CN214533388U - 风力发电机叶片抑制雷电流装置及其安装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及风力发电机叶片抑制雷电流装置，其结构为：雷云电荷引聚单元包括金属板材及尖端电荷引聚体，在金属板材上制出若干尖端电荷引聚体；板式多级电离处理单元包括绝缘主板、电离极板、接闪器引下线上接入点，在绝缘主板上设置若干间隔的电离极板，在最上层电离极板的端部设置接闪器引下线上接入点；异性电荷引聚与残余电流泄放单元，为所述间隔的电离极板的最下层电离极板，该最下层电离极板的上部制有一排放电尖端，且下部折弯后制出异性电荷引聚尖端针排，异性电荷引聚与残余电流泄放单元设置接闪器引下线的下接入点。本实用新型可实现大幅度消减叶片接闪器引下线雷电流强度，保护风电机叶片和旋转部位免遭雷击损害。

Description

风力发电机叶片抑制雷电流装置及其安装结构

技术领域

本实用新型属于风力发电设备的防雷技术领域，尤其是一种风力发电机叶片抑制雷电流装置及其安装结构。

背景技术

风能是当前技术最成熟，最具备规模开发的可再生能源。在近年来迅猛发展的同时雷击风险也随之大。其原因一是单机发电量增加使叶片增大增高。叶片顶端高度一般都在上百米左右，最高的可达近200米。二是新建风电场增多，机组数量规模增多增大。三是风电场多选址在风能资源丰富的高原、沿海、山口等雷电多发地区。特别是对于我国复杂的地理地形和气候条件，风电机叶片遭受雷击损害的风险远高于其它国家。据有关资料刊载，部分风电场风电机叶片的年度遭受雷击概率达到4-8％。一台1500kw风电机叶片遭受雷击后的维修费用可达上百万元。雷击风险已经成为我国风电行业公认的最大危害，目前仍是世界性难题！

现代风电机叶片一般都设计安装了防雷装置，但仍然履遭雷击损害！原因如下:

(一)、现用风电机叶片防雷装置结构：通常作法是在叶片顶部最易遭受雷击部位装有防雷接闪器，引下线自接闪器连接至叶片根部的金属法兰盘上，雷电流由法兰盘传导至变桨轴承内圈，依次经轴承滚珠至变桨轴承外圈，再传导至轮毂。或者采用碳刷或放电间隙桥接方式将雷电流传导至轮毂。其它转动部位也采用同样的雷电流下传方式。

另外，部分风电场地质条件复杂，对于一些电阻值过大的地质条件，须花费大量的人力、物力才能达到防雷规范规定的低接地电阻值要求。更有些安装合格的接地装置，随着时间变化接地电阻值也会逐渐增大，影响雷电流入地泄放效果致使发生雷击事故。

(二)、产生雷电损害的原因:

现行风电机叶片防雷技术是依据“将雷电流全部泄放入地”理论建立的。要求接闪器、引下线、接地装置之间做到紧密衍接，接地装置与地质物之间也应保证足够大的接触面积，才能降低接地电阻保证雷电流泄放路径通畅。这对于固定物体的防雷保护可以很容易做到。但对于时刻处于旋转状态下的风电机叶片，其转动部位在遇有瞬间(微秒级)超强雷电流(电压几万至几十万伏特、电流几十至几百千安培)在通过旋转部位时产生的强阻抗会影响雷电流通畅泄放，从而产生雷击损害。另外复杂地质条件下的接地装置电阻值增高也同样影响雷电流通畅泄放入地！

综上，当遇有超强雷电流时，现行的“将雷电流全部泄放入地”理论和技术尚不能解决超强雷电流在通过风电机叶片转动部位和高电阻地质时的通畅泄放问题，使风电机叶片遭受雷击损坏。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，可实现大幅度消减雷电流强度，保护风电机叶片和旋转部位(齿轮或碳刷或放电间隙桥接)免遭雷击损害。

