CN115836228A - 用于监测和诊断接地系统的方法和系统，旋转静电电机用于诊断的用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种诊断结构的接地系统的系统和方法，该结构包括经由接地路径导电地连接到接地的电荷收集结构，其中诊断包括监测连接到接地路径的静电电机的输出的动作。进一步公开了一种通过与静电电机结合或单独使用电压检测器来诊断接地系统的系统和方法。

Description

用于监测和诊断接地系统的方法和系统，旋转静电电机用于 诊断的用途

技术领域

本发明公开了一种诊断结构的接地系统的系统和方法，该结构包括经由接地路径导电地连接到接地的电荷收集结构，其中诊断包括监测连接到接地路径的静电电机的输出的动作。进一步公开的是，该系统可以使用任何竖立结构的框架以及静电电机和能量存储系统作为环境静电荷能量收集器。最后，公开了一种通过电压和/或电流和/或静电检测器与静电电机结合或单独地诊断接地系统的系统和方法。

背景技术

在环境条件下安装或操作的结构通常会经历电荷和静电场。结构元件收集静电荷。例如，用于储存压缩可燃气体的塔、高楼、桥梁、球体(如霍顿球体)、路灯等可能是这样的结构、物体，这些结构、物体不仅可以持续、部分地、周期性地产生静电能量，还可以收集静电能量。

这种结构会受到恶劣天气条件的影响，包括雷击。存在技术手段、系统和方法来减轻雷击对例如风力涡轮发电机的影响。存在不同类型的接地或接地装置，以保护此类结构免受损坏，并延长其寿命。

然而，接地系统的意外完全或部分断开、磨损、雷击和一般放电会改变接地系统，并且接地系统必须在整个使用寿命期间接受定期检查和维护，以保持其有效性。需要监测、诊断和提供有关接地或接地系统的实际条件或工作的信息。

与竖立结构上的感应电荷相关的静电能表示环境能量源。例如，雷击可以提供GW范围内的电力。传统的接地系统将这种感应的静电荷转移到地上，导致与静电荷相关的能量根本没有被利用。收集和储存至少一小部分环境能量(否则通过接地系统耗散)的能力将提供可管理的能量储备。竖立结构使用大量传感器作为监测系统的一部分，包括接地监测系统。

示例性结构可以是风力涡轮发电机。

雷击是云中的放电，从云到云，或从云到地球。业内人士都知道，风力涡轮机面临的最大危险是雷击造成的损坏。德国的一项研究发现，80％的风力涡轮机保险索赔是由雷击造成的。美国一个商业风电场经历的85％的停机时间被发现与雷击有关，仅在运营的第一年就花费了约25万美元。另一个例子是，北海靠近德国黑尔戈兰岛的一个大型风力发电场因雷击而损失惨重，其运营不再具有成本效益。雷击故障导致的风力涡轮机可用性和产量损失比平均故障更大。众所周知，雷击导致的故障数量会随着塔架高度的增加而增加，越来越多的研究推测，旋转风力涡轮机可能比固定结构更容易遭受雷击。鉴于涡轮机高度预计会增加，且可再生能源行业正在增长，因此故障数量可能会随之增加。

为了降低雷击损坏的可能性，在风力涡轮机结构中安装了防雷系统，以防止雷击或雷击在地球上感应的电流造成的损坏或伤害。

内置接地系统的主要目的是将大电流雷击放电安全地传导到地面。设计良好的接地系统将使结构区域之间的电压差最小化，并提供保护以防止损坏。

这些内置接地系统可防止雷击的直接和间接影响。直接影响是燃烧、爆炸、火灾和触电。间接影响是由于电气瞬变导致的控制或其他电子设备的操作不足。

接地系统采用低电阻接地路径的形式。路径从叶片顶端到涡轮底部。如果发生雷击，电流将通过防雷系统流向地面，而不是风力涡轮机中的敏感设备。为确保保护在需要时发挥作用，定期检查和测量接地路径的电阻，确保其符合涡轮机制造商规定的限值(通常限制在15-30mΩ，取决于涡轮机尺寸)。

然而，叶片会随风弯曲并承受应变等，因此磨损、雷击、一般放电以及接地系统的有意或无意完全或部分断开会改变接地系统。目前的行业惯例是，接地系统因此在其整个寿命周期内接受定期检查和维护，以保持其有效性。由于定期检查显然不足以确保永久有效的接地或接地系统，因此监测、诊断和提供有关接地或系统实际状况或工作的信息将是有利的。

已知技术包括一些相关的公开内容，包括以下内容，其中IOP Publishing在SmartMaterials and Structures 24(2015)033001下对Dongsheng Li等人的“风力涡轮机叶片损伤检测方法综述”进行了专题综述。此外，在例如专利文献中公开了更详细的方面，其中GB2463818A公开了检测风力涡轮机中的雷击电流的设备，JP2017020423A公开了用于风力涡轮机叶片的外部雷击保护系统，以及US2013336786A1公开了用于自动检查风力涡轮机发电机上的雷击保护系统的系统和方法的方面。

发明内容

其目的是改进对静电放电和事件(如雷击和接地系统的效率)的监测，并在需要检查或改进已安装结构(包括风力涡轮发电机)的正确接地或接地时提供相关信息。

本发明的目的是通过一种诊断结构的接地系统的方法来实现的，所述结构包括经由接地路径导电地连接到接地的电荷收集结构，其中诊断包括监测连接到接地路径的静电电机的输出的动作。

