CN116195154A - 风力涡轮机防雷系统 - Google Patents

Abstract

一种风力涡轮机叶片，包括至少部分地设置在叶片的内侧部分中的防雷系统。防雷系统包括具有根部和末梢部的下行导体电缆，所述根部和末梢部具有不同电击穿电压的绝缘体。防雷系统可以包括：下行导体电缆部分和支撑部件，以将电缆部分在叶片翼型区段的脊线附近或脊线上的位置中保持在自由空间中，使得电缆部分与至少一个导电结构部件间隔开；和/或多个内侧下行导体电缆和发散电接头。

Description

风力涡轮机防雷系统

技术领域

本发明属于风力涡轮机领域，具体而言是风力涡轮机防雷系统。

背景技术

风力涡轮机可被闪电击中。典型负云对地闪电放电内的电流在1-10微秒内非常快速地上升到其峰值，然后在50-200微秒内更慢地衰减。当击中风力涡轮机的叶片时，该电流经由最低阻抗路径行进到地面。在没有任何防雷装置的情况下，该路径通常包括风力涡轮机的导电部件。通过这种部件的大电流具有对部件造成损坏的可能性。为了保护风力涡轮机的部件，已经开发了防雷系统。具有一个这样的防雷系统的风力涡轮机叶片在图3中示出。

发明内容

已经认识到，通过本发明的以下方面可以改进已知的防雷系统，其中从叶片的末梢经过的电力穿过防雷系统。在本发明的以下方面中，通过叶片的其它导电部件(诸如导电结构部件)的电力的可能性显著降低。

叶片的导电部件可以是例如包含碳纤维的翼梁帽。导电部件与在结构部件附近延伸的叶片的一个或多个下行导体之间可能存在电位差。在雷击导致下行导体中的电流的情况下，可能期望避免电力通过导电部件。可能期望避免电流附接到导电部件，因为电流可能不在通过部件的可靠或可预测路径中流动，并且可能难以模拟和预测通过导电部件的可能电流路径的影响。

本发明的第一方面提供了一种风力涡轮机叶片，包括：

根端和末梢端，在根端与末梢端之间延伸的翼展尺寸；以及内侧部分，其从根端朝向位于根端与末梢端之间的中点延伸达到翼展尺寸的50％；

防雷系统，所述防雷系统包括至少部分地设置在所述叶片的所述内侧部分内的下行导体电缆，

其中，所述下行导体电缆包括电缆第一部分和电缆第二部分，所述电缆第一部分比所述电缆第二部分更靠近所述叶片的所述根端，每个电缆部分包括具有相应电击穿电压的绝缘体，其中所述电缆第一部分的绝缘体的电击穿电压高于所述电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压。绝缘体可包括介电材料或由介电材料组成。

通过在叶片的内侧部分中提供比第二部分更靠近根端且具有较高绝缘体电击穿电压的下行导体电缆第一部分，防雷系统与叶片中的任何导电部件之间的任何相互作用被最小化。在雷击的情况下，在接近根端处这特别有效，在该根端处，下行导体电缆与叶片中的任何导电部件之间的电位差最高。

换句话说，电缆第一部分的绝缘体具有第一介电强度值，电缆第二部分的绝缘体具有第二介电强度值。第一介电强度值高于第二介电强度值。

表述“内侧部分从根端朝向位于根端和末梢端之间的中点延伸达到翼展尺寸的50％”意味着内侧部分在根端处开始并且从根部延伸到叶片上的点不超过翼展尺寸的50％。换句话说，内侧部分仅在从根部测量的叶片长度的前半部中。换句话说，内侧部分具有在叶片根部处的近端以及远端，该远端定位在距根部不超过翼展尺寸的50％处。

电缆第一部分可包括绝缘体，该绝缘体的电击穿电压比电缆第二部分绝缘体的电击穿电压高至少1.2倍，优选地高至少1.5倍，并且更优选地高至少1.6倍。

作为示例，电缆第一部分可以是电缆PT6-CU50 HV500DC，并且电缆第二部分可以是电缆PT6-CU50 HV300DC(两者均来自丹麦的PolyTech A/S)。

电缆第一部分和电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压的差异可以由以下中的一者或多者产生：厚度；材料；或形状。

翼展尺寸可以具有外侧部分，该外侧部分从末梢端到位于根端和末梢端之间的中点延伸达到翼展尺寸的50％。防雷系统可以包括设置在叶片的外侧部分中的外侧下行导体。外侧下行导体可以包括绝缘体，其具有高于电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压，并且可选地具有比电缆第一部分的绝缘体高的电击穿电压。

外侧下行导体可以包括具有比电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压高的电击穿电压的绝缘体。

风力涡轮机叶片还可包括在叶片的外表面上的导电金属箔，其中下行导体电缆：

与所述金属箔并联布置；或者

与所述金属箔串联布置。

所述下行导体电缆或所述下行导体电缆中的至少一个可以与所述叶片的至少一个导电部件间隔开。

电缆第一部分可以至少部分地与叶片的至少一个导电部件重叠。该重叠可以在叶片的翼展方向上。

至少一个导电部件可以包括结构部件。至少一个导电部件可以包括翼梁帽。翼梁帽可包括碳纤维。碳纤维可以是拉挤碳纤维。

本发明的第二方面的电缆第二部分可以至少部分地包括在本发明的第一方面的多个内侧下行导体电缆中。多个内侧下行导体电缆可以各自具有彼此不同的电击穿电压的绝缘体。下行导体电缆中的至少一个的绝缘体可以与电缆第一部分的绝缘体具有相同的电击穿电压。

