CN117581018A - 基于阻抗分析的防雷保护系统评估 - Google Patents

Abstract

基于阻抗分析的防雷保护系统评估。描述了一种防雷保护系统(100)，特别是用于转子叶片(114)的防雷保护系统，该系统包括：i)用于传导雷电的能量的防雷导体(110)；以及ii)测量装置(150)，其电联接到所述防雷导体(110)并且配置成测量相对于所述防雷导体(110)的阻抗。此外，描述了转子叶片(114)和风力涡轮机(101)。

Description

基于阻抗分析的防雷保护系统评估

技术领域

本发明涉及一种防雷保护系统。特别地，本发明涉及用于转子叶片的防雷保护系统。更具体地，本发明涉及一种用于风力涡轮机的转子叶片的防雷保护系统。本发明还涉及一种评估防雷保护系统的方法。此外，本发明涉及阻抗测量的特定用途。

背景技术

防雷保护系统被用于保护建筑物和工业结构(例如风力涡轮机)免受雷击。通常，可以说，防雷保护系统包括防雷导体，防雷导体例如被实施为电缆或杆，其将雷电的电能引向地面，使得待保护的结构不受雷击的损害。

为了在危险情况下正常工作，必须提前测试防雷保护系统，特别是定期测试。这可以在生产防雷保护系统之后和/或在安装防雷保护系统之后完成。在下文中，将讨论在风力涡轮机叶片中建立的防雷保护系统的示例。

在风力涡轮机叶片的生产之前、期间和之后以及在风力涡轮机叶片的操作时，可以检查防雷保护系统。通常，这通过诸如视觉检查、电阻测量、超声扫描和红外热像测试的手段来完成。由此，可以评估防雷保护系统的质量和功能。通常，防雷保护系统的电阻的测量可被认为是用于检查风力涡轮机叶片的防雷保护系统的常用标准方法。

然而，这种方法的缺点在于，它仅提供了关于所测试的防雷保护系统的质量和功能的有限量的信息。

图8示出了示意性常规示例200，其中，在叶片中，利用了叶片(引下)导体210(包括电阻R2)和两个导电翼梁缘条(sparcap)(以相应的电阻R1和R3导电)220、230，所有这些都并联电连接。电阻测量系统可以被简化以将引下导体210和两个导电翼梁缘条220、230描述为三个并联电阻，如图8中所示。然后，测量系统将施加恒定的直流(DC)电压并测量负载(电流)以确定被测系统的电阻。

通常，叶片引下导体的电阻与导电翼梁缘条的电阻相比非常低。因此，当导电翼梁缘条与叶片引下导体并联电连接时，可能仅引起整个防雷保护系统的电阻的微小(并且很可能是可忽略的)减小。

由于电阻仅略微减小，因此可能难以确定该差异是由于可接受的工艺和材料变化引起的、还是由于导电翼梁缘条与叶片引下导体之间的电连接/断开而引起的。

此外，现有方法在检测叶片内部的电导体之间是否存在低质量的电连接方面也具有局限性。

一个示例可以是两个导电元件(例如，电缆和电缆、电缆和碳(导电的)、或碳和碳)彼此接触而没有被夹持、螺栓连接、钎焊(软焊，soldered)或熔焊(weld)在一起的情况。在这种情况下，电阻测量的评估将不会指示防雷保护系统内的任何问题。然而，随着时间的推移，两个电连接的元件可能由于叶片结构影响(例如，叶片移动)或者雷击所致的电影响而失去电连接。