如将公开的，可以通过监测静电电机的效率来执行对结构的接地系统的效率的诊断或监测。这可以与由静电电机的扭矩驱动的发电机结合来完成。这些设备不仅可以监测接地系统是否连接，它们还可以监测接系统的质量/效率。此外，设备效率的监测可用于量化或检测雷击击中结构的事件。此外，所呈现的实施例中的一个或多个组合还可以用于监测电流的通过，例如，电流的通过对于安装在结构中的特定部件(例如风力涡轮发电机)的寿命至关重要，并且例如可以诊断中性电刷是否未完全连接或损坏或磨损。

本发明的一部分涉及从例如可用于电力监测系统的环境静电能量中获取能量储备。这确保了监测系统是自给自足的、自给自用的，并且能够在无人干预的情况下长期运行。这可以降低维护成本并提供经济效益。

在一个方面，静电电机的输出是传导到接地的收集电荷的函数。输出可是相关度量的函数。

这种度量可以包括静电电机的旋转速度的度量。旋转速度是一个非常简单和可靠的指示。旋转速度易于监测和通信。旋转速度可以是与校准值相比的相对测量值，或者只是与参考值相比的简单相对值。

这种度量可以是静电电机的扭矩的度量。扭矩易于监测和通信。扭矩可以是与校准值相比较的相对测量值，或者简单地是与参考值相比的相对值。

本领域技术人员将理解组合它们的度量组合。

度量可与根据标准(如接地标准或程序)测量的相应校准测量相关。

风力涡轮机防雷标准IEC 61400-24可作为参考。可使用建筑物雷击风险标准IEC61662。可使用防雷标准(接土/接地)的IEC 61024-1标准。可使用通用标准IEC 62305标准。

测量或指示可以由连接到系统的发射机转换和发送。

例如，风力涡轮机结构的传感器可以安装在任何有接地路径或接地电缆的地方(叶片、轮毂柜、舱体、方位角水平仪、截面、接地柜等)。

测量或指标可是定量的，比如“良好接地：如果接收器没有检测到电压”，则电荷或电流流向地面并被消除。“接地故障：信号不会消除到地面”，检测到测量结果，并将信号作为报警/警告信息发送。

测量可以来自静电电机，并且基于轴的转速(以RPM为单位)或轴上的扭矩。测量可以是由静电电机的转矩驱动的发电机的电压。这种测量可用于在这些收集数据的后处理中监测和量化接地系统的效率。

如果接地连接不稳定或完全丢失，指示器也可能为“接地不足”。

在一个方面中，可以存在通过发电机构件产生电力的进一步动作，该发电机装置由来自静电电机的轴或轴上的扭矩驱动。

由此，可以实现在位置处产生电力，并且可以减少或消除对进一步供电的需要。

例如，以下配置可用作风力涡轮发电机中系统的起点。静电电机可以是24VDC电机。电机可以在0-420RPM的转速范围内运行，并产生约0.5Nm的扭矩。

这种电机可以驱动在例如0-2100RPM下运行的发电机，并产生大约3W的6V。

本领域技术人员将容易地找到所需的元件作为现成的元件并进行所需的调整。

对于风力涡轮发电机，示例性设置具有1-6.5V AC的发电机输出，这也可以用作测量。该输出电压AC可以通过简单的电源管理电路被转换成可用的DC电压来为设备供电。

可以在静电电机和发电机之间插入齿轮。

在一个方面，对接地的监测由静电电机产生的电力供电。因此，监测可以是单个独立单元，其可以在结构中或附近操作。

在风力涡轮发电机中，可以例如在叶片中执行监测，并且可以无线地发送监测结果。

在一个方面，在诊断接地系统时概述的动作是防雷系统的动作，并且该结构包括风力涡轮发电机的部件。

在一个方面，该结构包括叶片，该叶片可以是风力涡轮机的转子叶片，并且监测动作包括检测雷击的动作。可存在检测静电放电的行为。可以存在它们的组合。

在一个方面，在诊断接地系统时概述的动作是防雷系统，并且该结构包括建筑物、桥梁或可燃燃料/气体储罐的部分。

本领域技术人员将能够构建基于静电电机和适于执行或执行所述动作的构件的接地诊断系统。

接地诊断系统可以被配置为诊断结构的接地系统，并且包括导电地连接到接地的电荷收集结构。接地连接可以通过接地路径。这种接地路径可以是设计的，并且包括限定优选路径的特定导体或连接。根据设计，接地路径也可以是固有的，并且是具有最小电阻的路径。接地路径也可能是故障、磨损或出现短路的结果。

本领域技术人员将认识到，运行中的风力涡轮发电机将认识到，静电能量放电的正确路径应符合安装的防雷接地系统。这意味着从叶片中的集电器绕过叶片轴承，穿过轮毂，并再次通过中性电刷将传动系旋转部分的轴承传递至接地系统。

例如，如果中性电刷连接不好或损坏，则存在静电能量和雷击穿过主轴轴承的风险，放电过程中的小火花会损坏轴承球，甚至更糟的是通过齿轮箱或发电机。

接地系统可以包括被配置为连接到接地系统的连接路径的静电电机。

可以有监测单元，被配置为监测静电电机的输出和/或监测连接到静电电机的发电机的输出。输出可以是收集的电荷、静电电势或传导到地的电荷的函数。

如前所述，输出可以是转速、扭矩等。这种输出简单、稳健，但具有指示性。

在一个方面，静电电机配置有发电构件以发电。发电构件可以是发电机或电机，其大小根据情况而定。对于风力涡轮发电机，其规格可能如概述所示。

在一个方面中，静电电机配置有发电装置以产生电力和存储元件以存储电力。发电装置可以是发电机或电机，其大小根据情况而定。存储元件例如可以是电池或超级电容器或飞轮，其尺寸根据环境而定。对于风力涡轮发电机，其规格可能如概述所示。