内侧部分可以从根端朝向末梢端延伸达到翼展尺寸的40％；优选地从根端朝向末梢端延伸达到翼展尺寸的30％。

所述或每个电缆可以包括护套。具有电击穿电压的所述或每个电缆的相应绝缘体可以由护套提供。

本发明的第二方面提供了一种风力涡轮机叶片，包括：

根端和末梢端，在根端与末梢端之间延伸的翼展尺寸；以及内侧部分，其从根端朝向位于根端与末梢端之间的中点延伸达到翼展尺寸的50％；

至少部分地设置在内侧部分中的至少一个导电部件；以及

防雷系统，包括：

下行导体；

设置在内侧部分中的发散电接头；以及

布置在内侧部分中的、彼此电气并联布置的多个内侧下行导体电缆；

其中，所述防雷系统被配置为通过所述下行导体、通过所述发散电接头、通过所述多个内侧下行导体电缆朝向所述叶片的所述根端传导电力。

本发明的第二方面具有减小防雷系统与叶片的任何其它导电部件之间的电位差的优点。多个内侧下行导体电缆设置在发散电接头和根端之间。具体地，布置成彼此电气并联的多个内侧下行导体减少了通过每个单独的下行导体电缆的电流，并且减少了每个单独的下行导体电缆与叶片的任何其它导电部件之间的电势差。这在叶片的内侧部分中尤其有利，因为在雷击期间，电位差沿着防雷系统从叶片的末梢端朝向根端增加。

多个内侧下行导体电缆可以彼此间隔开。多个内侧下行导体电缆可以远离发散电接头而彼此间隔开。

多个内侧下行导体电缆可以包括在叶片中性轴线上或附近的至少一个下行导体电缆。

所述多个内侧下行导体电缆可以包括至少一个内侧下行导体电缆，所述至少一个内侧下行导体电缆基本上设置在所述叶片的前缘和抗剪腹板之间。替代地或另外地，多个内侧下行导体电缆可以包括至少一个内侧下行导体电缆，该至少一个内侧下行导体电缆基本上设置在叶片的后缘和抗剪腹板之间。替代地或另外地，多个内侧下行导体电缆可以包括至少一个内侧下行导体电缆，该至少一个内侧下行导体电缆基本上设置在叶片的前缘处或附近。

多个内侧下行导体电缆可以包括附接到叶片的外壳的内表面的至少一个内侧下行导体电缆。

内侧下行导体电缆中的至少一个可以以至少部分曲折的构造布置。替代地或另外地，内侧下行导体电缆中的至少一个可以被布置成基本上是直的。

多个内侧下行导体电缆可以包括至少一个内侧下行导体电缆，该至少一个内侧下行导体电缆基本上设置在叶片的抗剪腹板处或附近。

多个内侧下行导体电缆中的至少一个可穿过叶片的抗剪腹板中的孔。

多个内侧下行导体电缆可以包括至少三个下行导体电缆。

内侧部分可以从根端朝向末梢端延伸达到翼展尺寸的40％；优选地从根端朝向末梢端延伸达到翼展尺寸的30％。

下行导体的至少一部分可以包括在叶片的外表面上的导电金属箔。金属箔可以包括铝。多个内侧下行导体电缆中的至少一个可以与金属箔电气串联布置。

金属箔可以形成发散电接头，并且多个内侧下行导体电缆从金属箔朝向根端延伸。

下行导体可以包括下行导体电缆，并且发散电接头可以将下行导体电缆分成多个内侧下行导体电缆。

防雷系统可以包括设置在内侧部分中的会聚电接头。会聚电接头可电连接到多个内侧下行导体电缆。与多个内侧下行导体电缆相比，会聚电接头可以设置为更靠近叶片的根端。

会聚电接头可以设置成比导电部件更靠近叶片的根端。会聚电接头可以与导电部件间隔开。

发散电接头可以被布置成使得多个内侧下行导体电缆至少部分地与导电部件重叠。

翼展尺寸可以具有外侧部分，该外侧部分从末梢端到位于根部和末梢之间的中点延伸达到翼展尺寸的50％。防雷系统可以包括设置在叶片的外侧部分中的外侧下行导体。

外侧下行导体可以是外侧下行导体电缆。

至少一个导电部件可以是结构部件。至少一个导电部件可以包括翼梁帽。翼梁帽可包括碳纤维。碳纤维可以是拉挤碳纤维。

本发明的第三方面提供了一种风力涡轮机叶片，包括：

根端和末梢端，在根端与末梢端之间延伸的翼展尺寸；以及内侧部分，其从根端朝向位于根端与末梢端之间的中点延伸达到翼展尺寸的50％；

设置在内侧部分中的至少一个导电部件；以及

防雷系统，包括：

下行导体电缆部分，其设置在叶片的内侧部分内；以及

支撑部件，

其中，所述下行导体电缆部分通过所述支撑部件在靠近或位于所述叶片翼型区段的所述脊线上的位置中固定在自由空间中，与所述至少一个导电部件间隔开。

本发明的第三方面具有允许防雷系统与叶片的任何其它导电部件之间的距离最大化的优点，从而降低防雷系统与叶片的任何其它导电部件之间的相互作用的可能性。

下行导体电缆部分可以定位成尽可能远离叶片的任何或每个导电部件。

至少一个导电部件可以包括结构部件。至少一个导电部件可以包括翼梁帽。翼梁帽可包括碳纤维。碳纤维可以是拉挤碳纤维。

叶片可以包括两个半壳。每个半壳可以具有导电部件。下行导体电缆部分可以与两个导电部件基本上相等地间隔开。

叶片可包括至少一个抗剪腹板。下行导体电缆部分可以由支撑部件固定在自由空间中，与至少一个抗剪腹板间隔开。

支撑部件可以附接到至少一个抗剪腹板。

支撑部件可以在抗剪腹板上的至少两个位置处附接到至少一个抗剪腹板。叶片可包括至少两个抗剪腹板。支撑部件可以附接到至少两个抗剪腹板中的多于一个抗剪腹板。下行导体电缆部分可以基本上居中地设置在至少两个抗剪腹板中的一对抗剪腹板之间。

