CN102767487A - 用于风力涡轮机的防雷保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于风力涡轮机的防雷保护系统。描述了用于风力涡轮机（1）的防雷保护系统。其包括至少一个绝缘高压电缆（12a）、拾取单元（14）和附加绝缘高压电缆（12b）。所述至少一个绝缘高压电缆（12a）被电气连接到雷电接收器和拾取单元（14）。该拾取单元（14）能够借助于附加绝缘高压电缆（12b）而电气连接到电气接地构件（5、6）。

Description

用于风力涡轮机的防雷保护系统

技术领域

本发明涉及用于风力涡轮机的防雷保护系统。它进一步涉及风力涡轮机和用于保护风力涡轮机的组件（例如电气组件）免受雷击的方法。

背景技术

当雷电撞击到风力涡轮机时，该雷电通常击中一个或多个叶片的区域，来自雷击的电流从那里通过传导装置（例如引下线（down conductor））在叶片内部或外部传导到一个或多个风力涡轮机组件（例如轮毂、机舱和塔架）并且进一步向下传导到地。于是，目标是确保来自雷击的电流在其通过风力涡轮的路线上不会到达任何电气组件（例如发电机或转换器）或将会被雷击的大能量损坏的其他关键组件（例如主轴承或变速箱）。

从雷击产生的强电磁场、大电流以及高电压的组合将损坏风力涡轮机的发电机或其他电气组件。具有一种直接驱动风力涡轮机（也被称为无齿轮风力涡轮机），其使得更难以在不会特别损坏发电机的情况下将雷击从一个或多个叶片传导通过风力涡轮机，因为它直接连接到风力涡轮机的叶片轮毂。具有一种带有利用外部旋转转子的发电机的直接驱动风力涡轮机，其使得甚至更难以找到一种将来自风力涡轮机的叶片上的雷击的电流传导到地而不损坏发电机的方式。

在风力涡轮机的现有技术设计中，雷击由叶片的引下线直接传导到轮毂，其将进一步将来自雷击的电流传导到机舱并且进一步向下传导到地。这种种类的防雷保护系统不会工作于直接驱动风力涡轮机，在该直接驱动风力涡轮机处，发电机直接连接到轮毂，所以发电机于是可能被雷击损坏。

从专利US 7,377,750 B1，已知具有一种防雷保护系统，其用于将雷击传导到叶片并进一步传导到围绕叶片轮毂的区域并且沿着风力涡轮机的叶片轮毂和关键组件周围的路径。该解决方案的难点在于，尽管轮毂周围的雷电传导路径非常长，具有一个或多个方向变换或回转并且在该路径具有方向变换或回转的每个地方，存在来自雷击的电流从雷电传导路径跳到接近于该雷电传导路径的组件（比如例如叶片轮毂）并且然后进一步到发电机的巨大风险。

发明内容

因此，本发明的第一目的在于提供一种用于风力涡轮机的改进的防雷保护系统。本发明的第二目的在于提供一种克服先前提到的困难并且降低所提到的风险的有利风力涡轮机。本发明的第三目的在于提供一种用于保护风力涡轮机的组件免受雷击的有利方法，其降低了来自雷击的电流从雷电传导路径跳到接近于该雷电传导路径的组件并且然后进一步到发电机的风险。

通过如权利要求1中所述的用于风力涡轮机的防雷保护系统来解决第一目的。通过如权利要求4中所述的风力涡轮机来解决第二目的。通过如权利要求15中所述的保护风力涡轮机的组件免受雷击的方法来解决第三目的。从属权利要求限定本发明的其他发展。

本发明的用于风力涡轮机的防雷保护系统包括至少一个绝缘高压电缆。此外，该防雷保护系统包括拾取（pick-up）单元和附加绝缘高压电缆。该至少一个绝缘高压电缆例如在其第一端部处以电气方式连接到雷电接收器（receptor）。此外，该至少一个绝缘高压电缆例如在其第二端部处以电气方式连接到拾取单元。该拾取单元能够借助于所述附加绝缘高压电缆进一步以电气方式连接到电气接地构件。

绝缘高压电缆的使用具有下述优点，来自风力涡轮机的组件（例如风力涡轮机叶片）上的雷击的电流可以从该组件传导到电气接地构件（例如风力涡轮机的塔架），而不会到达敏感电气组件（比如定子绕组和转子的永久磁体）并且还会回避关键部件（比如主轴承）。

