JP6896728B2 - 風力タービンの回転翼に組み込まれる電気システムにおける雷電流分布に影響を与えるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１による、回転翼先端から回転翼根まで、さらにはアースまで、放電装置を介して雷電流を案内するために、少なくとも１つの雷電流受部が各々の回転翼に位置付けられる、風力タービンの回転翼に組み込まれる電気システムにおける雷電流分布に影響を与えるための方法に関する。

風力発電施設のための回転翼が、ＤＥ１０２００７０５０００９Ａ１から以前より知られており、回転翼は雷保護システムを備えている。回転翼本体は、雷衝撃のための場所となるように適合された受入部、つまり受部を備えている。さらに、絶縁された引下げ導体要素が回転翼本体内に存在し、絶縁された引下げ導体と、少なくとも１つの受部とは互いと接続されている。さらに、絶縁体として引下げコネクタを覆う誘電体シートが存在している。引下げ導体はアース接続に接続している。

雷保護システムを備える風力発電設備が、ＤＥ１００２２１２８Ｃ１から以前より知られている。対応する雷保護システムは、大きな雷電流を受け入れることができ、その雷電流を、火花間隙を介してタワーへと放電し、さらに接地接続に向けて接地へと放電するものである。それぞれの雷保護システムは、雷電流が回転子軸受を介しても既存の主軸受を介しても流れることがないことを確保し、その目的のために、複数の火花間隙が必要になる。このような雷保護システムでは、ガルバニック分離された雷保護装置が、回転翼による静帯電に曝される。回転翼の静帯電は、風力発電設備の回転する回転翼の空気摩擦によって発生する。静帯電は、火花間隙のフラッシュオーバ電圧に達するまで起こる。結果として、火花連絡が起こる。しかしながら、この火花連絡は、風力発電設備の電子的構成部品に支障を与え得る高帯域の電磁波を生成する。

回転翼のこの帯電を防止するために、連続的な放電が提案されている。この点において、回転翼の静帯電が回避されるような小さいインピーダンスのものであり、さらには３０ｋＶ以上の大きさになるサージ電圧に耐えることができる連続的な放電経路が形成される。この点において、オーム抵抗器およびインダクタンスの直列接続から成る放電回路が存在している。

したがって、以前より知られている教示は、雷保護の問題に加えて、回転翼の静帯電の問題に関係する。放電回路およびインダクタンスを用いて回転翼を連続的に放電するための以前より知られている装置は、放電電流が小さい振幅の直流を示しているため、静電放電の間に動作しない。雷撃の場合、電圧は、用いられる火花間隙において増加する。電圧の高さは、とりわけ、距離、コンタクトチップの曲げ半径、および空気湿度に依存する。ここでのインダクタンスは、静電引下げ導体を通じて流れる雷電流の上昇を制限する。これは、放電抵抗器のための静的な保護をもたらす。可能性のある妥当な雷電流分布は、先行技術の以前より知られる教示では対処されていない。

風力タービンは、構造的な高さの上昇およびその曝される位置の上昇のため、落雷の可能性が高いことが知られている。風力タービンの回転翼は、この場合特に、直接的な落雷によってしばしば打たれる。そのため、前述したように、回転翼に、雷を阻止するための装置と、雷電流を回転翼先端から回転翼根へと放電するための装置とを搭載することが知られている。このような装置は、通常は受部と称され、それぞれの回転翼の一体部品である。

さらに、電気システムまたは電子システムを含む回転翼が益々使用されてきている。これらの電気システムまたは電子システムは、例えば、回転翼先端において警告灯を駆動するように、回転翼のピッチ角を設定するように、回転翼を加熱するように、または他の目的のために機能する。

基本的に、これらの電気システムまたは電子システムを雷保護等電位ボンディングに含むことが必要である。しかしながら、追加の電気システムの電気的分岐が過大な部分雷電流によって負荷が掛けられ、そのため結果として、それぞれのシステムにおける電気的構成部品が損傷または破壊される可能性がある。

