CN116745545A

CN116745545A - 开关设备组件

Info

Publication number: CN116745545A
Application number: CN202180086558.4A
Authority: CN
Inventors: C·雷达萨尼; R·米恩吉亚蒂; S·罗马尼; E·埃里克
Original assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Co ltd
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2023-09-12
Also published as: US20240055839A1; EP4020727A1; KR20230113338A; EP4268334A1; WO2022136391A1

Abstract

一种用于风力涡轮机的开关设备组件(1)包括电气开关设备(5)和支承电气开关设备(5)的支承结构(6)，其中，支承结构(6)包括阻尼装置(12)，该阻尼装置用于阻尼由于在风力涡轮机的机械部件的操作期间的振动而引起的机械冲击。开关设备组件(1)可以用于海上风力涡轮机中。

Description

开关设备组件

技术领域

本发明涉及包括电气开关设备和支承结构的开关设备组件。电气开关设备可以是充气式开关设备，并且可以在例如海上风力涡轮机中使用。

背景技术

专利文献US 9,297,362 B2和US 5,578,805 A中的每一者公开了一种充气式电气开关设备。

在电气开关设备从组装现场经由路运和海运被运输到操作现场期间，可能会在各个方向上产生机械冲击、比如振动和震动脉冲。当在风力涡轮机中使用电气开关设备时，电气开关设备通常已经在其在涡轮机中的最终位置处固定至涡轮机的一部分的地板上。严重的机械冲击可能导致开关设备的部件的机械损坏，比如载流部件的变形和介电间隙的减小。此外，在操作期间，由于海浪或强风造成的严重的机械冲击还可能导致电气开关设备的机械损坏或误跳闸。除此之外，在操作期间误跳闸还可能由于开关设备的电动马达或其他部件的机械振动而发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机、比如海上风力涡轮机的改善的开关设备组件、以及用于电气开关设备的阻尼装置。

根据本发明的第一方面，一种开关设备组件包括电气开关设备和支承电气开关设备的支承结构。支承结构包括用于阻尼机械冲击的阻尼装置。

电气开关设备可以是高电压开关设备、即额定电压高于52kV的开关设备。电气开关设备可以是充气式开关设备。开关设备例如可以被配置成用于风力涡轮机、比如海上风力涡轮机。

阻尼装置可以构造成用于阻尼由于风力涡轮机的机械部件在操作期间的间歇振动或持续振动而产生的机械冲击。作为示例，这样的机械部件可以是可以用于断路器的操作的马达。作为另一示例，这样的机械部件可以是风力涡轮机的转子，该转子可能在其旋转期间导致持续振动。

在风力涡轮机的正常操作期间产生的振动的特征可以在于一个或多个特定频率和/或振幅。作为示例，特定频率可以在1Hz至200Hz的范围内。更具体地，这样的频率可以在40Hz至200Hz的范围内、或者在40Hz至80Hz的范围内。一般情况下，正常操作期间产生的振动的频率可能大于由于无意的和/或极端的外部冲击(比如地震或者设备的运输或安装期间的无意的震动)所引起的频率。正常操作期间产生的振动的幅度通常可能小于由于地震或者设备的运输或安装期间的无意的震动所引起的幅度。

阻尼装置可以构造成用于阻尼在设备的正常操作期间的间歇振动或持续振动的频率和/或振幅。因此，该阻尼装置可能不太适合于阻尼在地震期间发生的震动或其他极端外部冲击。

在一实施方式中，开关设备组件可以包括阻尼装置和另外的阻尼装置。作为示例，该阻尼装置可以构造成用于阻尼在设备的正常操作期间的间歇振动或持续振动的频率和/或振幅。另外的阻尼装置可以构造成用于阻尼在地震期间发生的震动或者其他不期望的无意的外部冲击、比如在设备的运输或安装期间的震动。作为示例，另外的阻尼装置可以构造成用于阻尼低于40Hz的频率和阻尼较高振幅的振动。