用于防雷保护的标准电气隔离高压电缆（还被缩写为HV电缆）可以被用作HV电缆并且可以以简单的方式（在例如转子叶片和风力涡轮机的内部轴上的附着区域之间不存在若干个方向变换或回转）驱动。

此外，拾取单元的使用具有下述优点，仅一个附加绝缘HV电缆对将来自雷击的电流传导到电气接地构件（例如风力涡轮机塔架）是必需的。在这种情况下，仅一个HV电缆通过风力涡轮机的关键电气组件（比如发电机或转换器）或可能会被雷击的大能量损坏的其他关键组件（比如主轴承或变速箱）。

优选地，屏蔽设备（例如屏蔽软管（hose）或屏蔽管）被安装在至少一个HV电缆周围或附加HV电缆周围。备选地，屏蔽设备或屏蔽装置（例如屏蔽软管或屏蔽管）可以直接在所述至少一个HV电缆中或附加HV电缆中实施。该屏蔽设备可以由金属材料制成。此外，该屏蔽设备可以通过特定的支架安装和/或承载。可以在HV电缆周围安装的附加屏蔽软管或管（例如金属屏蔽软管或管）的使用降低了HV电缆周围的电磁场。

例如，该至少一个HV电缆和/或附加HV电缆可以借助于滑动环和/或接触电刷和/或火花隙（spark gap）而电气连接到拾取单元。

本发明的风力发电机包括如先前所述的防雷保护系统。一般来说，本发明的风力发电机具有与先前所述的本发明的防雷保护系统一样的优点。

本发明的风力涡轮机可以包括旋转轴。优选地，拾取单元可以被放置在旋转轴处。此外，该风力涡轮机可以包括中央单元。该中央单元可以位于旋转轴处。在这种情况下，拾取单元可以有利地位于中央单元处。该风力涡轮机可以包括轮毂。该轮毂可以包括中央轮毂单元。拾取单元可以位于中央轮毂单元处。该风力涡轮机可以进一步包括主轴。该主轴可以包括中央主轴单元。在这种情况下，拾取单元可以优选地位于中央主轴单元处。

例如处于中央轮毂单元或中央主轴单元的拾取单元的中央位置使得有可能以简单的方式将该拾取单元连接到电气接地构件（其可以例如是风力涡轮机塔架），所述简单的方式不需要若干的方向变换或回转并且不会到达敏感关键组件，比如定子绕组和转子的永久磁体。此外，可以通过例如用仅一个附加HV电缆将仅一个位于中央的拾取单元连接到接地构件而有效地回避比如主轴承的关键部件。

中央轮毂单元或中央主轴单元可以包括至少一个电滑动环或多个电滑动环和/或液压连接轴（union）。

本发明的风力涡轮机可以包括至少一个转子叶片。该转子叶片可以包括雷电接收器。该雷电接收器可以被连接到至少一个HV电缆。例如，雷电接收器可以借助于叶片引下线被连接到至少一个HV电缆。叶片引下线可以优选地位于叶片内部。叶片的引下线可以有利地被连接到叶片内部的电气隔离HV电缆的第一端部。HV电缆的第二端部可以被附着到拾取单元或拾取结构，其位于中央轮毂单元或中央主轴单元处。

风力涡轮机可以包括风力涡轮机塔架。其可以附加地包括位于塔架和风力涡轮机的机舱之间的过渡（transition）件。中央轮毂单元和/或中央主轴单元到塔架或到过渡件之间的另一电气连接可以通过附加HV电缆实现。该附加HV电缆可以有利地被附加地屏蔽和隔离。这将允许机舱中非常低的电磁场条件。

优选地，拾取单元或拾取结构是电气隔离的，例如通过隔离承载结构。其可以优选地从中央轮毂单元和/或轮毂和/或主轴和/或中央主轴单元隔离。拾取单元或拾取结构的电气隔离提供对敏感电气组件和关键部件（比如主轴承）的高效保护以免被雷击损坏。