在一个方面，接地诊断系统进一步配置有发电构件，该发电构件单独为接地诊断设备供电。

还可以存在与发电构件相关联地操作的能量存储系统。这种能量存储系统和发电构件(例如发电机)可以包括电力管理系统。

收获的功率或能量可以用于为例如传感器节点供电，并且还可以用于为其他耗电设备供电。

上述公开的可以用作风力涡轮发电机的框架或任何安装的结构，以及静电电机和存储系统。该能量可用于为接地诊断系统或甚至整个监测系统供电，从而使此类系统能够自立和独立。

因此，系统可以被放置在被诊断结构的一个或多个位置上。可以生成和发送信号，并且可以随时灵活地执行诊断。诊断系统可以包括多个风力涡轮机叶片中的单元，每个风力涡轮机叶片将测量的输出无线传输到一个或多个中央监控单元。在这种安装中，可以监测各个叶片的接地情况，并且可以容易地检测到相对差异。单元可放置在其他位置，并通过故障检测和定位简化或启用相关参考。

测量或监测的值还可以与来自其他结构的预定值相关。作为示例，诊断系统可以安装在多个风力涡轮发电机上，并且来自一个风力涡轮发动机的测量值可以与来自一个或多个其他风力涡轮的测量值进行比较。

本领域技术人员将理解建立计算机程序产品的方面，该计算机程序产品包括使接地诊断系统执行诊断中涉及的动作的指令。

可以根据诸如与结构(例如，风力涡轮发电机)相关的标准或操作程序之类的规范来执行上述诊断或利用参考值来配置诊断系统。

可以通过监测同一风力涡轮发电机上两个叶片的测量值来完成诊断，这两个叶片同时经历完全相同的环境条件。

诊断可以通过监测来自农场中多个风力涡轮发电机的测量来完成，这些风力涡轮发电机同时经历完全相同的环境条件。

在一个方面，提供了一种诊断结构的接地系统的方法，该结构包括经由接地路径导电地连接到地的电荷收集结构，并且其中诊断包括监测连接到接地路径的电压检测器的输出的动作。

可以使用电压检测器或指示电缆中电压或静电放电通过的装置。

作为示例，可以使用测量电荷通过的Rogowski线圈、电流传感器或任何类似设备。

作为示例，电压检测器是根据电压电平周期性闪烁的非接触式电压检测器装置。这种检测器可以是母线的电压检测器，该设备适用于母线和其他设备上电压的连续指示：现成的检测器可以运行10-36kV的标称电压。

在一个方面，诊断涉及比较连接在接地路径的两个不同点处的至少两个电压检测器的输出的动作。

例如，可以使用两个电压检测器的测量值来监测风力涡轮发电机上中性电刷的状态。如果中性电刷正常且按预期工作，电压检测器一将测量放电期间的全部或最高能量，而电压检测器二则测量最近接地电缆上的电压。

如果电压检测器二测量到大部分能量或高于默认值，则系统知道中性电刷未提供与接地系统的最有效连接，并且接地已找到替代路径。

根据中性电刷或接地系统的复杂性，可根据需要安装多个电压检测器以检查放电能量的正确路径。

在一方面，存在一种具有两个电压检测器和适于执行所述动作的装置的接地诊断系统。

在诊断结构的接地系统的一个方面中，根据所概述的基于一个或多个静电电机和一个或更多个电压检测器的测量来执行诊断。

在一个方面，存在一种接地诊断系统，其具有静电电机和适于执行所概述的动作的装置，并且具有一个或多个电压检测器和适于执行如所概述的行为的装置。

通常，公开了一种确定风力涡轮发电机的接地系统的接地的方法。该方法包括涉及在电容器中积累电荷的动作，例如通过从至少一个风力涡轮机叶片收集静电荷。

在风力涡轮机叶片上的某一点处，存在以放电电荷水平或放电电压对电容器放电的行为。存在测量风力涡轮机的接地系统点处的接地电荷水平或接地电压的行为。存在根据放电电荷水平或放电电压以及接地电荷水平或接地电压来确定接地系统的接地的动作。

接地系统点可位于风力涡轮发电机(WTG)的舱体、塔架或叶片中。

如上所述，可以如所公开的那样实现旋转静电发生器或电动机。这种实现提供了额外的诊断或诊断方法。关于风力涡轮发电机，旋转静电电机的几种用途可应用于此类诊断或诊断方法。

可以使用布置在风力涡轮发电机中的旋转静电电机来诊断风力涡轮发电机的运行状况。可以有一种诊断风力涡轮发电机的操作条件的方法，该方法通过使用布置在风力涡轮发电机中的旋转静电电机来执行。

在一个方面，诊断风力涡轮发电机(WGT)的风力涡轮叶片劣化。可以有一种通过使用旋转静电电机来诊断风力涡轮发电机劣化的方法。

因此，静电电机可用于检测风力涡轮机叶片的劣化。叶片劣化或腐蚀可能是在长期运行的风力涡轮机中可能发生的前缘侵蚀类型。其他类型的更像事件的劣化可能是发生的突然损伤，可以在诊断输出中观察到“步骤”。例如，叶片表面粗糙度的增加将最终导致更高的静电荷形成，因此可以可逆地发现表面粗糙度。