前述のことから、回転翼先端から回転翼根まで、さらにはアースまで、放電装置を介して雷電流を案内するために、少なくとも１つの雷電流受部が各々の回転翼に位置付けられる、風力タービンの回転翼に組み込まれる電気システムにおける雷電流分布に影響を与えるための方法を提案することが、本発明の課題である。その課題によれば、雷保護等電位ボンディングへの回転翼内の追加の電気システムの必要な組み込みとは別に、これらのシステムは過大な部分雷電流に対して保護されることが確保されるべきである。

本発明の課題の解決策は請求項１による教示によって実施され、従属請求項は、少なくとも適切な構成と、さらなる発展とを含む。

それによって、方法の教示は、回転翼に位置決めされるそれぞれの電気システムと、回転翼に位置決めされる放電装置の部分との間で、少なくとも１つの、好ましくはいくつかの過電圧アレスタを配置するという基本的な考えを目指している。

過電圧経路または等電位化経路におけるそれぞれの追加インピーダンスによって、雷の事象において流れる部分電流が電気システムによって低減される。

追加インピーダンスは、この場合、雷の事象において、電気システムと放電装置との間に結果生じる電位差が、それぞれの電気システムの絶縁耐力と、それぞれの電気システムと放電装置との間での必要とされる分離距離とに適合されるように、本発明によれば設計される。

したがって、意図された目標インピーダンス増加は、電気システムと実際の放電装置との間の過電圧放電経路において実施され、その結果、雷電流分布は、保護される電気システムまたは電子システムと、それぞれの電気回路とにおける部分雷電流の低下が達成されるように影響を受ける。

追加インピーダンスのそれぞれの電気システムの絶縁耐力との設計の調和、それに伴う、相互に分離されたシステム同士の間、つまり、実際の電気システムと放電装置との間の分離距離の設計の調和とは、その調和が本発明による実施のために必要であり、対応する電気システムを含む風力タービンの回転翼において、特に有利な手法で実現され得る。必要とされる分離距離は、すべての状況および条件の下で簡単な手法で風力タービンの回転翼において実現されるとは限らない。回転翼に組み込まれるまたは存在する電気システムと雷電流散逸部との間の、回転翼の幾何学的構造によって決まる分離距離が十分であるかどうかは、回転翼の全長に沿って確認される必要がある。２つのシステムの間の電圧がそれぞれの絶縁耐力を超える場合、追加の等電位ボンディングが、本発明による手法で設けられなければならない。

好ましい設計では、追加インピーダンスおよびその電気的相互接続は、電圧降下を追加インピーダンスにわたって維持するように、および、大きな雷電流勾配の場合にそれぞれの電気システムと放電装置と間の電位差を低く維持するように、低インダクタンスのものとなるように形成される。

本発明の設計では、必要な全体の追加インピーダンスは、電圧降下を制限するためのそれぞれの電流経路にわたっていくつかの小さい個別のインピーダンスを分布させることで実現され得る。

追加インピーダンスは、より大きい伝導性の材料によって実現でき、半導体材料を使用することでも実現できる。例えば、具体的には貴重な鋼鉄またはステンレス鋼といった大きい伝導性の材料が、負荷が掛けられるべき設備の部分における銅と比較して、部分雷電流によってできるだけ少なく使用され得る。

所望の前記追加インピーダンスは、それぞれの過電圧アレスタにおける目標インピーダンス増加によって実現されてもよい。例えば、大きくなった定格電圧を有するバリスタ、または、大きくなったアーク電圧を有する火花間隙は、過電圧アレスタとして使用されてもよい。しかしながら、追加的に外部に配置される追加インピーダンスが設けられる、例えばバリスタまたは火花間隙といった標準的な過電圧アレスタを、使用することも可能である。

本発明は、図を用いた例示の実施形態に基づいて、以下においてより詳細に説明されている。

放電装置としてのアース線と、回転翼に配置された、ここでは回転翼ヒータであり得る電気システムとに接続され、例として２つの受部を備える風力タービンの回転翼の概略図である。 過電圧保護装置を、電気システムとアース線または放電装置との間で回転翼内に設けられた追加インピーダンスと共に備える、図１と同様の図である。