此外，风力涡轮机可以包括电气接地构件。其还可以包括至少一个避雷导线，该避雷导线借助于绝缘高压电缆电气连接到电气接地构件。该电气接地构件可以是例如风力涡轮机塔架或位于塔架和机舱之间的过渡件。该至少一个避雷导线可以例如是Franklin避雷针。避雷导线或Franklin避雷针可以位于机舱处。借助于绝缘HV电缆的避雷导线到接地构件的连接降低了由雷击在机舱中引起的电磁场并且同时保护风力涡轮机的敏感电气组件和敏感机械组件免受雷击。

一般来说，风力涡轮机可以是直接驱动风力涡轮机。此外，风力涡轮机可以包括具有外部转子系统的发电机或具有内部转子系统的发电机。先前描述的防雷保护系统可以以相同的方式被应用于外部转子发电机和内部转子发电机。

本发明的用于保护风力涡轮机的组件（尤其是电气组件）免受雷击的方法与包括电气接地构件和至少一个雷电接收器的风力涡轮机有关。该方法的特征在于借助于HV电缆将至少一个雷电接收器电气连接到拾取单元并且借助于附加HV电缆将拾取单元电气连接至电气接地构件。一般来说，用于将该至少一个雷电接收器连接到拾取单元的HV电缆可以具有与用于将该拾取单元连接至电气接地构件的HV电缆相同的特性。

本发明的方法具有与先前描述的本发明的防雷保护系统和先前描述的本发明的风力涡轮机相同的优点。

在本发明的上下文中，词语“附加”仅用来使两个提到的HV电缆彼此区别。

附图说明

根据结合附图的实施例的下面的描述，本发明的其他特征、特性和优点将变得清楚。所有提到的特征彼此分开或以任何组合是有利的。

现在将参考图1至5来描述本发明的实施例。

图1示意性示出风力涡轮机。

图2示意性示出本发明的风力涡轮机的部件。

图3示意性示出拾取结构的部件。

图4示意性示出用于将高压电缆的第二端部彼此连接以及与接触电刷连接的示例。

图5示意性示出两个滑动环之间的电气连接。

具体实施方式

图1示意性示出风力涡轮机1。该风力涡轮机1包括塔架5、机舱2和轮毂7。该机舱2位于塔架5的顶部。过渡件6位于塔架5和机舱2之间。轮毂7包括多个风力涡轮机叶片8。轮毂7被安装到机舱2。此外，轮毂7被枢轴安装以使得它能够围绕旋转轴26旋转。机舱2包括远侧27，其相对于轮毂7而定位。

发电机3位于机舱2内部。发电机3包括面对轮毂7的近侧24和相对于轮毂7的远侧25。一般来说，发电机3可以具有外部转子配置或内部转子配置。风力涡轮机1是直接驱动风力涡轮机。

图2示意性示出本发明的风力涡轮机1的部件。风力涡轮机1包括直接驱动发电机3，其位于机舱2和轮毂7之间。备选地，直接驱动发电机3可以位于机舱2内部。风力涡轮机1包括防雷保护系统，其包括一个或多个电气隔离高压电缆12（HV电缆）。屏蔽设备（例如屏蔽软管或管13）被安装在HV电缆12周围或者可以直接在HV电缆12中实施。

转子叶片8每个都包括至少一个雷电接收器，其在图2中没有被示出。雷电接收器被连接到叶片引下线11，其将雷电电流朝向叶片根部22引导。该叶片根部22是叶片8的一部分，在那里叶片8连接到轮毂7。叶片引下线11优选地被放置在叶片8内部。

叶片引下线11被连接到HV电缆12a。在图2中，叶片引下线11和HV电缆12a之间的连接位于接近于叶片根部22的转子叶片8内部。备选地，叶片引下线11和HV电缆12a之间的连接可以位于轮毂7内部。换句话说，HV电缆12a的第一端部被连接到叶片引下线11。HV电缆12a的第二端部被连接到拾取单元14或拾取结构14。

风力涡轮机1的内部结构除了别的之外还包括底座框架9、主轴10、主支撑结构21和机壳4内的电气系统。这些组件可以优选地位于机舱2内部。风力涡轮机机舱2被经由过渡件6安装，该过渡件6还包括风力涡轮机塔架5上的偏航部。

优选地，拾取单元14位于旋转轴26处。风力涡轮机1可以包括中央主轴单元或中央轮毂单元。在这种情况下，该拾取单元14可以位于中央主轴单元或中央轮毂单元处。中央轮毂单元可以包括电滑动环和液压连接轴。