支撑部件可以是以下中的一个或多个：泡沫件；泡沫袋；支架；可选地X形支架；C形支架；Y形支架；或直梁。

下行导体电缆部分可以在翼展方向上与导电部件至少部分地重叠。

本发明的第一、第二和第三方面的特征可以彼此组合。特别地，本发明的第三方面的下行导体电缆部分可以是本发明的第二方面的多个内侧下行导体电缆中的任何一个内侧下行导体电缆的至少一部分。

本发明第一方面的风力涡轮机叶片可具有本发明第三方面的特征。本发明的第三方面的下行导体电缆部分可以是本发明的第二方面的多个内侧下行导体电缆中的至少一个。

内侧下行导体电缆中的至少一个可以与以下中的一个或多个的导电部分间隔开：传感器系统；除冰系统；防冰系统；照明系统；负载控制系统或任何其它有线系统。

附图说明

现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1示出了风力涡轮机；

图2示出了风力涡轮机叶片；

图3示出了具有已知防雷系统的叶片的布局；

图4示出了具有第一示例的防雷系统的叶片的内侧部分的一部分；

图5示出了图4的叶片的一部分的透视图；

图6示出了具有第一示例的防雷系统的叶片的内侧部分的一部分；

图7示出了穿过具有第一示例的防雷系统的叶片的横截面；

图8示出了具有第二示例的防雷系统的叶片的布局；

图9示出了具有第三示例的防雷系统的叶片的横截面；

图10至图15示出了具有第三示例的防雷系统的叶片的各种实施例的横截面；

图16示出了具有第一示例、第二示例和第三示例的叶片的一部分的透视图。

具体实施方式

在本说明书中，使用诸如根端、末梢端、内侧、外侧、翼展、前缘、后缘、翼梁帽、抗剪腹板、外壳和脊线的术语。虽然这些术语是本领域技术人员公知和理解的，但是下面给出定义以避免疑惑。

本文关于叶片端部使用的术语“根部”是指叶片的端部，叶片在该端部处附接到涡轮1的毂20。本文关于叶片端部使用的术语“末梢”是指径向最远离毂20的旋转轴线2的叶片端部。

术语“翼展”用于指从风力涡轮机叶片的根端到叶片的末梢端的尺寸或方向，反之亦然。当风力涡轮机叶片安装在风力涡轮机毂上时，风力涡轮机叶片的翼展方向和径向方向将基本相同。

术语“内侧”用于指叶片的在翼展方向上比末梢端更靠近根端的部分。术语“外侧”用于指叶片的在翼展方向上比根端更靠近末梢端的部分。

术语“前缘”用于指当叶片在风力涡轮机转子的正常旋转方向上旋转时将在叶片的前部处的叶片的边缘。

术语“后缘”用于指当叶片在风力涡轮机转子的正常旋转方向上旋转时将在叶片的后部处的风力涡轮机叶片的边缘。

叶片的弦是在垂直于叶片翼展方向的给定截面中从前缘到后缘的直线距离。

风力涡轮机叶片的压力表面(或迎风表面)是前缘和后缘之间的表面，其在使用时具有比叶片的吸力表面更高的压力。

风力涡轮机叶片的吸力表面(或背风表面)是前缘和后缘之间的表面，其在使用时将具有比压力表面的压力更低的作用于其上的压力。

风力涡轮机叶片的厚度垂直于叶片的弦测量，并且是在垂直于叶片翼展方向的给定截面中在压力表面和吸力表面之间的最大距离。

术语“翼梁帽”用于指叶片的纵向、大致翼展方向延伸的加强构件。翼梁帽可以嵌入叶片壳体中，或者可以附接到叶片壳体。叶片的迎风侧和背风侧的翼梁帽可通过延伸穿过叶片的内部中空空间的一个或多个抗剪腹板接合。叶片可在叶片的迎风侧和背风侧中的每一侧上具有多于一个翼梁帽。翼梁帽可形成叶片的纵向加强翼梁或支撑构件的一部分。特别地，第一翼梁帽和第二翼梁帽可形成在纵向方向上延伸并承载叶片的翼弦向弯曲载荷的承载结构的部分。

术语“抗剪腹板”用于指叶片的纵向、大致翼展方向延伸的加强构件，其可以将载荷从叶片的迎风侧和背风侧中的一者传递到叶片的迎风侧和背风侧中的另一者。

术语“壳体”用于指叶片的外部空气动力学结构。壳体可以设置为两个半壳，其可以通过粘合剂粘结在一起。

术语“脊线”用于指轮廓厚度分布对称叠加的线。在典型的风力涡轮机叶片中，脊线将是弯曲的。

术语“击穿电压”是导致电缆绝缘体的绝缘特性严重丧失的电压。

图1示出了风力涡轮机10，其包括塔架12和设置在塔架12的顶点处的机舱14。

转子16经由齿轮箱可操作地联接到容纳在机舱14内的发电机(未示出)。转子16包括中心毂18和从中心毂18向外突出的多个转子叶片20。虽然图1中所示的实施例具有3个叶片，但是技术人员将理解，其它数量的叶片也是可能的。

当风吹向风力涡轮机10时，叶片20产生升力，该升力使转子16旋转，这又使机舱14内的发电机产生电能。

图2示出了用于这种风力涡轮机10的风力涡轮机叶片20。风力涡轮机叶片20具有根端21和末梢端22。风力涡轮机叶片20具有前缘28和后缘29。

参考图3，风力涡轮机叶片20具有现有技术的防雷系统11。防雷系统11经由下行导体系统提供从叶片上的各种可能的雷电附着点到叶片的根端21的雷电电流路径。在根端21处，可存在导电滑环或带，其提供到风力涡轮机10的毂18和/或机舱14的电连接，但允许叶片相对于毂的俯仰旋转。毂18和/或机舱14电连接到地面以提供从叶片到地面的雷电电流路径。

