以及
- 当不期望叶片有源部件的操作时，因此在可能的闪电活动或大气条件期间，第四开关断开，并且第三开关闭合。
例如，这可通过在该区域中具有电场仪（electric field mill）或者根据来自闪电定位系统或气象服务的数据来完成。
该基于开关的系统可选择是否该有源部件的一些或全部电力或信号电缆从轮毂馈送或者在根部处连接到LPS，也就是连接到LPS导体或避雷带。
该第三开关和第四开关可包括空气加压的、真空的或绝缘气体/空气的或者任何类似的合适高压开关。
优选地，该闪电传输系统的第一开关和第二开关相应地通过滑动接触来电联接到机舱框架或槽环和避雷带。
可替代地，该闪电传输系统的第一开关和第二开关可以是火花隙。
在上面解释的所有替代方案中，都确保了100%的闪电流被引导到机舱框架，从而绕过主轴承。
通过用火花隙来代替第三开关，该解决方案也是兼容的，并且该火花隙具有或不具有并联的高欧姆电阻器（优选地具有处于kΩ范围内的电阻）。在那种情况下，V3可用BV3来代替。该BV3应如前面所解释的来协调。
第三开关sw3的另一替代方案是安装电涌保护装置（SPD），例如氧化锌压敏电阻。该装置可在操作电压下充当断开的开关，并且在遭受如在闪电事件期间发生的高电压差时充当短路。因此，该电涌保护装置（SPD）自身的非线性性质允许将该部件用作本应用的开关。
优选地，该第四开关包括安装在叶片根部处的变压器。
在这种情况下，该变压器被用于将叶片电路与一次电路隔离，该一次电路从通常处于轮毂处的风力涡轮机电源向叶片馈送。如果“绝缘配合”得到很好的解决，则该解决方案允许同时使用两个系统。
优选地，该防雷导体包括用作有源系统的中性线电缆的引下线电缆，并且所述引下线绕过该第三开关并被直接连接到该第四开关。
在该替代方案中，上面解释的替代方案的所述代替的线与LPS引下线之间的开关或火花隙被移除，以在它们之间具有直接的电接触，并且将该LPS引下线作为有源系统的中性线。
附图说明
为了补充正在进行的描述，并且为了帮助更好地理解本发明的特征，根据本发明的实际实施例的优选示例，附上一组附图作为所述描述的组成部分，其中，以说明性和非限制性的特征呈现了以下附图：
图1图示了根据本发明的第一优选实施例的防雷系统的示意图；
图2图示了根据本发明的第一优选实施例的防雷系统的示意图，其中，第三开关被火花隙代替；
图3图示了根据本发明的第二实施例的防雷系统的示意图，其中，第四开关包括变压器；
图4图示了根据本发明的第三实施例的防雷系统的示意图，其中，相对于本发明的第一优选实施例中所示的构造，LPS导体被用作有源系统的中性线（neutral）；
图5图示了根据本发明的第三实施例的防雷系统的示意图，其中，相对于本发明的第二优选实施例中所示的构造，LPS导体被用作有源系统的中性线。
具体实施方式
具有有源部件的智能风力涡轮机叶片包括防雷系统，该防雷系统又包括：
- 位于叶片根部2处的避雷带（lightning band）1，
- 闪电传输系统3，其旨在通过第一开关11电联接到机舱框架4，并且通过第二开关12电联接到该避雷带1，
- 与该避雷带1电联接的防雷导体5，
- 向该叶片的有源部件馈送的电力和/或信号电缆6、7，
- 开关单元，其包括：
- 第三开关13，其能够将该电力和/或信号电缆6、7中的至少一个电力和/或信号电缆与该闪电传输系统3联接，以及
- 第四开关14，其能够将该电力和/或信号电缆6、7与轮毂框架8联接，
其中，每个开关11、12、13、14能够断开或闭合其联接，并且其中，该第三开关13和该第四开关14被构造成以如下方式来控制，即：在闪电活动期间，该第四开关14断开并且该第三开关13闭合，从而停用该有源部件。
该开关单元的第三开关13能够经由该防雷导体5和/或该避雷带1将该电力和/或信号电缆6、7中的该至少一个电力和/或信号电缆与该闪电传输系统3联接。
该开关单元的第四开关14能够经由金属线9、10将该电力和/或信号电缆6、7与该轮毂框架8联接。
因此，该开关单元根据逻辑算法工作：
- 当期望叶片有源部件的操作时，在无闪电活动期间，第四开关14闭合，并且第三开关13断开，以及
- 当不期望叶片有源部件的操作时，因此在可能的闪电活动或大气条件期间，第四开关14断开，并且第三开关13闭合。
在图1中所示的第一优选实施例中，闪电传输系统3借助于为滑动接触件的第一开关11和第二开关12相应地电联接到机舱框架4或槽环（gutter ring）以及避雷带1。
在这种情况下，第一开关11中的电压差V1将是该槽环或机舱框架4与闪电传输系统3与该槽环滑动接触的部分之间的阻抗。
同样，第二开关12的电压差V2将是避雷带1与闪电传输系统3与避雷带1滑动接触的部分之间的阻抗。
第三开关13的电压差V3与第三开关13当闭合时的阻抗相关。
因此，当第四开关14断开并且第三开关13闭合时，第四开关14中的击穿电压BV4将为：
BV4 > (V3+V2+V1)，这是在闪电传输系统3具有两个滑动接触件的情况下。
在该方程式中，连接线的阻抗被忽略，这是因为它们的阻抗与开关11、12、13、14相比要低得多。
在这种情况下，第四开关14当断开时将具有击穿电压BV4，以使得在开关14的两个端子之间产生电弧，例如，a1-a2或b1-b2，并且当闭合时将具有由于接触件和线引起的电压差V4。V4预期是非常低的。