拾取单元或拾取结构14通过隔离承载结构15与中央轮毂单元和/或中央主轴单元以及轮毂7或主轴10电气隔离。一般来说，具有拾取结构14或拾取单元14的中央轮毂单元可以放置在主轴10内部或轮毂7内部。取决于其放置，该单元的不同部件以及因此还有附着的防雷保护系统的不同部件将处于静态相应地旋转。

塔架5和/或过渡件6形成电气接地构件或者包括电气接地构件。借助于附加绝缘HV电缆12b，拾取单元或拾取结构14被电气连接到电气接地构件。该附加HV电缆12b进一步朝向电气接地构件（例如过渡件6）分配雷电电流。附加HV电缆12b包括屏蔽设备13b。该屏蔽设备13b可以具有与其他HV电缆12、先前所述金属软管或管13的上下文中的特性相同的特性。

屏蔽软管13a借助于支架18在其第一端部处连接到轮毂7。屏蔽软管13a借助于特定支架18在其第二端部处连接到轮毂或连接到拾取单元14或连接到中央轮毂单元或连接到中央主轴单元。屏蔽软管13b借助于特定支架18连接到隔离承载结构15。借助于支架18屏蔽软管13b利用其第二端部连接到过渡件6的特定突出体19。

附加HV电缆12b的第一端部被连接到拾取单元14。该附加HV电缆12b的第二端部例如电气连接到过渡件6或连接到塔架5或连接到另一电气接地构件。在图2中，附加HV电缆12b的第二端部通过金属支架19被安装在过渡件6内部。

一般来说，HV电缆12和拾取单元14之间的连接通过滑动环和/或电刷（例如碳电刷或接触电刷）和/或火花隙来实现。这些连接装置（例如滑动环、电刷或火花隙）优选地位于主轴10的中心区中。在图2中，高压电缆12a借助于接触电刷17被连接到拾取单元14。连接电刷17借助于隔离承载装置16被连接到轮毂17。

此外，在图2中，机舱2包括Franklin避雷针20。该Franklin避雷针20位于机舱2的顶部上和机舱2的远侧27处。机舱2上的Franklin避雷针或多个Franklin避雷针20另外提供对风力涡轮机1的外部防雷保护。为了安全地将雷电电流引导到地，HV电缆12c的第一端部被连接到Franklin避雷针20。该HV电缆12c的第二端部被连接到风力涡轮机1的电气接地构件。该HV电缆12c具有与先前描述的HV电缆12a和12b相同的特性和优点。例如，它可以通过金属支架19安装到过渡件6内部。

为了限制HV电缆12c周围的电磁场，附加金属软管或管13c被安装在该电缆12c周围。屏蔽软管13c的第一端部被特定支架18连接到机舱。该屏蔽软管13c的第二端部也借助于特定支架18连接到过渡件6的特定突出体19。

图3示意性地详细地示出拾取结构14或拾取单元14的部件。该拾取单元14被连接到中央单元30或者接近于中央单元30定位。该拾取单元14包括滑动环31和钢环32。钢环32借助于具有绝缘层34的屏蔽笼33隔离。具有绝缘层34的屏蔽笼33允许机舱2中非常低的电磁场条件。

一般来说，屏蔽软管13可以是钢制软管。而且屏蔽笼33可以由钢制成或者可以包括钢。绝缘层34可以例如包括玻璃纤维增强聚合物（GFRP）。

高压电缆12a（该高压电缆12a利用其第一端部连接到叶片引下线11）借助于接触电刷17利用其第二端部连接到钢环32。接触电刷17借助于隔离承载装置16连接到轮毂7。作为对使用接触电刷17的代替，高压电缆12a和钢环32之间的电气传导连接可以通过火花隙来实现。参考数字14指示电气连接。

附加HV电缆12b被电气传导连接到钢环32。在图3中，附加HV电缆12b的屏蔽软管13b借助于螺栓连接35连接到屏蔽笼33。

作为对图3中示出的实施例的备选，钢环32可以围绕轮毂7旋转并且可以借助于接触电刷连接到附加HV电缆。在这种情况下，在图3中，高压电缆12a可以被看作附加HV电缆并且HV电缆12b可以被看作连接到叶片引下线的HV电缆。