阻尼装置可以构造成用于阻尼来自一个特定方向的振动、例如来自安装侧的地板的振动。另外的阻尼装置可以构造成用于阻尼来自多个方向的振动。

另外的阻尼装置可以安装在开关设备的不同位置处。作为示例，另外的阻尼装置可以安装在开关设备支承结构或壳体的底部、侧部或顶部处。多个另外的阻尼装置可以安装在多个位置处。另外的阻尼装置可以构造为例如减震器。减震器可以是机械减震器。

支承结构可以承载开关设备的全部重量。由支承结构支承的开关设备组件的电气开关设备和其他部件可以具有数吨的重量。

支承结构可以包括刚性支承件，开关设备可以直接固定至该刚性支承件。支承结构可以包括用于将开关设备组件在其安装位置处安装在地板上的安装表面。地板例如可以是风力涡轮机塔架的地板。支承结构还可以用于将开关设备组件牢固地固定至地板。作为示例，支承结构可以通过螺栓固定至地板。阻尼装置可以位于刚性支承件下方并且可以提供安装表面。

阻尼装置可以包括至少一个螺旋线圈。螺旋线圈是可弹性变形的，并且阻尼机械冲击。螺旋线圈可以被设计为使其阻尼来自竖向方向、横向方向和纵向方向的机械冲击。因此，螺旋线圈能够在所有三个方向上充分地弹性变形。螺旋线圈可以由例如不锈钢制成。

阻尼装置可以包括位于支承结构的不同位置处的多个螺旋线圈。螺旋线圈可以位于支承结构的角部处。作为示例，阻尼装置包括位于支承结构的四个角部处的四个螺旋线圈。

螺旋线圈可以定位成使得纵向轴线平行于支承结构的安装表面延伸。螺旋线圈的这种取向确保了可以承受开关设备的重量，并且可以确保在所有三个方向上有充分的阻尼。线圈的几何形状、比如外部尺寸和节距可以根据开关设备的重量和质量的分布以及在空间方向上所需的阻尼进行优化。

在一实施方式中，阻尼装置包括至少一个稳定器，其中，螺旋线圈被引导穿过稳定器。稳定器可以具有杆的形状。稳定器可以封围线圈的限定的成角度部段(angularsection)。

稳定器可以通过直接连接线圈的相邻的匝来增强线圈的稳定性。此外，稳定器可以提供用于将开关设备的重量均匀地分布在螺旋线圈上的平面表面。稳定器还可以确保将螺旋线圈牢固地固定至开关设备。

阻尼装置可以具有多个稳定器，其中，螺旋线圈被引导穿过多个稳定器。作为示例，线圈可以被引导穿过位于螺旋线圈的相对的成角度部段处的两个稳定器。作为示例，螺旋线圈可以被引导穿过面向支承结构的刚性支承件的第一稳定器。螺旋线圈可以被引导穿过第二稳定器，第二稳定器位于线圈的面向开关设备组件安装表面的部段处。

根据本发明的另一方面，一种风力涡轮机包括开关设备组件。该开关设备组件包括电气开关设备和支承电气开关设备的支承结构，其中，支承结构包括用于阻尼机械冲击的阻尼装置。开关设备组件可以具有前述开关设备组件的任何结构和功能特征。

作为示例，开关设备组件可以固定至风力涡轮机的塔架的地板。风力涡轮机可以是海上风力涡轮机。

根据本发明的另一方面，公开了一种用于支承电气开关设备和阻尼机械冲击的阻尼装置。该阻尼装置包括至少一个螺旋线圈，其中，螺旋线圈的纵向轴线平行于阻尼装置的安装表面延伸。阻尼装置可以具有如上所述的任何结构和功能特征。

作为示例，阻尼装置可以是支承结构的一部分。支承结构可以包括供固定开关设备的刚性支承件，其中，该刚性支承件定位在阻尼装置上。

根据本发明的另一方面，公开了一种阻尼装置的用于支承电气开关设备和阻尼机械冲击的用途。该阻尼装置和开关设备可以具有如上所述的任何结构和功能特征。

作为示例，阻尼装置可以用于例如海上风力涡轮机的开关设备组件中。

根据本发明的另一方面，一种制造用于风力涡轮机的开关设备组件的方法包括提供电气开关设备并确定在风力涡轮机的正常操作期间发生的一个或更多个频率和/或振幅。然后，提供用于支承电气开关设备的支承结构，其中，支承结构包括阻尼装置，该阻尼装置构造成用于阻尼所确定的频率和/或振幅的机械冲击。该阻尼装置可以被优化以用于阻尼所确定的频率和/或振幅，并且对于其他频率和/或者振幅可以具有较小的阻尼功能。