常规电阻测量可以与诸如超声和红外热像检查的其他方法组合，所述其他方法可以通过提供附加信息来辅助电阻测量。然而，这些组合的过程可能是特别耗时的。

可能需要提供一种能够以有效且可靠的方式评估的(特别是，用于转子叶片)防雷保护系统。

发明内容

这种需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供了一种防雷保护系统，特别是用于转子叶片、更特别是用于风力涡轮机转子叶片的防雷保护系统，该系统包括：

i)用于传导雷电(雷击)的电能的防雷导体，例如电缆和/或杆；以及

ii)测量装置，其电联接(连接)到所述防雷导体并且配置成测量相对于所述防雷导体的阻抗(所述防雷导体的阻抗)。

根据本发明的第二方面，描述了一种包括上述防雷保护系统的转子叶片。

根据本发明的第三方面，描述了一种风力涡轮机，包括：i)塔架，和ii)风力转子，风力转子布置在塔架的顶部部分处，并且风力转子包括至少一个如上所述的叶片。

根据本发明的第四方面，描述了一种评估防雷保护系统(特别是如上所述)(特别是风力涡轮机转子叶片的防雷保护系统)的方法，该方法包括：

(向防雷保护系统的防雷导体提供交流(AC)负载，并在多个频率上对该交流负载进行扫频(sweep)，从而)

i)测量相对于防雷导体的阻抗；以及

ii)基于阻抗测量(通过阻抗分析)来评估防雷保护系统。

根据本发明的第五方面，描述了导体(由防雷导体、导体元件、另一导体元件构成的组中的至少一者)的阻抗分析的用途(使用方法)，以便评估转子叶片的防雷保护系统。

根据本发明的第六方面，描述了防雷保护系统的导体的阻抗分析的用途(使用方法)，以便评估转子叶片结构。

根据示例性实施例，本发明可以基于这样的构思，即，当测量(和分析)相对于防雷导体的阻抗时，可以提供能够以有效和可靠的方式评估的(特别是用于转子叶片的)防雷保护系统。

系统的阻抗可以描述电气系统在不同频率下的欧姆电阻。代替如传统所做的施加恒定直流(参见图8)，例如可以执行在各种频率上的交流负载(电流/电压)扫频，然后测量负载(电流/电压)以确定在不同频率下的阻抗。

所描述的方法可以提供通过使用常规方法(例如，电阻测量)不能获得的信息。换句话说，所描述的解决方案被认为是作为仅使用一种方法的快速评估/测试解决方案，而传统上使用多个耗时过程的组合来获得足够的信息。

例如，扫频可以在几分钟内完成，而电连接的超声检查可能花费几个小时。此外，超声检查受被测试的部件的可触及性限制，而阻抗测量不是这种情况。

所描述的系统也可以应用为结构质量监测系统，因为叶片结构的变化可能对防雷保护系统的电连接有影响，并且因此，防雷保护系统的阻抗测量的变化可指示叶片结构的结构质量的变化。

所描述的测量不仅可以用于估计电阻和电感效应，而且其还可以用于估计电气(防雷保护)系统的电容效应。例如，在元件具有连接的情况下可以观察到电容效应，但是由于某种原因，连接已经随着时间而退化，例如在结构上退化。与电感效应相比，电容效应将对阻抗具有互逆效应。电容效应被预期是一个优点，特别是用于观察阻抗测量系统是否用于在叶片的寿命操作期间监测防雷保护的质量。

示例性实施例

根据一个实施例，防雷保护系统还包括评估装置，其被配置成基于阻抗测量来评估(通过阻抗分析)防雷保护系统(特别地，确定质量标准)。

基于所测量的阻抗，阻抗分析可以由合适的评估装置以快速且高效的方式执行。评估装置可以与测量装置一起实现，或者可以实现为独立单元。此外，评估单元还可以远离防雷保护系统(和转子叶片/风力涡轮机)被建立。在另一示例中，评估单元可以在风力涡轮机控制系统中被实现。

根据另一实施例，测量单元被配置成(为了测量对应的阻抗)：

i)向防雷导体提供交流(AC)负载(电流或电压)；以及

ii)在多个频率上对所述AC负载进行扫频。

使用这种扫频，可以以快速且可靠的方式测量阻抗(在不同频率处)(例如，参见图5和图6)。

根据另一实施例，所述测量单元被配置成(为了测量所述对应阻抗)施加基于时域的测量。

在一个示例中，应用基于时域的方法，例如TDR(Time DoMain Reflectrometry，时域反射法)。因此，可以使用多个电脉冲来确定传输线的时域特性。当使用TDR分析电气系统时，所观察到的时域特性可能主要取决于所产生的电场的变化，但也取决于被测系统的阻抗。