图4示意性示出用于将高压电缆的第二端部彼此连接并且与接触电刷连接的示例。第一高压电缆41连接到第一叶片8的一个或多个雷电接收器。第二高压电缆42连接到第二叶片8的一个或多个雷电接收器。第三高压电缆43连接到第三叶片8的一个或多个雷电接收器。三个HV电缆41、42和43中的每一个都连接到环状HV电缆44。

环状HV电缆44包括两个接触电刷17a和17b。在图4中，第一接触电刷17a位于第二HV电缆42与环状HV电缆44的连接以及第三HV电缆43与环状HV电缆44之间的连接之间。第二接触电刷17b位于第三HV电缆43与环状HV电缆44的连接以及第一HV电缆41与环状HV电缆44的连接之间。HV电缆41、42、43和44可以借助于接触电刷17a和17b连接到钢环32。

图5示意性示出两个滑动环51和52之间的电气连接。滑动环连接53将第一滑动环51与第二滑动环52连接。滑动环连接53包括高压电缆连接54。

还要注意，如果没有以其他方式提到，在本文档内，术语“连接”或“被连接”意味着被电气连接。因此，可以在相应组件之间直接建立电气连接或者经由处于电气传导的一个或多个其他组件来间接建立电气连接。

Claims (15)

1.一种用于风力涡轮机（1）的防雷保护系统，其包括至少一个绝缘高压电缆（12a），其特征在于：

所述防雷保护系统包括拾取单元（14）和附加绝缘高压电缆（12b），所述至少一个绝缘高压电缆（12a）被电气连接到雷电接收器和拾取单元（14），该拾取单元（14）能够借助于附加绝缘高压电缆（12b）被电气连接到电气接地构件（5、6）。

2.根据权利要求1所述的防雷保护系统，其特征在于，

屏蔽设备（13）被安装在所述至少一个高压电缆（12a）周围或所述附加高压电缆（12b）周围，或者被直接实施在所述至少一个高压电缆（12a）中或所述附加高压电缆（12b）中。

3.根据权利要求1或2所述的防雷保护系统，其特征在于，

所述至少一个高压电缆（12a）和/或所述附加高压电缆（12b）借助于滑动环（31）和/或接触电刷（17）和/或火花隙被电气连接到拾取单元（14）。

4.一种包括根据权利要求1至3中任一项所述的防雷保护系统的风力涡轮机（1）。

5.根据权利要求4所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机包括旋转轴（26），并且所述拾取单元（14）被放置于所述旋转轴（26）处。

6.根据权利要求4或5所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机包括旋转轴（26）和位于所述旋转轴（26）处的中央单元（30），其中所述拾取单元（14）位于所述中央单元（30）处。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机包括具有中央轮毂单元的轮毂（7）并且所述拾取单元（14）位于所述中央轮毂单元处。

8.根据权利要求4至6中任一项所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机包括具有中央主轴单元的主轴（10）并且所述拾取单元（14）位于所述中央主轴单元处。

9.根据权利要求7或8所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述中央轮毂单元或中央主轴单元包括至少一个电滑动环和/或液压连接轴。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机包括至少一个转子叶片（8），所述转子叶片（8）具有连接到所述至少一个高压电缆（12）的雷电接收器。

11.根据权利要求4至10中任一项所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述拾取单元（14）是电气隔离的。

12.根据权利要求11所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机（1）包括轮毂（7）和/或主轴（10）和/或中央轮毂单元和/或中央主轴单元，并且所述拾取单元（14）与所述轮毂（7）和/或主轴（10）和/或中央轮毂单元和/或中央主轴单元电气隔离。

13.根据权利要求4至12中任一项所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机包括电气接地构件（5、6）以及至少一个避雷导线（20），所述至少一个避雷导线（20）借助于绝缘高压电缆（12c）电气连接到电气接地构件（5、6）。

14.根据权利要求4至13中任一项所述的风力涡轮机（1），其特征在于，

所述风力涡轮机（1）是直接驱动风力涡轮机。

15.一种用于保护风力涡轮机（1）的组件免受雷击的方法，其中所述风力涡轮机（1）包括电气接地构件（5、6）以及至少一个雷电接收器，其特征在于，

借助于高压电缆（12）将所述至少一个雷电接收器电气连接到拾取单元（14）并且借助于附加高压电缆（12）将所述拾取单元（14）电气连接到电气接地构件（5、6）。

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