TWI588354B

TWI588354B - 監控一線股內之多電能線的方法

Info

Publication number: TWI588354B
Application number: TW102131844A
Authority: TW
Inventors: 喬奇德波爾
Original assignee: 渥班資產公司
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2017-06-21
Also published as: JP6253656B2; US20150253369A1; PL2904676T3; CA2885959C; CA2885959A1; DK2904676T3; WO2014053273A1; US9823288B2; RU2605081C2; CN104685748A; NZ706578A; AU2013327204B2; EP2904676A1; MX345920B; AU2013327204A1; ES2666413T3; JP2015533212A; NO2928427T3; CL2015000788A1; CN104685748B

Description

監控一線股內之多電能線的方法

本發明係關於一種用於監控含有多個電線(具體而言，電能線)之一線股的方法。此外，本發明係關於一種用於監控含有多個電線之一線股的監控裝置，且本發明係關於一種風力渦輪機。

吾人已知：可透過一風力渦輪機塔中之電線而將來自一風力渦輪機中之一發電機之電能向下轉移至塔底座，使得此電能可自該處繼續被轉移及/或進一步被處理。在一熟知實例中，發電機產生交流電，例如呈兩個三相交流電之形式。在其中定位發電機之機艙中整流此等交流電，且此程序中所產生之直流電經由直流電線而自機艙轉移，且因此自塔之頂部向下轉移至塔底座。為此，多個相同線通常經並聯配置以避免線因過粗而難以處置，且藉由使用多個並聯連接之線而達成所需之總線橫截面。例如，可經由一終端匯流條而在塔之頂部及塔之底座中電連接此等線。例如，此將允許16個線並聯連接，使得其等可在此匯流條處彼此電性且因此流電地連接。接著，所產生之直流電被供應至此匯流條或一類似組件，且理想上將沿個別線均勻被分佈。電線上之電流之均勻分佈基本上受實體限制。具體而言，若所有線具有相同橫截面及相同長度(即，約為塔之長度)，則其等將具有相同歐姆電阻，即，一般而言，其等將具有相同阻抗。相應地，各線載送相同電流。

實際上，可能存在缺陷或至少不可接受之不準確性。此意謂：例如，會發生可導致線之一者中之一過高電流之偶爾高轉移電阻、中斷、短路或類似者。漏電或連接不佳之個別線可意謂：較少電流流動，或在最壞情況中，完全無電流流動，且其他線必須對應地承擔及載送更多電流。

德國專利及商標局已研究本中請案之優先中請案中之以下先前技術：DE 10 2009 021 217 A1及EP 2 270 452 A2。

因此，本發明之目的為解決以上問題之至少一者。具體而言，應找到一簡化解決方案來監控多個並聯連接線之校正功能性以透過一塔而自一發電機向下載送一電流。特定言之，應使設備成本保持儘可能低，且亦應使失效可能性保持儘可能低。應提出至少一替代解決方案。

根據本發明，提出如請求項1之方法。此方法監控具有多個電線之一線股，其中該線股經設置以載送由一風力渦輪機中之一發電機產生之電能。因此，該線股載送一對應電流且因此載送由該發電機產生之該電能。因此，可產生尤其藉由整流由該發電機產生之電流之一者而進一步處理之電流。

此外，將量測電線之至少兩者上之溫度。此意謂：存在至少兩個可用線溫度，且將使此等量測溫度彼此比較，即，將比較各量測溫度與另一量測溫度。可藉由評估各自溫度之此彼此比較而找出該兩個溫度是否偏差超過預定臨限值。因此，此取決於此等溫度之間之關係。當然，亦可考量絕對溫度(例如)以識別線之一絕對過載。然而，本發明相關提出基於比較該兩個溫度。

此基於線被正常均勻充電之理念，具體而言，基於相同線載送相同量之電流之理念。若發生一故障，例如在該故障期間，線之一者具有一不佳接觸或(例如)會受損傷，則此線可具有更高電阻且對應地載送更少電流。接著，剩餘線(具體而言，受監控之至少另一線)將對應地載送更多電流。因此，此等不同電流導致兩個線中之不同加熱位準，且因此導致不同溫度，並最終導致超過預定臨限值之比較溫度之一偏差。

線中之溫度受一定範圍之其他因素影響，諸如總電流之容積，其在風力渦輪機中尤其受主風向條件影響。再者，塔中(即，其中安裝塔之位置處)之對應環境溫度可影響線溫度。此等或多或少之外部溫度因素影響相同或至少實質上相似之線股中之線。可藉由記載溫度差而自評估排除其他邊界條件。