具体地，TDR可以能够测量沿着导体的反射(与雷达相同的原理)。测量系统(例如，时域反射计)将测量信号发射到导体上并测量其反射(反射信号，特别是反射波形)。因此，反射信号的幅值除其他影响之外取决于传输介质(即，叶片电气系统中的(不同的)导体)的阻抗。

根据另一实施例，防雷保护系统还包括电联接到防雷导体和/或测量装置的至少一个(优选地两个或更多个，特别地三个/四个/五个或更多个)导体元件。特别地，所述测量装置则还被配置为测量关于所述导体元件的至少一部分的阻抗(并且还向所述导体元件提供所述AC负载)。

根据另一实施例，防雷导体和至少一个导体元件(特别是两个导体元件)并联电连接。

以这种方式，可以获得关于所述防雷保护系统的更多(详细)信息。特别地，阻抗测量结果可以被改进(参见图5和图6作为示例)。

根据另一实施例，测量装置包括第一电连接器和第二电连接器，并且两个电连接器(分别)连接到防雷导体或导体元件(参见图1和3作为示例)。替代地，两个电连接器可以仅连接到一个导体元件(参见图4作为示例)。

根据另一实施例，测量装置包括第一电连接器和第二电连接器，第一电连接器连接到导体元件，并且第二电连接器连接到防雷导体(参见图2作为示例)。

当仅测试防雷保护系统/叶片的某些部分时，例如通过能够暂时断开导电部分并且测试不同的配置，可以有利地应用上述实施例。

根据另一实施例，其中防雷导体被配置为电缆、杆、棒中的一者。防雷导体可以包括已知的标准设计以很好地保护免受雷击。

根据另一实施例，防雷保护系统还包括翼梁缘条，该翼梁缘条包括至少一个导体元件或由至少一个导体元件构成。

以这种方式，转子叶片的部分可以直接应用在防雷保护系统内，而不需要进一步的措施/材料。

根据另一实施例，该方法还包括：将所评估的防雷保护系统(特别是在转子叶片内)安装到待保护的装置，待保护的装置特别是风力涡轮机。

换句话说，在将防雷保护系统安装到转子叶片和/或风力涡轮机之前，对防雷保护系统(至少部分地)进行评估/测试。例如，防雷导体(和/或导体元件)在被安装在叶片处之前被评估。

在一个示例中，在叶片的预铸/预制电气部件被放置在叶片模具中之前，可以对它们进行评估。在另一个示例中，可以在(完整)叶片的铸造之前、期间和/或之后评估叶片的(完整)电气系统(包括防雷保护系统或由防雷保护系统组成)和叶片的预铸/预制电气部件。在另一示例中，在叶片的操作期间和/或在叶片测试期间评估(完整)叶片上的防雷保护系统。

这可以提供如下优点，即，可以基于(与已经开始叶片的测试/操作之前相比)叶片电气系统改变的阻抗测量(频率响应和/或TDR响应)来识别叶片电气系统(包括防雷保护系统或由防雷保护系统组成)的特定部分的问题/故障。

本发明的上述方面和其它方面从下文描述的实施例的示例中是显而易见的，并且参考实施例的示例被解释。下面将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于所述实施例的示例。

附图说明

图1至图4分别示出了根据本发明的示例性实施例的用于转子叶片的防雷保护系统。

图5和图6示出了分别用于示出根据本发明的示例性实施例的阻抗测量的图。

图7示出了根据本发明的示例性实施例的防雷保护系统中的电连接。

图8示出了防雷保护系统的常规示例。

图9示出了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意，在不同的图中，相似或相同的元件或特征设置有相同的附图标记、或仅在第一位数字内与对应的附图标记不同的附图标记。为了避免不必要的重复，在说明书的稍后位置中不再说明已经参照前述实施例说明的元件或特征。