在一个方面，通过将来自耦合到一个叶片的旋转静电电机的诊断输出与来自耦合到同一风力涡轮发电机上的另一叶片的另一旋转静电电机的诊断输出进行比较来执行诊断。

在一个方面中，通过将来自耦合到一个叶片的旋转静电电机的诊断输出与来自耦合到另一风力涡轮发电机的类似叶片的另一旋转静电电机的诊断输出进行比较来执行诊断。

在一个方面，通过将来自耦合到一个叶片的旋转静电电机的诊断输出与参考值进行比较来执行诊断。参考值可以来自叶片类型的叶片组。参考值可以是来自实际叶片本身的历史数据。

在一方面，可以在同一时隙中从该特定风力涡轮发电机上的一个或多个其他叶片收集数据。或者，可以在同一时隙中从同一风电场中的其他风力涡轮机的一个或多个其他叶片收集数据。

使用上述公开的实施方式，可以通过监测静电电机的速度和行为来识别诸如静电荷增加的变化。为了将其与概述的不良接地情况区分开来，需要进行小的修改，这可以通过描述例如叶片前缘侵蚀下的电机行为来实现。在一种实施方式中，诊断可用于定义机器学习算法，该算法可自我识别这些特征。算法可以通过以下一项或多项做出决策或诊断。通过将静电电机的测量输出与同一涡轮机的其他叶片中的电机的输出进行比较。通过将静电电机的测量输出与同一农场中相同类型涡轮机的其他叶片中的电机的测量结果进行比较。通过将电机的输出与参考值进行比较。

在一个方面，诊断是如上所述的风力涡轮发电机的接地系统。

在一个方面，诊断是风力涡轮发电机运行时的风速。可以有一种确定风力涡轮发电机所经历的风速的方法，该方法包括使用旋转静电电机。

叶片上产生的静电荷取决于风速，因此反过来，旋转静电电机的诊断输出可以确定风速。风速越高，电荷越高。因此，通过监测静电电机的输出，与温度、大气压力等其他因素相关，并使用合适的计算机算法，可以实现风速的计算。这可能是进一步有利和重要的，因为它允许在风速测量中实现比使用放置在风力涡轮机背面的风速计更高的精度，因为它们的测量受到尾流效应的影响。风速的测量例如可以用于改进风力涡轮机的控制。

旋转静电电机的进一步用途可以是启动或提供启动扭矩以使电机运行。这种反冲起动可以使用发电机来完成，该发电机耦合到旋转的静电电机以用于发电。通过在操作开始时暂时将发电机作为电机运行，可以为静电电机提供必要的启动转矩。发电机以这样的方式连接可能是有利的，即启动扭矩在确保电机持续运行的方向上。

启动启动扭矩或反冲启动的另一种方式可以是利用旋转叶片作用在电机上的离心力。通过这一点，可以消除对启动扭矩外部提供者的需求。在这种情况下，电机应放置在叶片中，以使离心力在电机能够维持运行的方向上施加启动扭矩。

旋转静电电机的进一步使用可以是诊断风力涡轮发电机的雷击。还可以使用旋转静电电机，其中执行诊断以区分雷击事件和电荷累积。旋转静电电机的概述输出，例如电压、转矩等，已显示出包括可与相应的雷击和静电荷相关联的独特特性。

旋转静电电机的使用可以使得雷击的诊断包括在波前、波尾或两者处访问来自旋转静电发电机的输出的特性。

因此，如所公开的在风力涡轮发电机中实现的旋转静电转子可用于量化雷击(例如雷击电流)的特性。实现这种用途后，当雷击时，电机将加速，电机的速度曲线趋向于跟随雷击的波形。因此，使用合适的计算机算法，并使用历史速度行为，可以重建波形，即波前和尾部。同时，使用电机的绝对速度值，可以估计与撞击相关的电荷。如上所述，这可用于区分正常操作下的雷击事件和静电电荷累积。测量和解释其他参数，如测量的风速、湿度，也可用于表征或诊断事件。这种分析可以在计算机算法中实现。

附图说明

将在附图中描述本发明的实施例，其中：

图1示出了具有电荷收集结构和接地路径的结构；

图2说明了带有接地诊断系统的风力涡轮发电机结构，其中电压检测器与传感器节点一起使用；

图3显示了带有接地路径的风力涡轮发电机；

图4显示了带有用于诊断接地的传感器的转子和舱体系统；

图5示出了风轮机发电机，该风轮机发电机在舱体中具有接地系统-沿着接地路径接地；

图6所示为舱体内带有接地系统的风力涡轮发电机组，其接地路径正确；

图7说明了使用静电电机和静电能量采集的地面诊断配置；

图8说明了使用静电电机的直接接地诊断的配置；

图9说明了使用电压和/或电流和/或静电检测器的直接接地诊断配置；

图10说明了使用电压和/或电流和/或静电检测器和能量采集的接地诊断配置；

图11说明了一种诊断结构接地系统的方法。

具体实施方式

图1示出了具有电荷收集结构120和接地路径122的结构1。

由于大气和结构1之间的相对运动，结构1的周围大气可通过雷击192产生电荷，或通过大气与结构1之间的相互作用产生静电电荷194。

相对运动可以是由于风或风和沙或由于具有一个或多个运动部件的结构1。

结构1具有具有接地路径122的电荷收集结构120，其中，接地路径120被设计用于结构1，使得结构1可控制地接地。接地路径122连接到接地190。

电荷可由静电放电194或雷击192产生。

然而，接地可由一个或多个不正确或缺失的接地路径128发生，这会导致电流沿着不正确的接地路径128流动。这可能会损坏设备或不可控制地产生火花，在最坏的情况下可能会引发火灾。