此外，鑒於線電流減小之實例與另一線中之電流增大一起導致一可比較之溫度差且因此為適合於此線股中之一問題之一指示項。

可自已遇到之值或在開通調試(commissioning)之前取得之預先量測值預界定預定臨限值(其亦可被稱為邊際溫度差)。同樣地，應考量量測及記錄各自線上之至少一初始測試系統中之溫度，藉此識別溫度之正常偏差。因此，較佳地，此臨限值或邊際溫度差將被設定至超過所記錄之正常變動之一值。若記載三個或三個以上線上之溫度，則可有利地指定不同臨限值(即，邊際溫度差)，其尤其取決於何線與另一何線比較。亦可透過正常偏差(特定言之，上文所描述之正常變動)之預先量測及預先記錄而對應地指定此等不同臨限值。

亦可事先指定預定臨限值且接著在系統操作期間根據預先量測值而調適預定臨限值。

較佳地，若判定兩個溫度彼此偏差超過預定臨限值，則將發出亦可被視為一故障訊息之一警報信號。可將此一警報信號作為一內部信號傳送至可實施額外步驟(具體而言，使風力渦輪機減速，在一緊急情況下關閉風力渦輪機，或替代地或另外經由SCADA將一警報信號(諸如)發送至一控制中心)之一程序電腦或類似者。

較佳地，受監控之線股將被放置於風力渦輪機塔內，且由發電機產生之所有能量(減去損耗)將被向下轉移至塔。因此，具體而言，此監控程序係關於主要傳送電能之能量線的監控。對應地，以一方式佈置此等能量線以便載送一高電流(非僅為資訊)。亦將此等能量線聚集成意欲傳導一總電流之線股，其中此總電流被儘可能均勻地分佈於組成該線股之線上。因此，一故障或一線之故障連接將導致線之間之電流分佈的對應偏移。歸因於所預期之相對較高的電流，此將明顯變熱，且藉由對應線上之所提出的溫度比較而被記載。

較佳地，受監控之線股中之線將彼此並聯連接，且各線因此將能夠載送一相等高的電流。為此，該等線本質上係相同的，即，具有相同類型、相同設計及/或相同長度及/或相同橫截面。該等線將必然具有相同長度，此係因為整個線股及因此各個別線將宜自塔之頂部伸展至塔之底座，其中實際上可由一電線桿替換一塔。若此時線之橫截面係相同的且使用相同材料(特定言之，諸如銅或鋁)，則電線將具有大致相同之電導率。此外，若使用相同護套，則熱絕緣性亦將相同。較佳地，無論何種情況，將在所有位置使用相同線以防止使用具有一較大橫截面之一線，即使可使用具有一較大橫截面之一線，但其將難以處置。

較佳地，將沿線股之一縱向方向且在相同點處(具體而言，在塔之頂部中之一連接或量測點處或在塔底座中之一連接或量測點處)量測受監控之所有線的溫度。此將防止不同的量測點(具體而言，即不同量測高度)導致不同溫度，且從而減少所提出之比較的權重。此外，量測感測器至一評估裝置之一有用連接及塔頂部中(具體而言，風力渦輪機之一機艙中或塔底座中)之資料的進一步評定相對易於實施。接著，將基本上在一點處收集所有量測值且評估該點處之該等量測值，或將(諸如)藉由使該等量測值數位化而使該等量測值至少準備用於評估。

當使兩個溫度彼此比較且判定此等溫度是否彼此偏差超過一預定值時，該兩個溫度之一者亦可為若干溫度讀數之一平均值。以此方式，可計算所記錄之所有溫度(即，各線之溫度)之一平均值，且接著可比較各線上之個別溫度之各者與此平均值。然而，在此情況中，對準確性之要求可略微高於比較兩個明確量測溫度之要求，但其足以用於各線上之溫度之一比較，即，此溫度與該平均溫度之比較。因此，例如，若僅比較來自各線之各溫度與一平均溫度，則對於十個線，僅實施十個比較。若比較各線上之溫度與所有其他線上之溫度(如根據一實施例所提出)，則在所給實例中，將需要45個比較。

較佳地，溫度可用作為一類型之電力桿，其給出被傳送之電力之某一指示。例如，若發生一個別溫度偏差，則可發出一故障訊息。例如，此溫度偏差可為5℃。若(例如)一線超過75℃之一溫度，則亦提出在超過一最高絕對溫度時發出一故障訊息。

上文所描述之兩個情形中之故障訊息可包含一警報接點，在該警報接點中切換一警報開關，具體而言，使一警報開關短路，其接著可對應地用於評估目的。例如，故障訊息可觸發另一警報信號(諸如一警告燈)，且聲學警告信號及/或系統關閉。此外或替代地，故障訊息可經設置以發送一資料集。此可包含位置及時間，及任何其他所需細節(諸如明確量測溫度)，且相應地被具體轉發至一控制中心。