开关设备组件的所有部件可以具有如上所述的结构和功能特征。作为示例，操作期间的特定频率可以被确定在1Hz至200Hz的范围内。更具体地，这样的频率可以在40Hz至200Hz的范围内、或者在40Hz至80Hz的范围内。

本公开包括本发明的多个方面。关于各方面的一个方面描述的每一个特征在本文中也关于另一个方面公开，即使在特定方面的上下文中没有明确提及相应的特征。

通过以下结合附图对示例性实施方式的描述，其他的特征、改进和方便变得明显。

附图说明

图1是处于竖向取向的风力涡轮机塔架的一部分的局部截面示意图，

图2是处于水平取向的风力涡轮机塔架的一部分的局部截面示意图，

图3A是开关设备组件的立体图，

图3B是图3A的开关设备组件的阻尼装置的立体图，

图4A是阻尼装置的示意性侧视图，

图4B是图4A的阻尼装置的俯视图，

图4C是图4A的阻尼装置的横截面图。

在附图中，具有相同结构和/或功能的元件可以用相同的附图标记来表示。应理解的是，图中所示的实施方式是说明性表示，并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

图1示意性地示出了位于风力涡轮机塔架3的部段2中的开关设备组件1。部段2可以是塔架3的底部部段。开关设备组件1定位并固定在塔架3内的地板4上。

海上风力涡轮机塔架3的标称高度可以大于150m。这样的风力涡轮机例如可以具有至少5MW的容量。因此，塔架3不能以整体的形式运输，而是以多个部段的形式运输。各个部段与辅助装备、比如开关设备、控制面板、变压器和其他装备进行预组装。然后通过海运和/或路运将各部段运输至最终现场。

图1中所示的视图可以是塔架3在操作中、特别是在深海中的海上现场处的局部视图。该视图可以替代地示出在运输期间的部段2。作为示例，在海上运输期间，部段2可以以所示的竖向取向来运输。

图2示意性地示出了在水平运输期间在风力涡轮机塔架3的部段2中的开关设备组件1的位置。作为示例，部段2可以在道路运输过期间以所示的竖向取向来运输。

在经由路运和海运的运输期间，需要考虑纵向方向l、横向方向t和竖向方向v上的各种振动和震动脉冲的值。在图1示出了各方向。由于部段2并且因此开关设备组件1的不同的可能取向，在运输期间，任何方向上的振动都可能发生并且必须被加以考虑。

图3A示出了开关设备组件1，开关设备组件1可以用于图1和图2的风力涡轮机塔架3中。开关设备组件1包括固定至支承结构6的电气开关设备5。

通常，电气开关设备5用于在电流异常期间接通和断开电路。开关设备5例如可以布置在风力涡轮机的变压器与传输线路之间。开关设备5可以是高压开关设备、即额定电压高于52kV的开关设备。开关设备5例如可以使用气体、比如SF6作为绝缘介质。

开关设备5具有连接至开关设备组件1的底部处的电缆8的三个极7。极7中的每个极可以通过断路器9断开连接。在正常操作状况期间，断路器9填充有例如压力为6巴的加压气体。该气体将相应的断路器9的载流部件与接地部件隔离。

气体压力由密度监测器10持续监测。如果密度监测器10检测到气体压力的异常，则断路器9被同时激活以避免在错误的气体压力下有电流流动。特别地，马达驱动器11将极7中的每个极的电触头分开。

然而，在海上风力涡轮机中，气体压力的下降可能不仅是由故障状况比如气体泄漏引起的，而且还可能是由海水波浪、强风或在涡轮机的机械部件的操作期间的振动引起的。作为示例，断路器9的马达驱动器11的操作可能导致引起误跳闸的振动。