此外，空间相对术语，例如“前”和“后”、“上方”和“下方”、“左”和“右”等，用于描述图中所示的元件与另一个元件的关系。因此，空间相对术语可以应用于使用中的与图中描绘的取向不同的取向。显然，所有这些空间相对术语仅为了描述方便而参考图中所示的取向，并且不必是限制性的，因为根据本发明的实施例的装置在使用时可以采取与图中所示的取向不同的取向。

根据示例性实施例，所描述的阻抗测量系统提供了确定防雷保护系统的必要电气部件是否已正确连接的优点。对比而言，对于电阻测量的结果，如果在导电元件(翼梁缘条)和叶片防雷保护系统之间存在令人满意的电连接，则其可能不是结论性的。对于使用本方法的监测来说也是如此，其中在叶片的寿命期间测量防雷保护系统的阻抗，以确定质量是否随时间变化。这里，阻抗测量还将提供一种如下的改进方法：在叶片的寿命期间，例如在根据IEC61400-24中给出的标准的防雷保护系统的全尺寸叶片结构测试或全尺寸测试期间，确定防雷保护系统的质量。

根据另一示例性实施例，所描述的解决方案的影响是一种用于在叶片和涡轮机的生产之前、期间和/或之后确定风力涡轮机叶片防雷保护系统的质量的新的且有效的方法，以及在叶片的整个寿命期间进行防雷保护质量的重复测试的可能性。这种解决方案可以应用于在风力涡轮机叶片离开生产设施之前测试风力涡轮机叶片的防雷保护系统，以确保不同叶片的质量和均匀性能。

根据另一示例性实施例，所描述的方法原则上可以用于测量叶片的电气系统中的任何(两个)点之间的阻抗。

根据另一示例性实施例，可以在将导体元件与防雷保护系统的其余部分连接之前执行对导体元件的分析。以这种方式，可以在连接所述元件之前完成(单独的)导体元件的阻抗分析，并且当将结果与整个系统的分析进行比较时，可以获得阻抗行为的附加知识。

图1示出了根据本发明的示例性实施例的用于转子叶片114的防雷保护系统100。转子叶片114经由叶片调节装置116安装到风力涡轮机101的转子111(见图9)。叶片114沿其主延伸方向，基本上从尖端到根部，包括用于传导雷击的电能的防雷导体110。防雷导体110由金属制成并且被配置为例如电缆、杆或棒。叶片114还包括分别布置在叶片114中的防雷导体110上方和下方的翼梁缘条120和130。这些翼梁缘条120、130包括导电材料(并且因此是导体元件)并且电连接到防雷导体110。翼梁缘条120、130可例如包括碳增强的聚合物复合材料。

防雷保护系统100还包括测量装置150，其经由第一电连接151和第二电连接152电连接到防雷导体110(在尖端和根部)。测量装置150配置成通过电连接151、152向防雷导体110提供交流(AC)负载(例如电压或电流)。因此，测量装置150在多个频率上对AC负载进行扫频，并测量相对于防雷导体110的相应阻抗。测量装置150还被配置为还向导体元件120、130提供AC负载(和扫频)。防雷导体110和导体元件120、130并联电连接。在另一示例中，使用基于时域反射法的方法来测量阻抗。

防雷保护系统100还包括评估装置，其可与测量装置150一起实现，并且被配置成使用(阻抗测量的)阻抗分析来评估防雷保护系统100。这样的评估可以例如产生用于防雷保护系统100的质量标准(例如，功能良好、连接良好、结构良好)。

图2示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于转子叶片114的防雷保护系统100。该设计与图1非常相似，不同之处在于，测量装置150的第一电连接151不直接连接到防雷导体110，而是连接到上翼梁缘条120(导体元件)。

图3示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于转子叶片114的防雷保护系统100。该设计与图1非常相似，不同之处在于，测量装置150的两个电连接器151、152分别连接到两个导体元件120、130。