由于设备中的疲劳或错误，不正确的接地路径128可能发生在沿着接地路径122的任何地方。然而，任何结构1通常具有一个或多个接地路径临界过渡126，其中具有不正确接地路径128的风险更高。

接地路径临界过渡126可以是旋转元件和固定元件之间的过渡。

在图1中，接地路径122具有两个接地路径临界过渡126和两个相关的不正确的接地路径128。

结构1配备有传感器节点45，用于监测接地路径点124处的接地路径122，其是在接地路径临界过渡126中一者处；由此，传感器节点45可以确定电荷是否经由预期接地路径122接地。

传感器节点45可以是未示出的接地诊断系统100的一部分。

图2示出了具有接地诊断系统100的风力涡轮发电机(WTG)12结构1。

WTG 12是结构1，其中需要由于电荷产生而接地。

WTG 12包括塔架13、具有WTG发电机28的舱体19和经由转子14连接到叶片22A、22B和22C的WTG齿轮箱30。

结构1具有用黑色和实线示出的接地路径122。该图揭示了通过WTG发电机28和WTG齿轮箱30的两个可能的不正确(in-correct)接地路径128，这可能会对相应的设备造成损坏。

虽然没有具体公开，但叶片22A、22B、22C(其中电荷的主要部分是由于与周围大气的碰撞而产生的)易于具有正确的接地路径128。这可能是由于中性电刷的磨损而发生的，中性电刷由于涡轮运行的摩擦而随时间磨损。然而，这需要定期维护和更换(如有必要)，与此相关，正确的备件可能安装或维修不当，或者可能使用不适用于特定应用的不正确备件。

因此，叶片22A、22B、22C中的每一个都配备有传感器节点45A、45B、45C，被配置为至少监测相应的叶片22A、22B、22C是否沿着预期的接地路径122接地。

结构1还在转子14和舱体19之间的界面处具有传感器节点45、电压和/或电流和/或静电检测器130。

结构1还在塔架13和舱体19之间的界面处具有传感器节点45、电压和/或电流和/或静电检测器130。

舱体19配备有收集柜50，该收集柜50经由未示出的通信模块54与不同的传感器节点45、45A、45B、45C通信。收集柜50和传感器节点45、45A、45B、45C形成接地诊断系统100的一部分。

因此，接地诊断系统100将能够至少监测接地路径122，使得如果在叶片22A处监测到变化，则叶片22A中可能存在不正确的接地路径128。

因此，当在叶片22中产生静电(或雷击)时，它正从叶片22正确地放电。静电(或雷击)不通过轴承(WTG齿轮箱30和/或WTG发电机28等)，但静电(或雷击)必须通过遵循设计有接地路径122的接地系统100来避开轴承(WTG变速箱30和或WTG发电机28等)。

图3显示了具有接地路径的风力涡轮发电机12。

风力涡轮发电机(WTG)12是结构1。WTG 12包括塔架13、具有WTG发电机28的舱体19和经由转子14连接到叶片22的WTG齿轮箱30。

WTG 12连接到接地190。

该图公开了WTG 12的接地路径临界过渡126。接地路径临界过渡126位于WTG 12的移动部件之间的过渡处，以及与舱体19连接的WTG发电机28和WTG齿轮箱30处，因为WTG 12不通过所述部件接地是重要的。

因此当叶片22中产生的静电(或雷击)从叶片22正确地放电时，静电(或雷击)不通过轴承(WTG齿轮箱30和/或WTG发电机28等)，但是静电(或雷击)必须通过遵循设计有接地路径122的接地系统100来避开轴承(WTG变速箱30和或WTG发电机28等)。

图4显示了带有用于诊断接地的传感器45的转子14和舱体19系统。

WTG 12，结构1配备有电荷收集结构120，其中叶片22A、22B和舱体19通过塔架13连接到接地190。从叶片22到接地190的接地路径122用粗体箭头表示。

叶片22A、22B和转子14之间的过渡是接地路径临界过渡126，其中中性电刷被设计为确保正确的接地路径122。然而，中性电刷经历了大量磨损，因此随着时间的推移，容易损坏或功能下降。

这将导致接地找到另一条路线，最坏的情况是通过轴承。这种替代路径被表示为不正确接的地路径128。

由于电荷的积累，叶片22将经历静电放电194。叶片22通过接地路径122接地。

WTG 12结构1配备有接地诊断系统100，该系统监测WTG 12结构是否沿着接地路径122接地，或者系统是否沿着不正确的接地路径128接地(图4中未显示)。

接地诊断系统100包括不同类型的传感器，这取决于传感器节点45是放置在叶片22中还是放置在舱体19中。

每个叶片22配备有静电电机140，该静电电机140由静电电荷供电。静电电机140具有输出142(未示出)，其至少可以被量化，使得传感器45可以监测接地路径122。

然而，静电电机140的输出142可用于为监测接地路径122的传感器供电。在一些实施例中，静电电机140甚至可为与接地诊断系统无关的其他传感器供电，或用于为低功耗除冰系统供电。