亦提出如請求項6之一監控裝置。此監控裝置經設計以監控由多個電線組成之一線股，使得該線股可傳導自一風力渦輪機中之一發電機產生之電能。該監控裝置包含位於該等電線之至少兩者上之一溫度感測器以量測此等線之各自溫度。此外，規劃用於使該等溫度彼此比較之一比較裝置，及用於判定兩個溫度(即，兩個線上之溫度)是否彼此偏差超過一預定臨限值之一評估裝置。特定言之，此一監控裝置經設計以能夠實施根據上文所描述之實施例之至少一者之程序。

較佳地，監控裝置將亦配備有用於處理所量測之溫度之一程序電腦，使得(特定言之)該程序電腦可為比較裝置及/或評定裝置。因此，可在該程序電腦上部分或完全地實施監控程序。

較佳地，各電線將配備有一溫度感測器以量測此等電線之各者之溫度且執行所描述之比較。使用一溫度相依精確電阻器作為一溫度感測器係有益的。此意謂：可輕易量測及進一步電處理溫度。同樣地，易於將此類型之感測器安裝於各線上。此意謂：即使諸多電線被歸集成一線股，亦仍可實施各個別線之所提出監控。在最簡單情況中，此僅需在受監控之電線之各者上具有一個溫度感測器，且需要一評估單元以收集所有溫度量測值且評估該等溫度量測值。較佳地，一評估單元或預評估單元將被安裝於感測器與程序電腦之間以將一類比測試信號轉換為一數位信號及/或簡化一測試信號。

若監控線股中之各線，則此涉及並聯連接之電線，該等電線傳導來自風力渦輪機中之發電機之能量且因此使對應電流分佈於其等之間。一線股意指聚集在一起之多個能量線，其等傳導已被產生之此電能，不管用於其他目的之額外線是否機械地連接至此線股，諸如自監控排除之資料線、接地線或地導體。

較佳地，此線股中之線及因此整個線股意欲載送直流電。

線股中之電線之並聯連接意謂：此等線至少在一連接點處具導電性，即，該等線經流電地連接。具體而言，此可位於一收集終端機或收集匯流條處。例如，可將應分佈於此等個別線之間之待傳導之電流可完全地傳送至此匯流條或終端機，且可自該處使電流均勻分佈於該等個別電線之間。然而，此等電線之各者與匯流條之間之一良好均勻電連接對電流之平衡分佈尤其重要。

此外，本發明提出一種風力渦輪機，其具有一塔、一頂部及一塔底座，及安裝於該塔之該頂部中以由風力產生電能之一發電機。該發電機將較佳地定位在安裝於該塔之該頂部處之機艙之一者中。此外，該風力渦輪機將包含由多個電線組成之一線股以傳導由該發電機產生之電能，具體而言，作為自該塔之該頂部至該塔底座之直流電。另外，規劃一監控裝置，如上文相對於一監控裝置中之至少一實施例所描述。較佳地，該風力渦輪機將監控該線股中之該多個電線，如上文相對於監控方法之實施例所描述。

較佳地，線股將被放置於塔中且將經由線股、透過塔而向下傳導由發電機產生之所有能量，即，所產生之全部輸出。將忽略此期間之任何損耗。較佳地，由發電機產生之輸出接著將被轉換為直流電，使得此直流電可由線股傳送。

較佳地，線股中之線將彼此並聯連接且各線將因此能夠載送一相等高電流。具體而言，電線因此具有相同橫截面。

圖1展示具有一塔102及機艙104之一風力渦輪機100。具有三個轉子葉片108及旋轉器110之轉子106係定位於機艙104上。轉子106係設定成藉由風力在一旋轉運動中操作，且藉此驅動機艙104中之一發電機。

圖2展示用於監控一線束2(其可被描述為一線股2)之一監控裝置1。線股2具有16個電線4，圖中展示電線之截面圖。所有電線4具有相同橫截面，且具體而言，具有相同類型及相同設計。具體而言，所展示之類型被稱為NYY1×40mm²。線股2中之此等16個電線4意欲載送一直流電，該直流電傳送一風力渦輪機中之一發電機的全部電輸出。

圖2中一起展示一終端裝置6上之線股2中之電線4。藉此，電線4之各者配備有一溫度感測器8，該溫度感測器在此處展示為一溫度可變電阻。將在監控裝置1中評估由溫度感測器8量測之溫度。因此，將監控裝置1直接安裝於終端裝置6旁邊，其可在實施期間具有結構性優點。然而，監控裝置1之位置不必對應於此一終端裝置，而是可沿線股2安置於另一點上。然而，一終端裝置6之使用亦簡化溫度感測器8之佈局且藉此增加溫度感測器8之佈局之可靠性。