图4示出了根据本发明的另一示例性实施例的用于转子叶片114的防雷保护系统100。该设计与图3非常相似，不同之处在于，测量装置150的两个电连接器151、152都仅连接到一个导体元件120。导体元件120还与防雷导体110电联接，从而也可以考虑防雷导体的阻抗。

图5示出了这种图，用于示出根据本发明的示例性实施例的阻抗测量/分析。频率F(见扫频)在x轴上以赫兹(任意值)示出，并且对应的阻抗Z在y轴上以欧姆(任意值)示出。当如下测量阻抗时(参见图7中阻抗的定义)，将获得不同的结果：

i)仅针对防雷导体110(Z2，也参见图7)，

ii)针对并联的防雷导体110和一个导体元件120(Z1，Z2)，或

iii)针对并联的防雷导体110和两个导体元件120、130(Z1，Z2，Z3)。

图6示出了这种图，用于示出根据本发明的另一示例性实施例的阻抗测量/分析。该图类似于图5，但是为了比较，示出了常规的电阻测量(参见图8中电阻器的定义)。由于所施加的直流电流(恒定频率)，频率没有变化。因此，通过传统的电阻测量获得的信息量比通过所述的阻抗测量获得的信息量低得多。换句话说，图6示出了当包括或省略导体的电感效应时在不同频率下的电阻和阻抗之间的比较。

特别地，随着频率的增加，阻抗的差异增加，使得能够检测例如导电翼梁缘条是否未(适当地)与防雷保护系统的其余部分电连接。

图7示出了根据本发明的另一示例性实施例的防雷保护系统110中的电连接。这种简化将防雷导体110和两个(或更多个)导电翼梁缘条120、130示出为三个串联阻抗(线圈L1-L3仅被示出以总体上表示阻抗)。电阻和电感遵循关系R1≈R3、L1≈L3、R1＞R2和L1＜L2。当测量上述图5和图6中所示的结果时，已经应用了这种防雷保护系统110。

图9示出了根据本发明的示例性实施例的风力涡轮机101。风力涡轮机101包括安装在地面(具有未示出的支撑结构)上的塔架123。风力涡轮机101可以位于陆上或海上。

在塔架123的顶部上布置有机舱122。在塔架123与机舱122之间设置有偏航角调节部分121，其能够使机舱122围绕与塔架123的纵向延伸对齐的未描绘的竖直轴线旋转。通过以适当的方式控制偏航角调节部分121，可以确保在风力涡轮机101的正常操作期间，机舱122总是与当前风向适当地对准。

风力涡轮机101还包括具有三个叶片114的风力转子111。在图9的视图中，仅两个叶片114可见。转子111可绕旋转轴线111a旋转。安装在毂部112处的叶片114相对于旋转轴线111a径向延伸，并且在旋转平面114a内旋转。

在毂部112和叶片114之间分别设置有叶片桨距角调节装置116，以便通过使相应的叶片114围绕与相应的叶片114的纵向延伸大致平行地对准的轴线旋转来调节每个叶片114的叶片桨距角。通过控制叶片桨距角调整装置116，相应叶片114的叶片桨距角可以被调整，使得至少在风不太强时可以从驱动风力转子111的风的可用机械功率中获取最大的风力。

如从图9中可见，在机舱122内提供齿轮箱124。齿轮箱124用于将转子110的回转数量转换成轴125的更高回转数量，该轴以已知方式联接到机电换能器140。机电换能器是发电机140。在这一点上，要指出的是，齿轮箱124是可选的，并且发电机140也可通过轴125直接联接到转子111上，而不改变回转数量。在这种情况下，风力涡轮机是所谓的直接驱动(DD)风力涡轮机。

此外，提供制动器126以便例如在紧急情况下安全地停止风力涡轮机101或转子111的操作。

风力涡轮机101还包括用于以高效方式操作风力涡轮机101的控制系统。除了控制例如偏航角调节装置121之外，所描绘的控制系统还用于以优化的方式使用致动器116来调节转子叶片114的叶片桨距角。