传感器节点45可以监测静电电机140的效率，从而能够确定接地是否沿着接地路径122。

作为一个示例，如果传感器节点45测量到效率或产生的功率的突然下降，则这可能是由于接地沿着不正确的接地路径。这可能是由叶片22中的一个或多个中性电刷的断裂或损坏导致的，使得接地沿着不正确的接地路径128。

图7和8中公开了传感器节点45和静电电机140的示例。

舱体19中的两个传感器节点45可以监测来自电压检测器130或电流检测器的输出以及来自静电电机140的输出。传感器节点45可执行两个或更多个传感器输出的监测和比较。

传感器节点45包括来自静电电机140的感测输出，并且感测输出可以由传感器节点45处理，传感器节点45可以独立于电压检测器130或电流传感器。传感器节点45可以包括加速计、温度传感器或任何其他传感器。传感器节点45可以包括处理器(微控制器/微处理器)或可以实现所有计算逻辑的任何处理单元。通过从静电电机140或电压检测器130/电流传感器或任何类似的传感器获取输入以检测电荷的通过，这可以处理测量值/信息，并在必要时经由通信模块发送警报或信号，例如发送到舱体19中的收集柜50。

传感器节点45与收集柜50通信，收集柜50也配备有通信模块54。

电压检测器130可以是自供电的，其中光发射器被调整为根据电压电平而闪烁。电压电平是接地电缆效率的直接测量。这在图9中更详细地公开。

传感器节点45通过收集柜50无线或有线通信。叶片22中的传感器45通常将例如通过射频进行无线通信。

收集柜50可以具有用于执行诊断方法的装置，或者具有通过中央服务器进行通信的构件，从中央服务器可以执行诊断方法。

原则上，数据处理可以在传感器节点45中本地进行。处理可以在多个传感器节点45之间本地进行。可以在结构中的数据收集箱中进行处理，例如在风力涡轮发电机中。该处理可以在中央服务器中执行，其中数据被传送到中央服务器并被处理。

静电能量放电的正确路径根据第一张幻灯片上的箭头(安装的防雷接地系统之后)：这意味着从叶片中的集电器绕过叶片轴承，穿过轮毂，然后通过中性电刷再次绕过传动系的旋转部分到达接地系统。

如果中性电刷连接不好或损坏，则存在静电能量(和雷击)穿过主轴轴承的风险，小火花会损坏轴承球，甚至更糟的是会穿过齿轮箱或发电机并损坏这些主要部件。

使用来自两个传感器的测量值来监测中性电刷的状态是可能的，这两个传感器可以是电压检测器130、电流传感器或用于检测电荷通过的任何类似传感器。

因此，在最简单的接地诊断系统100中，只需要沿着接地路径进行两次测量。然而，由于风力涡轮发电机12的一般复杂性，接地诊断系统可以具有更多的传感器(电流传感器/电压检测器或任何类似的传感器)或传感器节点45，以将接地路径122的诊断划分为若干延伸或路径。

因此，如果传感器节点45X+1测量到比传感器节点45X更高的能量或电压，则在传感器节点45X之前存在不正确的接地路径。

图5示出了风轮机发电机12，该风轮机发电机在舱体19中具有接地系统，沿着接地路径122接地。该图应结合图6进行查看，图6显示了接地沿着不正确的接地路径128的情况。

WTG 12包括通过转子14连接到舱体19的叶片22。叶片22将用作电荷收集结构120，并且将经历雷击192和静电放电194。

接地系统100包括接地路径122，该接地路径被设计成将电荷传输到接地190，从而保护敏感设备，例如轴承、WTG齿轮箱30或WTG发电机28。

在本例中，舱体19配备有两个电压检测器130I、130II，它们位于两个不同的接地路径点124I、124II。

电压检测器130I沿着预期的接地路径122定位。

电压检测器130II沿着不正确的接地路径128定位。

两个电压检测器130I、130II都可以是非接触式电压检测器。

尽管电压检测器位于舱体19处，但它们可用于确定叶片22A、22B处的一个或多个中性电刷是否损坏或以其他方式不正常工作。中性电刷由接地路径临界过渡126A、126B表示。

在这种情况下，中性电刷按预期工作，因此电压检测器130I将在放电期间测量最高电压，而电压检测器130II将在放电过程中测量小电压或无电压。因此，U(130I)>U(130II)。

在这种情况下，损坏轴承、WTG齿轮箱30或WTG发电机28的风险被最小化。

图6示出了在舱体19中具有接地系统的WTG 12，该接地系统沿着不正确的接地路径128接地。应结合图5查看该图，图5显示了接地沿着正确接地路径122的情况。

WTG 12和接地诊断系统100与图5的WTG 12相同。

在这种情况下，一个或多个中性电刷有缺陷，并且接地不遵循临界接地过渡126A、126B上的路径。接地随后遵循另一条路径，即不正确的接地路径128。不正确的接地路径可以通过轴承、WTG齿轮箱30或WTG发电机28。