本实用新型的目的还在于提供一种风力发电机叶片抑制雷电流装置安装结构。

本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，其特征在于：包括雷云电荷引聚单元、板式多级电离处理单元、异性电荷引聚与残余电流泄放单元，所述雷云电荷引聚单元包括金属板材及尖端电荷引聚体，在金属板材上制出若干尖端电荷引聚体；所述板式多级电离处理单元包括绝缘主板、电离极板，在绝缘主板上设置若干间隔的电离极板，在最上层电离极板设置接闪器引下线的上接入点；所述异性电荷引聚与残余电流泄放单元，为所述间隔的电离极板的最下层电离极板，该最下层电离极板的上部制有一排放电尖端，且下部折弯后制出异性电荷引聚尖端针排，异性电荷引聚与残余电流泄放单元设置接闪器引下线的下接入点。

而且，所述绝缘主板上设置至少三层电离极板，各电离极板之间为空气绝缘空间，所述电离极板相对的侧边均设置有金属尖端。

而且，所述各层电离极板的间距自上至下由宽变窄。

而且，所述雷云电荷引聚单元的金属板材为圆形或其它形状，所述尖端电荷引聚体为尖端角状或针状，所述尖端电荷引聚体制于圆形或其它形板的外周或上表面。

一种风力发电机叶片抑制雷电流装置的安装结构，所述雷云电荷引聚单元固定安装于风力发电机叶片尖端或叶片主体外壁上的接闪器上，所述板式多级电离处理单元及异性电荷引聚与残余电流泄放单元通过绝缘主板安装于风力发电机叶片根部或叶片法兰盘上，所述接闪器引下线包括引下线上段及引下线下段，所述引下线上段的一端连接接闪器，另一端连接至板式多级电离处理单元的引下线的上接入点，所述引下线下段的一端连接异性电荷引聚与残余电流泄放单元的接闪器引下线下接入点，另一端与叶片根部或与法兰盘连接，叶片根部或叶片法兰盘连接接地装置。

本实用新型的优点和有益效果为：

1、本实用新型的风力发电机叶片抑制雷电流装置，当雷电发生前雷云移近风电机组时，本地空间电场将逐渐升高，风电机叶片顶端或侧壁上的雷云电荷引聚单元的尖端电荷引聚体的尖端效应将吸引雷云电荷快速聚集，并通过接闪器引下线上段传导至板式多级电离处理单元的最上层电离极板，同时异性电荷引聚与残余电流泄放单元将低层的异性电荷引聚至最下层极板，在最上层与最下层极板之间形成了很高的电位差，触发多级放电电离产生，此种对以空气为介质的放电做功，可以消耗掉雷云电荷99％以上的电能，剩下的残余电能(小于1％)向下泄放，抑制了强雷电流对风电机转动部位的冲击损害！

此外，对空气介质的电离将产生大量带有正负电荷的离子，这些正、负离子在雷电发生前较强的空间电场力作用下，将加速与上层雷云电荷和低层异性电荷中和，还原成中性空气分子，从而减弱了局部电场强度，可抑制一般强度的雷电发生，当遇到超强雷电时，一旦接闪器处电场畸变发生接闪时，经板式多级电离处理单元处理后的残余电能也仅为小于120伏特的弱电，不会对转动部位造成任何损害，顺畅导入接地装置。

2、本实用新型的风力发电机叶片抑制雷电流装置，可大幅度放宽接闪器引下线和接地装置对低电阻值要求，现行防雷规范规定：共用接地电阻值应小于4欧姆，独立接地电阻值应小于10欧姆，本装置经国家级防雷装置权威测试机构测试：施加四百千伏以上高压冲击接闪，引下线上残余电压小于120伏特，在接闪器引下线上串接500欧姆电阻，仍可正常接闪无发热现象，可以保证残余雷电流顺畅通过风电机叶片的转动部位和高接地电阻，通畅泄放入地。

3、本实用新型的风力发电机叶片抑制雷电流装置，大浮度降低风力发电机叶片接闪频率，对空气介质的电离过程可使空气分子、原子分裂成为带有正、负电荷的离子，这些正负离子在电场力作用下，将加速与雷云电荷和低层的异性电荷中和，还原成中性空气，从而减弱风电机组局部的空间电场强度，抑制住一般强度雷电的发生。