防雷系统11的下行导体可以包括：末梢下行导体电缆15；刚好在叶片20的外表面的内侧的导电金属箔17；以及内侧下行导体电缆41。可以提供覆盖导电金属箔17的层，例如玻璃层。导电金属箔17可以具有网构造或者是膨胀金属箔。叶片20可具有雷电末梢接收器，诸如实心金属末梢和在末梢22附近的叶片20的表面上的多个分离的雷电接受器。实心金属末梢和分离的雷电接受器可电连接到末梢下行导体电缆15。末梢下行导体电缆15的根端可以电连接到导电金属箔17的末梢端。内侧下行导体电缆41的末梢端可以电连接到导电金属箔17的根端。内侧下行导体电缆41的根端可以在叶片的根端21处电连接到滑环。导电金属箔17可以被省略，并且下行导体可以是从叶片的根端延伸到末梢端的电缆。替代地，下行导体可以具有在叶片长度的一部分上与导电金属箔平行地延伸的下行导体电缆。

风力涡轮机叶片20具有：在根端21和末梢端22之间延伸的翼展尺寸25；以及内侧部分23，其从根端21朝向位于根端21和末梢端22之间的中点26延伸达到翼展尺寸25的50％，例如，如图2所示。内侧部分23可以从根端21朝向末梢端22延伸达到翼展尺寸的40％；优选地从根端21朝向末梢端22延伸达到翼展尺寸25的30％。叶片20还可具有外侧部分24，其从末梢端22到根端21至少延伸达到翼展尺寸25的内侧部分23。外侧部分24可以从末梢端22朝向根端21延伸达到翼展尺寸25的50％。

风力涡轮机叶片20还可包括至少一个导电部件31、32。至少一个导电部件31、32至少部分地设置在内侧部分23中。至少一个导电部件31、32可以包括结构翼梁帽。翼梁帽31、32可包括碳纤维。碳纤维可以是拉挤碳纤维。拉挤碳纤维可以沿着叶片20的一部分沿大致翼展方向延伸。可以提供第一翼梁帽和第二翼梁帽。第一翼梁帽可设置在叶片的压力侧上。第二翼梁帽可设置在叶片的吸力侧上。在第一翼梁帽和第二翼梁帽之间可延伸有一个或多个抗剪腹板。可提供一对前翼梁帽和一对后翼梁帽。每对翼梁帽可包括第一翼梁帽和第二翼梁帽，以及任选地在其间延伸的抗剪腹板。第一翼梁帽和第二翼梁帽中的每一者可集成到叶片20的壳体中。可替代地，翼梁帽可以附接到叶片20的壳体的内表面。此外替代地，一些翼梁帽可集成到壳体中，并且一些翼梁帽可附接到壳体的内表面。

图4至图7示出了防雷系统100的第一示例，其具有用于分配雷电电流以便最小化防雷系统与导电部件31、32之间的任何相互作用的发散电接头。

防雷系统100包括：下行导体110；发散电接头120和多个内侧下行导体电缆131、132、133。防雷系统100被配置为通过下行导体110、通过发散电接头120、通过多个内侧下行导体电缆131、132、133朝向叶片20的根端21传导电力。发散接头120将下行导体电缆110分成多个内侧下行导体电缆131、132、133的优点在于，通过多个内侧下行导体电缆131、132、133中的每一个的电流被减小。这减小了导电部件与任何单独的下行导体电缆131、132、133之间的电势差，并且进而降低了下行导体电缆131、132、133中的一个与导电部件之间的闪络的可能性。此外，多个内侧下行导体电缆之间的电流分布减少了这些电缆中的热积累，并且还可以允许使用较小直径的电缆。

下行导体110可以包括下行导体电缆。下行导体110可以至少部分地设置在叶片20的内侧部分23中。下行导体110可以基本上或全部地设置在叶片20的内侧部分23中。

发散电接头120可设置在叶片20的内侧部分23中。发散电接头120具有在路径内侧部分23内从末梢22移动到根端21时将来自下行导体110的电路径分成多个路径的功能。发散电接头120可以被提供为一个或多个端口，多个内侧下行导体电缆131、132、133可以连接到该一个端口或多个端口。多个内侧下连接器电缆131、132、133可各自具有末梢端，并且可各自在其末梢端处电连接到发散电接头120。多个内侧下连接器电缆131、132、133可以各自彼此靠近地连接到电接头120。多个内侧下连接器电缆131、132、133可以各自连接到电接头120，以便在其间限定锐角，使得多个内侧下连接器电缆131、132、133可以远离发散电接头120延伸并且在这样做时彼此远离地延伸。发散电接头120可以被布置成使得多个内侧下行导体电缆131、132、133与导电部件31、32至少部分地重叠。该重叠可以在叶片20的翼展方向上。

多个内侧下行导体电缆131、132、133可以彼此电气并联布置，并且可以设置在内侧部分23中。多个内侧下行导体电缆131、132、133可各自设置有导电芯和/或电绝缘护套。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以各自基本上是柔性的。多个内侧下行导体电缆131、132、133可各自彼此相同或基本相同。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以包括任何适当数量的下行导体电缆。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以包括至少三个下行导体电缆，例如图4至图7所示。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以被布置为在与叶片的抗剪腹板的翼展延伸方向基本相同的方向上延伸。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以被布置成延伸到叶片的抗剪腹板的每一侧。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以被布置成使得抗剪腹板至少部分地在多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少两个之间延伸。

多个内侧下行导体电缆131、132、133可以彼此间隔开，远离发散电接头120。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以包括在叶片中性轴线上或附近的至少一个下行导体电缆131、132、133。

多个内侧下行导体电缆131、132、133可以包括至少一个下行导体电缆131、132、133，其基本上设置在叶片20的前缘28和抗剪腹板之间，或者在叶片20的后缘29和抗剪腹板之间，或者基本上设置在叶片20的前缘28处或附近。