在这种情况下，电压检测器130II将在放电期间测量最高电压，而电压检测器130I将在放电过程中测量小电压或无电压。因此，U(130II)>U(130I)。

在这种情况下，损坏轴承、WTG齿轮箱30或WTG发电机28的风险很高，因为电荷穿过敏感设备。

例如如果中性电刷连接不好或损坏，则存在静电能量(和雷击)将穿过主轴轴承和损坏轴承球的小火花的风险，甚至更糟的是，静电能量将穿过齿轮箱或发电机并损坏这些主要部件。

图7示出了使用静电电机140并具有静电能量收集的地面诊断系统100的配置。

每个动力传动装置170由不同元件之间的一个或多个箭头公开。

静电电机140连接到未示出的结构1的电荷收集结构120。结构1可以是图1-6中示出的任何结构1。

静电电机140沿着电荷收集结构120的接地路径122定位，并因此连接到接地190。

静电电机140驱动连接到齿轮箱160的轴，齿轮箱160连接到发电机装置150，例如发电机152，其中发电机152产生电力。

在一些实施例中，静电电机140驱动直接连接到发电机构件150(例如发电机152)的轴，其中发电机152产生电力。

发电机构件150或发电机152连接到电源管理电路154，该电源管理电路连接到能量存储器156，例如电池或电池或电容器或超级电容器或任何类似的存储部件。

能量存储器156为传感器节点45供电。

此外，能量存储器156可以为其他耗电设备供电。这在功率有限的转子或叶片中特别有用。

传感器节点45可以监测来自静电电机140的输出142；这可以是用于电荷收集结构分类的轴的RPM测量。

这也可以是用于电荷收集结构分类的轴的扭矩测量。

电压下降会导致RPM或扭矩值降低。

传感器节点45同样可以测量齿轮箱160的输出142，齿轮箱160输出142可以是齿轮箱160轴的RPM或扭矩。

传感器节点45同样可以测量发电机构件150或发电机152的输出142，例如电压。

传感器节点45通过有线或无线与具有通信模块54的收集柜50通信，收集柜50位于结构1或舱体19中。

由此，接地诊断系统100能够在利用静电发电的同时监测来自结构1或叶片22的接地连接的质量。

地面诊断系统100将能够：

-执行雷击192的量化；

-估计雷击192强度；

-监测静电放电-接地效率；

-发电和能量存储器156；

-发电传感器节点45和其他耗电设备。

图8示出了使用静电电机140的直接接地诊断系统100的配置；

静电电机140连接到未示出的结构1的电荷收集结构120。结构1可以是图1-6中示出的任何结构1。

静电电机140沿着电荷收集结构120的接地路径122定位，并因此连接到接地190。

静电电机140可以驱动轴。

传感器节点45可以监测来自静电电机140的输出142，这可以是用于电荷收集结构分类的轴的RPM测量。

这也可以是用于电荷收集结构120分类的轴的扭矩测量。

静电荷的下降会导致转速或扭矩值降低。

传感器节点45通过有线或无线方式与具有通信模块54的收集柜50通信，收集柜50位于结构1或舱体19中，或者甚至位于任何给定位置处的结构外部。

图9示出了使用电压检测器130的直接接地诊断100的配置。电压检测器130通常位于电荷收集结构120到接地190的接地路径122附近。

电压检测器130可以定位在诸如轴承的关键结构上或附近，其中电压检测器130不应该测量电压，如果电压检测器130测量电压，这是由于不正确的接地路径128。

电压检测器130可以是非接触式电压检测器130，其根据电压电平周期性地闪烁。

电压检测器130可以是称为VKP-FF-35的检测器。

电压检测器130具有光发射器，其中光闪烁周期与电压电平相关，电压电平是接地路径效率的测量值。

然而，电压检测器130的闪烁周期即输出信号可以由传感器节点监测，并将信号无线(或有线)传输到数据收集柜。或者，可以使用目视检查摄像机来监控闪烁周期。

电压检测器130通过有线或无线与具有通信模块54的收集柜50通信，收集柜50位于结构1或舱体19中。

电压检测器130的设置可以如所公开的那样单独实现。在静电电机设置中，它可能是可选的。

图10说明了使用电压和能量采集的接地诊断配置。

该配置类似于图9中公开的配置。然而，不是使用能量使发光器闪烁，而是存储能量并用于其他目的。

电压检测器130可以与连接到地的电荷收集结构的接地路径连接，或者电压检测器130能够无线检测电压。

电压检测器130可以是被称为VKP-FF-35的检测器的修改版本。

电压检测器130连接到电源管理电路154。

功率管理电路154连接到能量存储器156。

能量存储器156可以为诸如芯片上系统(SoC)之类的其他耗电设备180供电，该设备可以包含一个或多个核心能力，例如软件、处理器/微处理器、网络、存储器、数据存储、处理等。或者，处理单元(微控制器、微处理器或任何类似单元)的任何组合都可以用于该设备。能量存储器156可以为位于转子中的其他耗电设备180供电，例如任何电力消耗电子设备或电机，例如叶片变桨电机或叶片除冰系统。

能量存储器156连接到传感器节点45，传感器节点45与具有通信模块54的收集柜50有线或无线通信。收集柜50可以位于结构1或舱体19中。

图11说明了诊断1000结构1的接地系统100的方法。

结构1的接地系统100的诊断1000方法包括电荷收集结构120，该电荷收集结构通过接地路径122导电地连接到接地190。诊断1000包括监测1100连接到接地线122的静电电机140的输出142的动作。