4、本实用新型的风力发电机叶片抑制雷电流装置，其板式多级电离处理单元是专门针对风电机叶片结构设计的，具有重量轻(小于4公斤)，结构牢固便于安装，无须电源供给的优势。

5、本实用新型的风力发电机叶片抑制雷电流装置，其板式多级电力处理单元(又称“雷电流强度消减器”)可以单独串接在各类常规防雷装置的引下线上，大幅度降低雷电流泄放强度，解决高接地电阻地质条件下的接地装置施工难题。

6、本实用新型的风力发电机叶片抑制雷电流装置，制作安装成本低廉经济效益可观，且由于放宽了接地电阻值要求，可大幅度降低接地装置的安装施工费用，另外本装置使用寿命可达到20年以上，无须日常维护费用。

7、本实用新型风力发电机叶片抑制雷电流装置及安装结构，结构设计科学合理，可实现大幅度消减雷电流强度，保护风电机叶片和旋转部位(齿轮或碳刷或放电间隙桥接)免遭雷击损害，从理论和技术上解决风电机叶片遭受雷击损害，这一世界性难题。

附图说明

图1为本实用新型的雷云电荷引聚单元结构示意图；

图2为本实用新型的板式多级电离处理单元、异性电荷引聚与残余电流泄放单元结构示意图；

图3为本实用新型的图2的立体示意图；

图4为本实用新型的安装结构的示意图。

附图标记说明

1-雷云电荷引聚单元、2-板式多级电离处理单元、3-金属板材、4-尖端电荷引聚体、5-安装孔、6-绝缘主板、7-最上层电离极板、8-金属尖端、9-板式多级电离处理单元的安装位置10-接闪器引下线上接入点、11-空气绝缘空间、12-最下层电离极板、13-放电尖端、14-异性电荷引聚尖端针排、15-中间层电离极板、16-折弯部、17-叶片法兰盘、18-电机叶片、19-接闪器引下线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。

一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，包括雷云电荷引聚单元1、板式多级电离处理单元2、异性电荷引聚与残余电流泄放单元。

雷云电荷引聚单元包括金属板材3及尖端电荷引聚体4，如图1所示，在金属板材上制出若干尖端电荷引聚体。金属板材中间制有安装孔5。雷云电荷引聚单元的金属板材为圆形或其它形，尖端电荷引聚体为尖端角状或针状，尖端电荷引聚体制于圆形或其它形板的外周或上表面。尖端电荷引聚体高度小于100毫米，重量小于一公斤。

板式多级电离处理单元包括绝缘主板6、电离极板，接闪器引下线上接入点10，如图2、3所示，在绝缘主板上设置若干间隔的电离极板，绝缘主板上设置至少三层电离极板，最上层电离极板7、中间层电离极板15及最下层电离极板12。各电离极板之间为空气绝缘空间11，电离极板相对的侧边均设置有金属尖端8。各层电离极板的间距自上至下由宽变窄。在最上层电离极板的端部制出折弯部16，电离极板的端部设置接接闪器引下线的上接入点。

异性电荷引聚与残余电流泄放单元，为间隔的电离极板的最下层电离极板12，该最下层电离极板的上部制有一排放电尖端13，且下部折弯后制出异性电荷引聚尖端针排14，异性电荷引聚与残余电流泄放单元设置接闪器引下线断开后的下接入点。

一种风力发电机叶片抑制雷电流装置的安装结构，如图4所示，包括风力发电机叶片18、接闪器(未示出)、接闪器引下线19、叶片法兰盘17，雷云电荷引聚单元固定安装于风力发电机叶片尖端或叶片主体外壁上的接闪器上，板式多级电离处理单元及异性电荷引聚与残余电流泄放单元通过绝缘主板安装于风力发电机叶片根部或者安装于叶片法兰盘的内侧，或外侧，或其附近适于安装的位置(板式多级电离处理单元的安装位置9)。最好安装在法兰盘外侧，以便于经电离空气产生的带电离子扩散。