多个内侧下行导体电缆131、132、133可以包括附接到叶片20的外壳的内表面的至少一个下行导体电缆131，例如图7所示。下行导体电缆131、132、133中的至少一个可以布置成至少部分曲折的构造，或者布置成基本上是直的，例如图5和图6所示，其中多个内侧下行导体电缆131、133中的靠外的两个处于至少部分曲折的构造，并且内部的电缆132基本上是直的。曲折构造可配置成适应电缆所附接的任何部件的任何尺寸变化。例如，远离叶片中性轴线，叶片结构将在负载下弯曲，并且不期望将该弯曲载荷传递到下行导体电缆。通过为下行导体电缆提供曲折路径，电缆可以与这些叶片弯曲载荷隔离。相反地，在叶片的中性轴线处，下行导体电缆路径可以基本上是直的，以便节省不必要的电缆长度的成本和重量。

多个内侧下行导体电缆131、132、133可以包括至少一个下行导体电缆，其基本上设置在叶片20的抗剪腹板处或附近，例如，如图6中的内部电缆132所示。多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少一个可以附接到叶片20的抗剪腹板。该附接可以使得多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少一个被限制或防止在叶片20的弦向方向上移动。

下行导体电缆131、132、133中的至少一个可以穿过叶片20的抗剪腹板中的孔。所述孔可以被配置为具有直径，所述下行导体电缆中的所述至少一个可以穿过所述直径。孔的面积可以对应于穿过其中的电缆的横截面面积，例如以便在电缆和抗剪腹板之间提供间隙配合。抗剪腹板可以具有高度(在叶片厚度方向上)，并且孔可以沿着抗剪腹板的高度设置在中间位置处。

防雷系统100可包括设置在叶片20的外侧部分24中的外侧下行导体110。外侧下行导体110可以与关于图3描述的或在图3中示出的下行导体中的任一个相同或基本相同。

风力涡轮机叶片20还可包括在叶片20的外表面上的导电金属外部箔17。金属箔17可以围绕叶片的外部延伸，以便覆盖叶片20的壳体的外表面。金属箔可以仅沿着叶片20的翼展的一部分延伸。金属箔17可以布置成位于叶片20的内侧部分23和外侧部分24两者中。金属箔17可以大部分设置在叶片20的外侧部分24中。金属箔17可以是弯曲金属片。金属箔17可以是基本上截头圆锥形的形状。

多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少一个可以：

与金属箔17电气并联布置；或者

与金属箔17电气串联布置。

在多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少一个与金属箔17电气串联布置的情况下，下行导体电缆131、132、133可以附接到金属箔17。该附接可以直接实现和/或可以通过附接部件实现。

外部箔17可以是发散电接头120。例如，多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少两个可以附接到外部箔17，例如在外部箔17的根端处。

防雷系统100可以包括设置在内侧部分23中的会聚电接头140，其电连接到多个内侧下行导体电缆131、132、133。与多个内侧下行导体电缆131、132、133相比，会聚电接头140可以设置为更靠近叶片20的根端21。当路径在内侧部分23内朝向根端21移动时，会聚电接头140具有将来自多个内侧下行导体电缆131、132、133的电路径汇合成较少路径的功能，优选为单个路径。

会聚电接头140可以设置成比导电部件31、32更靠近叶片20的根端21。在比导电部件31、32更靠近叶片20的根端21的位置处，在下行导体电缆和导电部件之间存在显著降低的闪络风险。例如，导电部件可以终止于比会聚电接头140更远的翼展方向距离处。在会聚电接头140的内侧，多个导体电缆131、132、133可以被放到一起以在单个或减少数量的下行导体部件或电缆中形成单个或减少数量的电流流动路径。

会聚电接头140可以与导电部件31、32间隔开。会聚电接头140可以固定就位，以便保持在远离导电部件31、32的位置。会聚电接头140的形状、尺寸、材料和/或构造可以与发散电接头120基本相同。会聚电接头140可以布置成基本上是发散电接头120的镜像反射。会聚电接头140和附接的下行导体电缆131、132、133可以布置成基本上是发散电接头120和附接的下行导体电缆131、132、133的镜像反射。

图8示出了具有防雷系统的叶片的第二示例，其中电缆的部分具有不同的电绝缘等级，即不同的电击穿电压。这允许电缆的部分更靠近导电部件31、32布线和/或防止在防雷系统和导电部件之间闪络。

图8中的防雷系统包括至少部分地设置在叶片20的内侧部分23的内侧的下行导体电缆230。下行导体电缆230可以基本上或全部地设置在叶片20的内侧部分23的内侧。下行导体电缆230可以延伸到叶片20的根端21，或者电连接到延伸到叶片20的根端21的导电部件，例如电缆。

下行导体电缆230包括电缆第一部分231和电缆第二部分232。电缆第一部分231比电缆第二部分232更靠近叶片20的根端21。第一电缆部分231和第二电缆部分232都可以设置在叶片20的内侧部分23中。每个电缆部分231、232具有绝缘体，该绝缘体具有电击穿电压。第一部分231的绝缘体的电缆电击穿电压高于电缆第二部分232的绝缘体的电击穿电压。接近叶片22的根端21，任何下行导体电缆与任何导电部件31、32之间的电势差趋于增加。进而，从下行导体电缆到导电部件31、32的闪络的可能性增加。通过提供具有在叶片20的根端21处具有较高的电击穿电压的绝缘体的第一部分，在电位差最高的位置处显著减轻闪络的风险。通过提供具有比第二部分更高的电击穿电压的第一部分231，在电位差最高的情况下提高闪络抑制。

电缆第二部分232可以在叶片20的翼展方向上至少部分地与叶片的至少一个导电部件31、32重叠。电缆第一部分231可以在叶片20的翼展方向上至少部分地与叶片的至少一个导电部件31、32重叠。

电缆第一部分231和电缆第二部分232之间的电击穿电压的差异可以由以下中的一者或多者产生：厚度；材料；或围绕导体的绝缘体的形状。

可提供电缆第三部分236，其设置成比电缆第一部分231更靠近叶片20的根端21，并且电连接到电缆第一部分231。电缆第三部分236可以具有绝缘体，该绝缘体具有低于电缆第一部分231的绝缘体的电击穿电压的电击穿电压。电缆第三部分的绝缘体的电击穿电压可以与电缆第二部分232的绝缘体的电击穿电压相同。电缆第三部分236可以设置成比叶片20的一个或多个导电部件31、32更靠近叶片20的根端21。电缆第三部分236可以在翼展方向上与叶片20的一个或多个导电部件31、32间隔开。