図１および図２による描写では、風力タービンの回転翼５を基準としている。

回転翼５では、例えば、２つの受部１は雷捕捉要素として形成されている。雷電流をアースへと案内できる放電装置としてのアース線が、受部１同士の間に位置付けられている。電気システム、具体的には、回転翼ヒータのための電気負荷３が、電力供給配線７を介して外部電力源６に接続されている。

図１において象徴的に示しているように、電力供給配線７とアース線２または放電装置との間の実際の分離距離は１ｍ以下である。

ＥＮ６２３０５−３により実際に必要とされる分離距離は、次のように導き出される。
ｓ＝ｋ_ｉ・ｋ_ｃ／ｋ_ｍ・ｌ
ここで、
ＬＰＬ１についてｋ_ｉ＝０．０８
空気についてｋ_ｍ＝１．０
ｎ＝１についてｋ_ｃ＝１．０（放電回数）
ｌ＝５０ｍ

したがって、分離距離は４ｍとなるべきである。図１による描写から、実際の分離距離は、必要とされる分離距離よりはるかに小さいことが明らかである。したがって、雷保護等電位ボンディングへと組み込まない場合、その結果は、受部１における雷衝撃の事象において、電力供給配線７と併せて電気負荷３の完全な破壊を伴う火花連絡となる。

図２による描写では、例では、追加インピーダンスを有する３つの過電圧保護装置４の配置が、電気負荷３との間、つまり、電力供給配線７とアース線２との間に、目標とされるように形成されている。

この配置は、電力供給配線７を伴う電気負荷３を、象徴的に示されたアースに向けてのアース線２を介して、等電位ボンディングへと組み込ませることができる。

追加インピーダンス４を伴う過電圧保護装置を介しての電圧降下は、アース線２と電力供給配線７との間の電位差に等しく、例えば２００ｋＶである。２００ｋＶにおいて、分離距離は８００ｍｍ以上である。これは、約１ｍの実際の分離距離が火花連絡を回避するのに完全に十分であることを意味する。同時に、電気負荷３または電力供給配線７を介しての過大な部分雷電流の流れは、追加インピーダンスを有する過電圧保護装置を形成することで連続的に防止され得る。

したがって、提示した解決策は、風力タービンの回転翼に存在する追加の電気システムを、等電位ボンディングに組み込ませることができるだけでなく、追加の電気システムのそれぞれの電気的分岐が、部分雷電流によって不必要に負荷の掛けられないことも確保している。主の雷電流は、受部とアース線または放電装置を含む、回転翼においてその目的のために提供および設計された雷保護システムを介して、なおも流れることになる。

Claims (3)

1. 回転翼先端から回転翼根まで、さらにはアースまで、放電装置を介して雷電流を案内するために、少なくとも１つの雷電流受部が各々の回転翼に位置付けられ、前記回転翼に位置決めされるそれぞれの前記電気システムと、前記回転翼に位置決めされる前記放電装置の部分との間で、少なくとも１つの過電圧アレスタが配置されている、風力タービンの回転翼に組み込まれる電気システムにおける雷電流分布に影響を与えるための方法であって、
   それぞれの追加インピーダンスによって、雷の事象において前記電気システムを流れる部分電流が低減され、前記追加インピーダンスは、この場合、雷の事象において、前記電気システムと前記放電装置との間に結果生じる電位差が、それぞれの前記電気システムの絶縁耐力と、それぞれの前記電気システムと前記放電装置との間での必要とされる分離距離とに適合されるように設計され、
   前記追加インピーダンスおよびその電気的相互接続は、前記追加インピーダンスを上回る電圧降下を維持するように、および、大きな雷電流勾配の場合にそれぞれの前記電気システムと前記放電装置と間の電位差を低く維持するように、低インダクタンスのものとなるように形成され、
   必要な全体の前記追加インピーダンスは、電圧降下を制限するためのそれぞれの電流経路にわたっていくつかの小さい個別のインピーダンスを分布させることで実現され、
   前記追加インピーダンスは、より大きい伝導性の材料によって、または、半導体材料を用いて実現されることを特徴とする方法。
2. 前記分離距離は前記追加インピーダンスによって変化し得ることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 所望の前記追加インピーダンスは、それぞれの前記過電圧アレスタにおける目標インピーダンス増加によって実現されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。

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