将叶片中的原有的接闪器引下线自法兰盘连接处附近断开，从而使得接闪器引下线包括引下线上段及引下线下段，引下线上段的一端连接接闪器另一端连接至板式多级电离处理单元的接闪器引下线的上接入点，所述引下线下段的一端连接异性电荷引聚与残余电流泄放单元的接闪器引下线下接入点，另一端与叶片根部或者法兰盘连接，叶片根部或法兰盘与接地装置连接。既：将叶片原有的引下线断开，串联通过本板式电离处理单元和异性电荷引聚与残余电流泄放单元。

当雷电发生前雷云移近风电机组时，本地空间电场将逐渐升高，风电机叶片顶端或侧壁上的雷云电荷引聚单元的尖端电荷引聚体的尖端效应将吸引雷云电荷快速聚集，并通过接闪器引下线上段传导至板式多级电离处理单元的最上层电离极板，同时异性电荷引聚与残余电流泄放单元将低层的异性电荷引聚至最下层极板，在最上层与最下层极板之间形成了很高的电位差，触发多级放电电离产生，此种对以空气为介质的放电做功，可以消耗掉雷云电荷99％以上的电能，剩下的残余电能(小于1％)向下泄放，抑制了强雷电流对风电机转动部位的冲击损害，可以顺畅泄放入地。

此外，对空气介质的电离将产生大量带有正负电荷的离子，这些正、负离子在雷电发生前较强的空间电场力作用下，将加速与上层雷云电荷和低层异性电荷中和，还原成中性空气分子，从而大幅度减弱了局部电场强度，可抑制一般强度的雷电发生，当遇到超强雷电时，一旦接闪器处电场发生畸变产生接闪时，经板式多级电离处理单元处理后的残余电能也仅为小于120伏特的弱电，不会对转动部位造成任何损害，顺畅泄入至接地装置。

尽管为说明目的公开的本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，其特征在于：包括雷云电荷引聚单元、板式多级电离处理单元、异性电荷引聚与残余电流泄放单元，所述雷云电荷引聚单元包括金属板材及尖端电荷引聚体，在金属板材上制出若干尖端电荷引聚体；所述板式多级电离处理单元包括绝缘主板、电离极板，在绝缘主板上设置若干间隔的电离极板，在最上层电离极板设置接闪器引下线的上接入点；所述异性电荷引聚与残余电流泄放单元，为所述间隔的电离极板的最下层电离极板，该最下层电离极板的上部制有一排放电尖端，且下部折弯后制出异性电荷引聚尖端针排，异性电荷引聚与残余电流泄放单元设置接闪器引下线的下接入点。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，其特征在于：所述绝缘主板上设置至少三层电离极板，各电离极板之间为空气绝缘空间，所述电离极板相对的侧边均设置有金属尖端。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，其特征在于：所述各层电离极板的间距自上至下由宽变窄。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电机叶片抑制雷电流装置，其特征在于：所述雷云电荷引聚单元的金属板材为圆形或其它形状，所述尖端电荷引聚体为尖端角状或针状，所述尖端电荷引聚体制于圆形或其它形板的外周或上表面。

5.根据权利要求1-4所述的任意一项的风力发电机叶片抑制雷电流装置的安装结构，包括风力发电机叶片、接闪器、接闪器引下线、叶片法兰盘，其特征在于：所述雷云电荷引聚单元固定安装于风力发电机叶片尖端或叶片主体外壁上的接闪器上，所述板式多级电离处理单元及异性电荷引聚与残余电流泄放单元通过绝缘主板安装于风力发电机叶片根部或叶片法兰盘上，所述接闪器引下线包括引下线上段及引下线下段，所述引下线上段的一端连接接闪器，另一端连接至板式多级电离处理单元的引下线的上接入点，所述引下线下段的一端连接异性电荷引聚与残余电流泄放单元的接闪器引下线下接入点，另一端与叶片根部或与法兰盘连接，叶片根部或叶片法兰盘连接接地装置。

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