同样，第三开关13当断开时具有击穿电压BV3，以使得在开关13的两个端子之间产生电弧，例如，a2-a3或b2-b3，并且当闭合时具有由于接触件和线引起的电压差V2。V2预期是非常低的。
可替代地，该闪电传输系统的第一开关11和第二开关12可以是火花隙。
在这种情况下，当第四开关14断开并且第三开关13闭合时，第四开关14中的击穿电压BV4则将为：
BV4> (V3+BV2+BV1)，这是在闪电传输系统3具有两个火花隙的情况下。
更具体而言，第一开关11的击穿电压BV1将是将在槽环（或机舱框架4）与闪电传输系统3的与其最接近的端子之间产生的电弧。
在上面解释的所有替代方案中，都确保了100%的闪电流被引导到机舱框架4，从而绕过主轴承。
如图2中所示，通过用火花隙来代替第三开关13，该解决方案也是兼容的，并且该火花隙具有或不具有并联的高欧姆电阻器（优选地具有处于kΩ范围内的电阻）。在那种情况下，V3可用BV3来代替。该BV3应如前面所解释的来协调。
第三开关13的另一替代方案是安装电涌保护装置（SPD），例如氧化锌压敏电阻。该装置可在操作电压下充当断开的开关，并且在遭受如在闪电事件期间发生的高电压差时充当短路。因此，该电涌保护装置（SPD）自身的非线性性质允许将该部件用作本应用的开关。
在图3中所示的第二优选实施例中，第四开关14包括安装在叶片根部2处的变压器。
在这种情况下，该变压器被用于将叶片电路与一次电路隔离，该一次电路从通常处于轮毂处的风力涡轮机电源向叶片馈送。如果“绝缘配合”得到很好的解决，则该解决方案允许同时使用两个系统。
在这种情况下，当闪电电涌接近叶片根部2时，该事件应找到具有最低阻抗的路径。因此，应确保：
BVt4 > (BV3+BV2+BV1)，这是在LTS具有两个火花隙的情况下。
BVt4是该变压器的初级和次级绕组之间的击穿电压，并且BV3是第三开关13的火花隙的击穿电压，并且BV2和BV1是闪电传输系统3的火花隙的击穿电压。
注意，第三开关13也可以是将仅在有源系统打开时才断开的开关。并且闪电传输系统3可在一侧或两侧中包括滑动接触件，如前所述。
在图4和图5中所示的第三优选实施例中，防雷导体5包括用作有源系统的中性线电缆（neutral cable）的闪电防护引下线电缆，并且所述引下线电缆绕过第三开关13并被直接连接到第四开关14。
在该替代方案中，上面解释的替代方案的所述代替的线与闪电防护引下线电缆之间的开关或火花隙被移除，以在它们之间具有直接的电接触，并且将该闪电防护引下线电缆作为有源系统的中性线。
Claims (9)
1.具有有源部件的智能风力涡轮机叶片，包括防雷系统，所述防雷系统又包括：
- 位于叶片根部（2）处的避雷带（1），
- 闪电传输系统（3），其旨在通过第一开关（11）电联接到机舱框架（4），并且通过第二开关（12）电联接到所述避雷带（1），
- 与所述避雷带（1）电联接的防雷导体（5），
- 向所述叶片的所述有源部件馈送的电力和/或信号电缆（6、7），
- 开关单元，其包括：
- 第三开关（13），其能够将所述电力和/或信号电缆（6、7）中的至少一个电力和/或信号电缆与所述闪电传输系统（3）联接，以及
- 第四开关（14），其能够将所述电力和/或信号电缆（6、7）与轮毂框架（8）联接，
其中，每个开关（11、12、13、14）能够断开或闭合其联接，并且其中，所述第三开关（13）和所述第四开关（14）被构造成以如下方式来控制，即：在闪电活动期间，所述第四开关（14）断开并且所述第三开关（13）闭合，从而停用所述有源部件。
2.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述闪电传输系统的所述第一开关（11）和所述第二开关（12）相应地通过滑动接触来电联接到所述机舱框架和所述避雷带。
3.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述闪电传输系统的所述第一开关和所述第二开关是相应地与所述机舱框架（4）和所述避雷带（1）联接的火花隙。
4.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述第三开关（13）和所述第四开关（14）包括空气加压的、真空的或绝缘气体/空气高压开关。
5.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述第三开关（13）是火花隙。
6.如权利要求5所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述火花隙包括并联连接的欧姆电阻器。
7.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述第三开关（13）是压敏电阻。
8.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述第四开关（14）包括安装在所述叶片根部（2）中的变压器。
9.如权利要求1所述的智能风力涡轮机叶片，其中，所述防雷导体（5）包括用作有源系统的中性线电缆的防雷引下线电缆，并且所述引下线电缆绕过所述第三开关（13）并被直接连接到所述第四开关（14）。
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