監控裝置1包含一電力輸入件10，其之類型可對應於一正常電源供應器。此允許監控裝置1(具體而言，其內之一程序電腦)具有作為一電源之電能。因此，電力輸入件10係一評估區塊12之部分，其可被描述為此處僅一示意方式指示之評估單元。在評估區塊12中評估來自溫度感測器8之信號，具體而言，來自所展示之所有16個溫度感測器8之信號)。根據圖2中之繪示，16個溫度感測器8之八個向下指向且在溫度感測器8之接觸針處具有連接線14，該等連接線象徵性地表示為箭頭以指示評估區塊12中亦評估該等連接線。

替代地，評估區塊12之能量供應可來自資料線，其中與一或多個資料線之介面在此接出，其亦可用作為一電源供應器及一發出或接收路徑。

接著，評估區塊12比較已由一溫度感測器8量測之溫度，且只要兩個溫度彼此相差超過一預定值(具體而言，超過一預定不同溫度臨限值)，則評估區塊12發出一故障訊息。因此，該故障訊息可導致警報輸出件16上之一開關閉合或打開。可將一電路或評估電路附接至此件警報輸出16，使得此一切換信號可在外部被評估，或藉由切換警報輸出件16而即時產生另一警報信號或其他類型之警告訊息。即使關閉風力渦輪機，切換亦可在需要時即時觸發風力渦輪機中之一動作。

另外或替代地，警報資料輸出件18可發出含有所量測故障之類型及範疇之一資料集。具體而言，此一資料集可含有監控裝置之時間及位置或受影響之風力渦輪機之位置。此一資料集中亦可明確包含所記錄之溫度。因此，該資料集將含有來自所有電線4之溫度或僅含有導致觸發一故障訊息之偏差的線之溫度。

除監控溫度差之外，即，除使電線中之溫度彼此比較之外，監控裝置1亦監控絕對溫度。

在終端裝置6中，亦存在兩個接地線20，其等通常被描述為PE線，但根據規則，其等不應載送任何電流且因此亦無溫度感測器。16個電線4及此等兩個PE線20將被收容於一外殼22中。在外殼22外，亦將存在一安全線24及一額外輔助線26及一光纖28，風力渦輪機可使用該等線，但該等線對監控裝置1及由監控裝置1實施之監控程序而言並不重要。

以此方式，為保護塔佈線免受過載，具體而言，當存在並聯放置之多個電線時，提出進行監控。此基於歸因於可由高轉移電阻、中斷、短路或其他事件限制之可變電流之個別導體中及因此個別電線中之不同溫度。

所提出之監控意欲給塔佈線中之個別電線之各者提供保護以免受過載。

先前技術係關於：按比例加熱各電流載送導體，即，其取決於電流之強度。一般而言，電線及纜線被指定至高達一最高操作溫度。例如，NYY型纜線經設計以承受高達+70℃之一表面溫度。兩個或兩個以上線之並聯連接使電流以一理想方式均勻分佈於所有線上。此意謂：當使用相同類型及相同長度及設計之線時，加熱係相同的。由線之錯誤生產、裝配、安裝或操作導致之故障或技術缺陷可導致與電流成反比例之增大導電性電阻。一受影響線中之減小電流導致並聯連接之其他線中之電流增大，且因此導致溫度升高。溫度差在度量學上被判定、評估及識別為一錯誤。各個別線之一絕對溫度量測值意謂：當達到最高允許表面溫度(對於一NYY型線，其可為70℃)時，減少風力渦輪機輸出或停止渦輪機。

總體可被描述為一量測及監控系統之所提出之監控或監控裝置歸因於其應用之極大靈活性而備受關注。所提出之系統之工作基本上無關於纜線之類型或線之數目。監控裝置及對應方法未必需要用於塔內，而是亦可於其中運行電線之線股之其他點處，諸如在機艙中或在電氣設備之一額外建築中。此係歸因於電線中之電流在各線之整個長度中係相等之事實。

1‧‧‧監控裝置

2‧‧‧線股/線束

4‧‧‧電能線/電線

6‧‧‧終端裝置

8‧‧‧溫度感測器/溫度相依精確電阻器

10‧‧‧電力輸入件

12‧‧‧評估區塊/評估裝置

14‧‧‧連接線

16‧‧‧警報輸出件

18‧‧‧警報資料輸出件

20‧‧‧接地線/PE線

22‧‧‧外殼

24‧‧‧安全線

26‧‧‧輔助線

28‧‧‧光纖

100‧‧‧風力渦輪機

102‧‧‧塔

104‧‧‧機艙

106‧‧‧轉子

108‧‧‧轉子葉片

110‧‧‧旋轉器

舉例而言，上文中藉由參考附圖之一例示性實施例而更詳細描述本發明。

圖1展示待用於一風力場中之一風力渦輪機之一透視圖。

圖2展示具有來自一線股之多個電線之一終端匯流排。