防雷系统200可以包括设置在叶片20的外侧部分24中的外侧下行导体210，外侧下行导体210的绝缘体具有比电缆第二部分232更高的击穿电压。外侧下行导体210可以是外侧下行导体电缆。外侧下行导体210的绝缘体具有高于电缆第一部分231的绝缘体的击穿电压。这具有防止雷电直接附接到外侧下行导体210的优点。这为电流提供了更可靠的路径，其不会避开导电固体金属末梢22或叶片20的其它雷电接受器。相反，雷电将附接到叶片20的末梢22或其它雷电接受器，并且电流然后将穿过外侧下行导体210。

下行导体电缆210、下行导体电缆230中的至少一个可以与叶片20的至少一个导电部件31、32间隔开。

风力涡轮机叶片20还可包括如前所述的导电金属箔17。下行导体电缆210可以如前所述相对于金属箔17布置。

至少一个导电部件31、32可包括翼梁帽，其可如前所述构造。

所述或每个电缆210、230可以包括导电芯和/或电绝缘护套。相应的电缆绝缘体的电击穿电压可以由护套提供。护套可以是层、涂层和/或管形形状。

下行导体电缆230可以以至少部分曲折的构造布置，例如图8所示。

图9至图15示出了第三示例，其中可以最大化下行导体电缆和任何导电部件之间的距离。

风力涡轮机叶片20包括至少一个导电部件31、32和防雷系统300。至少一个导电部件31、32至少部分地设置在内侧部分23中。

防雷系统300包括下行导体电缆部分330和支撑部件340。

下行导体电缆部分330设置在叶片20的内侧部分23的内侧。下行导体电缆部分330由支撑部件340固定并悬挂在自由空间中，在叶片翼型区段的脊线附近或脊线上的位置，例如，如图9所示，与至少一个导电部件31、32间隔开。如图9中的箭头所示，下行导体电缆部分330可以在距每个导电部件31、32的最大距离处被固定并悬挂在自由空间中。

如本领域技术人员将理解的，本文使用的术语“自由空间”是指叶片20内的空间，该空间被下行导体电缆部分330和支撑部件340占据，该空间未被叶片20的另一部件占据。特别地，自由空间未被叶片20的任何结构部件占据。例如，容纳抗剪腹板的空间不是自由空间。两个抗剪腹板(或抗剪腹板和叶片的边缘)之间的空间可以是自由空间。

利用叶片20内的自由空间来容纳下行导体电缆部分330的优点在于，下行导体电缆部分330与任何导电部件31、32之间的距离可以最大化。通过增加下行导体电缆部分330与任何导电部件之间的距离，可以消除下行导体电缆部分330与任何导电部件之间的闪络风险。

下行导体电缆部分330可以在翼展方向上与至少一个导电部件31、32至少部分地重叠。至少一个导电部件31、32可包括翼梁帽，其可如前所述构造。

叶片20可包括如前所述的外壳结构。在两个半壳的情况下，每个半壳可以具有导电部件。下行导体电缆部分330可以与导电部件31、32两者基本上相等地间隔开。半壳可以单独制造，然后在制造期间接合在一起，或者两个半壳可以一起制造作为单个壳体。

叶片20可包括至少一个抗剪腹板。下行导体电缆部分340可以通过与至少一个抗剪腹板间隔开的支撑部件340固定在自由空间中。支撑部件340可以附接到至少一个抗剪腹板或至少一个壳体。支撑部件340可以在抗剪腹板上的至少两个位置处附接到至少一个抗剪腹板，例如图10、图14和图15所示。叶片20可包括至少两个抗剪腹板。支撑部件340可附接到至少两个抗剪腹板中的一个以上抗剪腹板，例如图10所示。下行导体电缆部分330可以基本上居中地设置在至少两个抗剪腹板中的一对抗剪腹板之间，例如图9和图10所示。

支撑部件340可以是以下中的一个或多个：泡沫件；泡沫袋；支架；可选地X形支架；C形支架；Y形支架；直梁或绳索等。支撑部件可以是不导电的，使得其不损害下行导体系统。支撑部件还可以被设计成阻尼电缆中的振动，使得电缆上的负载减小。

如图10所示，下行导体电缆部分330可以通过具有多个支柱341、342、343、344的支撑部件340被保持在适当位置。多个支柱可以包括附接到第一抗剪腹板的第一支柱341和/或附接到第二抗剪腹板的第二支柱343。支撑部件340可以包括附接到多个抗剪腹板的多个支柱，例如附接到第一抗剪腹板的两个支柱341、342和/或附接到第二抗剪腹板的两个支柱343、344。附接到第一抗剪腹板的支柱341、342可以分别附接在第一抗剪腹板的压力侧端和吸力侧端处。同样，附接到第二抗剪腹板的支柱343、344可以分别附接到第二抗剪腹板的压力侧端和吸力侧端。支柱341、342、343、344可以被布置成朝向中心点延伸，在该中心点处设置有下行导体电缆部分330。支柱341、342、343、344可以在横截面中限定十字形，并且可以是例如X形支架。支柱341、342、343、344可以固定地附接到中心支撑部件345。中心支撑部件345可以固定地附接到下行导体部分330的至少一部分，和/或用作附接到下行导体部分330的至少一部分的壳体。中心支撑部件345可以限定环形形状和/或基本上是圆柱形的。