这样的操作状况导致由开关设备5触发的大量中断，或者也可能导致开关设备5的持续磨损。

此外，严重的震动和振动可能使开关设备5的部件移位或变形。作为示例，载流部件和接地部件同心地布置，并且各部件的正确的相对位置对于保持所需的介电间隙而言可能是至关重要的。作为示例，载流部件可以同心地定位在断路器9的接地部件中。通过严重的振动和震动，同心度可能会被破坏，并且所需的介电间隙可能丧失。较长时间内的低振幅或中等振幅的持续振动也可能导致设备变形或损坏。

此外，在运输期间，可能发生严重的振动和震动，这些振动和震动可能导致开关设备5的永久变形。

为了减少误跳闸的次数并保护开关设备5免受由振动和震动脉冲引起的机械损坏，支承结构6包括阻尼装置13。阻尼装置12包括固定至刚性支承件13的四个角部的四个部分。

阻尼装置12可以构造成用于阻尼在设施、比如风力涡轮机的正常操作期间发生的持续振动和/或间歇振动。作为示例，阻尼装置12可以被优化用于阻尼在正常操作期间发生的一个或多个特定频率。作为示例，这样的频率可以在40Hz至200Hz的范围内、或者在40Hz至80Hz的范围内。

图3B示出了图3A的阻尼装置12的一部分的详细视图。阻尼装置12的每个部分包括螺旋线圈14，螺旋线圈14布置成使得螺旋线圈14的纵向轴线A平行于支承结构6的安装表面15延伸。安装表面15建立了与供固定开关设备组件1的地板4或另一位置的连接。

螺旋线圈14可以由例如不锈钢制成。螺旋线圈14被引导穿过两个稳定器16、17。稳定器16、17中的每个稳定器均具有杆的形状。稳定器16、17中的每个稳定器可以具有两个部件18、19，螺旋线圈14布置成穿过这两个部件。部件18、19并且由此线圈14也可以通过例如螺纹连接件固定至彼此。部件18、19可以具有用于容纳线圈14的内部凹口。

第一稳定器16位于螺旋线圈14的面向支承结构6的刚性支承件13的一侧。第二稳定器17位于螺旋线圈14的面向安装表面15、比如地板4的一侧。稳定器16、17提高了阻尼装置12的稳定性。此外，稳定器16、17提供了平坦表面，以用于使阻尼装置12能够牢固地固定至刚性支承件13和地板4两者。此外，稳定器16、17能够实现螺旋线圈14上均匀的压力分布。

稳定器16、17可以分别经由连接器20、21固定至刚性支承件13和地板4。连接器20、21呈板的形式。稳定器16、17可以通过例如螺钉固定至连接器20、21。稳定器16、17和连接器20、21可以由例如不锈钢制成。

开关设备组件1可以仅经由阻尼装置12固定至安装位置。因此，阻尼装置12承载开关设备5、刚性支承件13以及由刚性支承件13支承的其他部件的全部重量。所描绘的开关设备组件1可以具有数吨的重量。

图4A以侧视图示出了阻尼装置12的一部分，图4B以俯视图示出了阻尼装置12的所述部分，并且图4C以横截面图示出了阻尼装置12的所述部分。图3A和图3B中所示的阻尼装置12包括四个这样的部分。阻尼装置12也可以由单个部分构成。

如图4A中可以看出的，螺旋线圈14被引导穿过第一稳定器16和第二稳定器17。第一稳定器16为阻尼装置12提供平面上表面22，并且第二稳定器17为阻尼装置12提供平面下表面23。

此外，稳定器16、17在螺旋线圈14的相邻的卷绕部之间形成牢固的连接。

所示的螺旋线圈14的形状和取向使得能够阻尼所有三个空间方向上的机械冲击。在发生震动或振动时，螺旋线圈14弹性地变形并阻尼冲击。

如图4B中可以看出的，稳定器16、17中的每个稳定器的宽度v小于线圈14的宽度w。这使得能够保持线圈14的充分可变形性。

稳定器16在固定点处固定至连接器20或者直接固定至刚性支承件13。

如图4C中可以看出的，螺旋线圈14被引导穿过稳定器16、17中的每个稳定器，使得螺旋线圈14的在线圈14的上部部分和下部部分中的相应的成角度部段分别被稳定器16、17完全封围。