静电电机140的输出142是传导到接地190的收集电荷的函数；并且其中输出142是在以下各项中执行和选择的相对测量的函数：

-静电电机的旋转速度的测量；

-静电电机的扭矩测量；

或其组合；

并且相对于所执行的相应校准测量。

接地系统100可以是防雷系统102，并且结构1包括WTG 12的部分。

可选地，方法1000包括由静电电机140驱动的发电机构件150产生1200功率的另一动作。这可以如图7中所公开的那样执行。

由此，监测1100动作由发电机构件150产生的电力供电。

可选地，结构1包括叶片22，并且其中监测1100动作还包括以下动作：

-检测1300雷击192；

-检测1300静电放电194；

-或其组合。

检测1300还可以包括检测不稳定、缺失或无静电放电，这是当接地系统部分或完全断开时的情况。

在诊断1000的另一实施例中，接地系统100具有结构1，该结构包括电荷收集结构120，该电荷收集结构通过接地路径122导电地连接到地190。

其中，诊断1000涉及监测1100连接到接地路径122的电压检测器130I、130II的输出142I、142II的动作。

诊断1000可以包括比较1400连接在接地路径的两个不同点124I、124II处的至少两个电压检测器130I、130II的输出142I、142II的动作。

在另一实施例中，根据诊断1000方法的两个先前描述的实施例来执行诊断1000方法。

Claims (23)

1.诊断(1000)包括电荷收集结构(120)的结构(1)的接地系统(100)的方法，所述电荷收集结构通过接地路径(122)导电地连接到接地(190)，其中所述诊断(1000)包括监测(1100)连接到所述接地路径(122)的旋转静电电机(140)的输出(142)的动作。

2.根据权利要求1所述的方法(1000)，其中所述静电电机(140)的输出(142)是传导到接地(190)的收集电荷的函数；并且其中所述输出(142)是在以下各项中执行和选择的相对测量的函数：

所述静电电机(140)的转速的测量；

所述静电电机(140)的转矩的测量；

或其组合；

并且相对于所执行的相应校准测量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，包括进一步的动作：

通过由所述静电电机(140)驱动的发电机构件(150)产生(1200)电力。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述监测(1100)动作由所产生的电力供电。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述接地系统(100)是防雷系统(102)，并且所述结构(1)包括风力涡轮发电机(WTG)的部分。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述结构(1)包括叶片(22)，并且其中所述监测(1100)动作还包括以下动作：

检测(1300)雷击(192)

检测(1300)静电放电(194)

或其组合。

7.接地诊断系统(100)，具有静电电机(140)和适于执行权利要求1至6中的一项或多项的动作的计算机实现的构件。

8.根据权利要求7所述的接地诊断系统(100)，其中所述静电电机(140)被配置有发电构件(150)以发电。

9.根据权利要求8所述的接地诊断系统(100)，还配置有发电构件(150)，其单独为接地诊断系统(100)供电。

10.一种计算机程序产品，包括使根据权利要求7至9所述的接地诊断系统(100)执行权利要求1至6所述的方法的动作的指令。

11.诊断(1000)包括电荷收集结构(120)的结构(1)的接地系统(100)的方法，所述电荷收集结构通过接地路径(122)导电地连接到接地(190)，其中诊断(1000)包括监测(1100)连接到接地路径(122)的电压和/或电流和/或静电检测器(130I、130II)的输出(142I、142II)的动作。

12.根据权利要求11所述的方法，其中诊断(1000)包括比较(1400)连接在所述接地路径(122)的两个不同点(124I、124II)处的至少两个电压检测器(130I、130II)的输出(142I、142II)的动作。

13.接地诊断系统(100)，具有至少两个电压检测器(130I、130II)和适于执行权利要求11至12中的一项或多项所述的动作的构件。

14.一种对结构(1)的接地系统(100)进行诊断(1000)的方法，其中作为下列的函数来执行诊断(1000)：

根据权利要求1至6所述的诊断；和

根据权利要求11至12所述的诊断。

15.接地诊断系统(100)，具有静电电机(142)和适于执行权利要求1至6中的一项或多项所述动作的构件；具有至少两个电压检测器(130I、130II)和适于执行权利要求11至12中的一项或多项所述动作的构件；并且具有适于执行权利要求14所述动作的构件。

16.布置在风力涡轮发电机(WTG)中的旋转静电电机(140)来诊断(1000)所述风力涡轮发电机(WGT)的运行状态的用途。

17.根据权利要求16所述的用途，其中所述诊断(1000)是风力涡轮发电机(WGT)的风力涡轮叶片(22)的劣化。

18.根据权利要求17所述的用途，其中通过下列方式执行诊断(1000)：

将来自耦合到一个叶片(22A)的旋转静电电机(140)的诊断输出与来自耦合到同一风力涡轮发电机(WTG)上的另一叶片(22B)的另一旋转静电电机(140)的诊断输出进行比较，

将来自耦合到一个叶片(22A)的旋转静电电机(140)的诊断输出与来自耦合到另一风力涡轮发电机(WTG)的类似叶片(22B)的另一旋转静电电机(140)的诊断输出进行比较，

将来自耦合到一个叶片(22)的旋转静电电机(140)的诊断输出与参考值进行比较，或者

其组合。

19.根据权利要求16所述的用途，其中诊断(1000)是风力涡轮发电机(WTG)的接地系统(100)。

20.根据权利要求16所述的用途，其中诊断(1000)是风力涡轮发电机(WTG)运行的风速。

21.根据权利要求16所述的用途，其中诊断(1000)是风力涡轮发电机(WTG)的雷击，并使用旋转静电电机(140)执行。

22.根据权利要求16所述的用途，其中执行诊断(1000)以区分雷击事件和电荷累积。

23.根据权利要求21或22所述的用途，其中雷击的诊断包括访问旋转静电发生器在波前、波尾或两者处的输出特性。

Images