每个叶片114包括防雷保护系统100(参见图1至图7)。风力涡轮机101的控制系统153包括或联接到防雷保护测量装置150，所述防雷保护测量装置被配置成测量防雷保护系统100内的阻抗。风力涡轮机101的控制系统153还包括或联接到评估装置150，评估装置被配置成基于阻抗测量(通过阻抗分析)来评估防雷保护系统100。测量装置和评估装置150可植入在同一个装置内。

应当注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用并不排除多个。此外，可以组合与不同实施例相关联地描述的元件。还应当注意，权利要求中的附图标记不应当被解释为限制权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种防雷保护系统(100)，特别是用于转子叶片(114)的防雷保护系统(100)，所述系统(100)包括：

防雷导体(110)，用于传导雷电的电能；以及

测量装置(150)，所述测量装置电联接到所述防雷导体(110)并且配置成测量相对于所述防雷导体(110)的阻抗。

2.根据权利要求1所述的防雷保护系统(100)，还包括：

评估装置(150)，其被配置成基于所述阻抗测量来评估所述防雷保护系统(100)，特别是确定质量标准。

3.根据权利要求1或2所述的防雷保护系统(100)，其中，为了测量所述阻抗，所述测量装置(150)进一步被配置为：

向所述防雷导体(110)提供交流负载，即AC负载，以及

在多个频率上对所述AC负载进行扫频。

4.根据前述权利要求中任一项所述的防雷保护系统(100)，其中，为了测量所述阻抗，所述测量装置(150)进一步被配置成执行基于时域的测量，特别是时域反射法TDR。

5.根据前述权利要求中任一项所述的防雷保护系统(100)，还包括：

至少一个导体元件(120)，其电联接到所述防雷导体(110)和/或所述测量装置(150)；

其中，所述测量装置(150)还被配置为测量所述导体元件(120)的至少一部分的阻抗。

6.根据权利要求5所述的防雷保护系统(100)，其中，所述防雷导体(110)和所述至少一个导体元件(120)并联电连接，特别是所述防雷导体(110)和两个导体元件(120，130)并联电连接。

7.根据前述权利要求中任一项所述的防雷保护系统(100)，

其中，所述测量装置(150)包括第一电连接器(151)和第二电连接器(152)，以及

其中，两个电连接器(151、152)均连接至所述防雷导体(110)或连接至所述导体元件(120)。

8.根据前述权利要求中任一项所述的防雷保护系统(100)，

其中，所述测量装置(150)包括第一电连接器(151)和第二电连接器(152)，

其中，所述第一电连接器(151)连接到所述导体元件(120)，以及

其中，所述第二电连接器(152)连接到所述防雷导体(110)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的防雷保护系统(100)，

其中，所述防雷导体(110)被配置为电缆、杆、棒中的一者；和/或

其中，所述系统(100)还包括翼梁缘条，所述翼梁缘条包括所述至少一个导体元件(120、130)或由所述至少一个导体元件构成。

10.一种转子叶片(114)，包括根据前述权利要求中任一项所述的防雷保护系统(110)。

11.一种风力涡轮机(101)，包括：

塔架(123)；以及

风力转子(111)，其布置在所述塔架(123)的顶部部分处，并且所述风力转子包括至少一个根据权利要求10所述的叶片(114)。

12.一种评估防雷保护系统(100)的方法，所述防雷保护系统特别是根据权利要求1至9中任一项所述的防雷保护系统，所述方法包括：

测量相对于所述防雷保护系统(100)的防雷导体(110)的阻抗；以及

基于阻抗测量来评估所述防雷保护系统(100)。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

将所评估的防雷保护系统(100)安装到待保护的装置，所述防雷保护系统特别是安装在转子叶片(114)内，所述待保护的装置特别是风力涡轮机(101)。

14.一种导体(110,120,130)的阻抗分析的用途，以便评估转子叶片(114)的防雷保护系统(100)。

15.一种防雷保护系统(100)的导体(110,120,130)的阻抗分析的用途，以便评估转子叶片(114)结构。