螺旋线圈14和稳定器16、17的高度H和宽度W可以根据开关设备5的重量和质量分布以及空间方向中的每个空间方向上所需的阻尼来优化。另外，螺旋线圈14的节距也可以相应地被优化。

附图标记列表

1 开关设备组件

2 部段

3 塔架

4 地板

5 电气开关设备

6 支承结构

7 极

8 电缆

9 断路器

10 密度监测器

11 马达驱动器

12 阻尼装置

13 刚性支承件

14 螺旋线圈

15 安装表面

16 稳定器

17 稳定器

18 部件

19 部件

20 连接器

21 连接器

22 上表面

23 下表面

24 固定点

A 纵向轴线

l 纵向方向

v 竖向方向

t 横向方向

v 稳定器宽度

W 线圈宽度

H 高度

Claims

1.一种用于风力涡轮机的开关设备组件，所述开关设备组件包括：

电气开关设备(5)和支承所述电气开关设备(5)的支承结构(6)，其中，所述支承结构(6)包括阻尼装置(12)，所述阻尼装置用于阻尼由于所述风力涡轮机的机械部件的操作期间的振动而引起的机械冲击。

2.根据权利要求1所述的开关设备组件，

其中，所述阻尼装置(12)构造成用于阻尼在40Hz与200Hz之间的频率范围内的振动。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的开关设备组件，

所述开关设备组件被配置成用于海上风力涡轮机。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的开关设备组件，

其中，所述阻尼装置(12)包括至少一个螺旋线圈(14)。

5.根据权利要求4所述的开关设备组件，

其中，所述螺旋线圈(14)的纵向轴线(A)平行于所述支承结构(6)的安装表面(15)延伸。

6.根据权利要求4或5中的任一项所述的开关设备组件，

其中，所述阻尼装置(12)包括至少一个稳定器(16、17)，所述螺旋线圈(14)被引导穿过所述至少一个稳定器。

7.根据权利要求4至6中的任一项所述的开关设备组件，

所述开关设备组件包括位于所述支承结构(6)的四个角部处的四个螺旋线圈(14)。

8.根据权利要求6或7所述的开关设备组件，

其中，所述稳定器(16、17)提供用于将所述开关设备的重量均匀地分布在所述螺旋线圈(14)上的平面表面(22、23)。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的开关设备组件，

其中，所述阻尼装置(12)包括至少两个稳定器(16、17)，所述螺旋线圈(14)被引导穿过所述至少两个稳定器，其中，所述稳定器(16、17)位于所述螺旋线圈(14)的相对的成角度部段处。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的开关设备组件，

所述开关设备组件包括用于阻尼由于外部冲击而发生的震动的另外的阻尼装置，其中，所述阻尼装置(12)和所述另外的阻尼装置具有不同的阻尼特性。

11.根据权利要求10所述的开关设备组件，

其中，所述另外的阻尼装置构造成与所述阻尼装置(12)相比用于阻尼更低频率的振动。

12.根据权利要求10或11中的任一项所述的开关设备组件，

其中，所述另外的阻尼装置构造成与所述阻尼装置(12)相比用于阻尼更大振幅的振动。

13.一种风力涡轮机，所述风力涡轮机包括根据权利要求1至12中的任一项所述的开关设备组件(1)。

14.一种阻尼装置的用于支承风力涡轮机中的电气开关设备(5)并且阻尼由于所述风力涡轮机的机械部件的操作期间的振动而引起的机械冲击的用途。

15.一种制造用于风力涡轮机的开关设备组件(1)的方法，所述方法包括：

提供电气开关设备(5)，

确定在所述风力涡轮机的正常操作期间的振动的一个或多个频率和/或振幅，以及提供用于支承所述电气开关设备(5)的支承结构(6)，其中，

所述支承结构(6)包括阻尼装置(12)，所述阻尼装置构造成用于阻尼所确定的频率和/或振幅的机械冲击。