如图11所示，下行导体电缆部分330可以通过具有多个零件346、347的支撑部件340被保持在适当位置。多个零件346、347可以将下行导体电缆部分330固定在叶片20的前缘28和后缘29之间。多个零件346、347可以将下行导体电缆部分330固定为在多个零件346、347之间处于压缩中。可以提供附加的附接装置，诸如附接部件、支架或粘合剂。附加附接装置可以将下行导体电缆部分330固定到多个零件346、367中的至少一个，和/或将多个零件346、347中的至少一个固定到叶片20的吸力侧51或压力侧52。多个零件346、347可以是基本上实心的和/或楔形的。多个零件346、347可以填充叶片20中的至少两个抗剪腹板之间的空间的至少一半。多个零件346、367可以基本上填充至少两个抗剪腹板之间的空间。多个零件346、347可以是可弹性压缩的。多个零件346、347可以包括泡沫或由泡沫组成。每个泡沫件346可以布置成接触叶片20的吸力侧51或压力侧52。多个零件346中的一个可以被布置成接触和/或附接到叶片20的吸力侧51。多个零件347中的另一个可以被布置成接触和/或附接到叶片20的压力侧52。多个零件346、347可以布置成不支承在叶片20的任何抗剪腹板上或接触叶片20的任何抗剪腹板。泡沫零件346、347可以在其间限定孔，其中下行导体电缆部分330可以被设置或固定在该孔中。

如在图12和13中所示，下行导体电缆部分330可以由作为袋348提供的支撑部件340保持在适当位置。袋348可以是可充气的。在图12中示出了袋348的实施例的部分膨胀视图，并且在图13中示出了图12的袋348的完全膨胀视图。袋348可以设置有孔，该孔可以是中心孔，该孔中可以设置下行导体电缆部分330。袋348可以至少基本上填充叶片20中的自由空间，例如图13所示。在膨胀状态下，袋348可以支承抵靠叶片20的吸力侧51和/或压力侧52。在膨胀状态下，袋348可以支承抵靠至少一个抗剪腹板。袋348可以设置在两个抗剪腹板之间，并且可以在膨胀状态下支承抵靠两个抗剪腹板。袋348可支承抵靠叶片20的吸力侧51、压力侧52、第一抗剪腹板和第二抗剪腹板中的全部的至少一部分。袋348在其膨胀状态下可以被弹性地压缩。袋348可填充有固化或可固化材料，例如聚合物材料。袋348可以是泡沫袋。

如图14所示，下行导体电缆部分330可以通过支架349被保持在适当位置。支架349可附接到抗剪腹板。可提供前导抗剪腹板和后抗剪腹板。支架349可附接到后抗剪腹板。支架349可以至少部分地朝向叶片20的后缘29延伸。支架349可以是可弹性压缩的。支架349可以是基本上C形的。支架349可附接到中心支撑部件345。中心支撑部件345可以固定地附接到下行导体部分330的至少一部分，和/或用作附接到下行导体部分330的至少一部分的壳体。中心支撑部件345可以限定环形形状和/或基本上是圆柱形的。

如图15所示，下行导体电缆部分330可以通过支架350被保持在适当位置。支架350可附接到抗剪腹板。可提供前导抗剪腹板和后抗剪腹板。支架350可附接到前抗剪腹板。支架350可以至少部分地朝向叶片20的前缘28延伸。支架350可以是可弹性压缩的。支架350可以是大致Y形的。支架350可附接到中心支撑部件345。中心支撑部件345可以固定地附接到下行导体部分330的至少一部分，和/或用作附接到下行导体部分330的至少一部分的壳体。中心支撑部件345可以限定环形形状和/或基本上是圆柱形的。支架350可包括多个支柱351、352、353。多个支柱351、352、353可以附接到中央支撑部件350和/或从中央支撑部件350延伸。中心支撑部件可以设置在叶片的前缘28和抗剪腹板之间，抗剪腹板可以是前抗剪腹板。多个支柱351、352、353中的第一支柱351可以附接到抗剪腹板的吸力侧端51和/或从该吸力侧端延伸，所述抗剪腹板可以是前抗剪腹板。多个支柱351、352、353中的第二支柱352可附接到抗剪腹板的压力侧端52和/或从该压力侧端延伸，该抗剪腹板可以是前抗剪腹板。多个支柱351、352、353中的第三支柱353可附接到叶片20的前缘28和/或从叶片20的前缘28延伸。

如本领域技术人员将理解的，以上示例中的每一个的各种特征以及所描述的示例中的任一个或全部可以被组合。图16示出了具有上述三个示例中的每一个的特征的示例。

在图16中，下行导体133可以通过至少一个浮动导体悬架支柱而被固定在叶片壳体内的自由空间中。可提供呈至少一个或多个浮动导体悬架支柱形式的至少一个支撑构件240，其可支撑下行导体133。下行导体133可以附接到悬架支柱，和/或穿过悬架支柱中的至少一个孔。每个悬架支柱可以设置有孔，该孔的尺寸被设计为使下行导体133穿过该孔。所述或每个孔可以居中地设置在相应的悬架支柱上。每个孔可以与至少一个其它孔对准，或者它们可以全部基本上对准，使得下行导体可以保持在基本上笔直的位置。所述或每个悬架支柱可以被配置为桥接多个抗剪腹板，例如两个抗剪腹板。所述或每个悬架支柱可以附接到至少两个抗剪腹板。所述或每个悬架支柱可以是基本上细长的、矩形的和/或平面的。

参考图16，多个内侧下行导体电缆131、132、133中的每一个可以各自具有电击穿电压彼此不同的绝缘体。例如，设置在叶片20的前缘28处的下行导体电缆131可以具有比设置为更靠近抗剪腹板并且因而更靠近叶片20的导电部件31、32的下行导体电缆132、下行导体电缆132中的至少一个或每个更低的电击穿电压。在图16中所示的叶片部分的外侧端，可以设置下行导体110，其具有比进一步向内侧设置的下行导体部分更低的电击穿电压，因此受益于第二示例的优点。在电缆的电击穿电压中的一个或多个较低时，可以实现成本降低和/或质量降低。

第一示例的风力涡轮机叶片20可以包括第二示例的任何或所有特征。

第二示例的电缆第二部分232可以至少部分地包括在第一示例的多个内侧下行导体电缆130中的一个或多个中。多个内侧下行导体电缆131、132、133可以具有电击穿电压彼此不同的绝缘体。下行导体电缆131、132、133中的至少一个可以具有电击穿电压与电缆第一部分231的绝缘体的电击穿电压相同的绝缘体。

第三示例的下行导体电缆部分330可以是第一示例的下行导体电缆110的至少一部分或多个内侧下行导体电缆131、132、133中的任何一个。第三示例的下行导体电缆部分330可以是风力涡轮机叶片20的任何其它下行导体电缆。

第三示例的下行导体电缆部分330可以是第一示例的多个内侧下行导体电缆131、132、133中的至少一个。

第一示例、第二示例和第三示例中的任一个的下行导体电缆中的至少一个可以与以下中的一者或多者的导电部分间隔开：传感器系统；除冰系统；照明系统；负载控制系统。

在本公开中，术语“电缆”还包括导电带、条和编织物。

尽管上面已经参考一个或多个优选实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以进行各种改变或修改。

尽管在一些附图中示出了涉及两个翼梁帽和腹板的叶片构造，但是本领域技术人员将理解，示例可在其它叶片结构中实施。

尽管关于第一示例描述了具有三个下行导体电缆的示例，但是多个内侧下行导体电缆131、132、133可以仅包括两个下行导体电缆、四个、五个或任何适当的数量。

尽管描述了具有用于接合多个内侧下行导体电缆131、132、133中的一个或多个的会聚电接头140的示例，但是作为替代方案，多个内侧下行导体电缆中的至少两个或全部可以直接或间接地接合到叶片20的根端21处的滑动带。

尽管已经描述了导电部件31、32包括翼梁帽的示例，但是导电部件可以是叶片中的其它导电部件，诸如具有电线的任何系统。上述示例将保护这些导电特征免受雷电电流的影响。

Claims (14)

1.一种风力涡轮机叶片(20)，包括：

根端(21)和末梢端(22)，在所述根端与所述末梢端之间延伸的翼展尺寸(25)；以及内侧部分(23)，所述内侧部分从所述根端朝向位于所述根端与所述末梢端之间的中点延伸达到所述翼展尺寸的50％；

防雷系统(200)，所述防雷系统包括至少部分地设置在所述叶片的所述内侧部分(23)内侧的下行导体电缆(230)，

其中，所述下行导体电缆包括电缆第一部分(231)和电缆第二部分(232)，所述电缆第一部分比所述电缆第二部分更靠近所述叶片的所述根端(21)，每个电缆部分包括具有相应电击穿电压的绝缘体，其中所述电缆第一部分的绝缘体的电击穿电压高于所述电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压。

2.根据权利要求1所述的风力涡轮机叶片，其中，所述电缆第一部分包括的绝缘体的电击穿电压比所述电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压高至少1.2倍，优选地高至少1.5倍，并且更优选地高至少1.6倍。

3.根据权利要求1或2所述的风力涡轮机叶片，其中，所述翼展尺寸具有外侧部分，所述外侧部分从所述末梢端到位于所述根端与所述末梢端之间的中点延伸达到所述翼展尺寸的50％，其中所述防雷系统包括设置在所述叶片的所述外侧部分中的外侧下行导体，所述外侧下行导体具有电击穿电压比所述电缆第二部分高的绝缘体，并且可选地具有电击穿电压比所述电缆第一部分高的绝缘体。

4.根据权利要求3所述的风力涡轮机叶片，其中，所述外侧下行导体包括电击穿电压比所述电缆第二部分的绝缘体电击穿电压高的绝缘体。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述下行导体电缆中的所述下行导体电缆或所述下行导体电缆中的至少一个下行导体电缆与所述叶片的至少一个导电部件间隔开。

6.根据权利要求5所述的风力涡轮机叶片，其中，所述电缆第一部分在所述叶片的翼展方向上至少部分地与所述叶片的所述至少一个导电部件重叠。

7.根据权利要求5或6所述的风力涡轮机叶片，其中，所述至少一个导电部件是包括翼梁帽的结构部件，可选地其中，所述翼梁帽包括碳纤维，可选地其中，所述碳纤维是拉挤碳纤维。

8.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片还包括设置在所述内侧部分中的至少一个导电部件，并且其中，所述防雷系统还包括：

下行导体；

设置在所述内侧部分中的发散电接头；以及

布置在所述内侧部分中的彼此电气并联布置的多个内侧下行导体电缆；

其中，所述防雷系统被配置为通过所述下行导体、通过所述发散电接头、通过所述多个内侧下行导体电缆朝向所述叶片的所述根端传导电力。

9.根据权利要求8所述的风力涡轮机叶片，其中，任一前述权利要求的所述电缆第二部分被至少部分地包括在所述下行导体中和/或所述多个内侧下行导体电缆中的至少一个内侧下行导体电缆中。

10.根据权利要求8或9所述的风力涡轮机叶片，其中，所述多个内侧下行导体电缆具有电击穿电压彼此不同的绝缘体。

11.根据权利要求10所述的风力涡轮机叶片，其中，所述多个内侧下行导体电缆中的至少一个具有电击穿电压与所述电缆第二部分的绝缘体的电击穿电压相同的绝缘体。

12.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，所述风力涡轮机叶片还包括设置在所述内侧部分中的至少一个导电部件，并且其中，所述防雷系统还包括支撑部件，

其中，所述下行导体电缆包括通过所述支撑部件在叶片翼型区段的脊线附近或所述脊线上的位置处固定在自由空间中的部分，所述部分与所述至少一个导电部件间隔开。

13.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述内侧部分从所述根端朝向所述末梢端延伸达到所述翼展尺寸的40％；优选地从所述根端朝向所述末梢端延伸达到所述翼展尺寸的30％。

14.根据前述权利要求中任一项所述的风力涡轮机叶片，其中，所述下行导体电缆中的至少一个与以下中的一者或多者的导电部分间隔开：传感器系统；除冰系统；防冰系统；照明系统；负载控制系统。

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