CN103603775A - 防雷装置、直驱风力发电机组及其雷电防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种防雷装置、直驱风力发电机组及其雷电防护方法，涉及防雷装置技术领域，能够使雷电流沿着新的外部通道流通而不经过直驱风力发电机组中的各个轴承。具体包括设置在非金属叶片上的用于接收雷电流的接闪器及与该接闪器电气连接的叶片引下线，第一引雷电流部件，与所述叶片引下线电气连接，且与发电机转子的外表面绝缘连接；第二引雷电流部件，与所述发电机转子的外表面和绝缘机舱罩绝缘连接，所述第二引雷电流部件通过金属导体与所述第一引雷电流部件电气连接；防雷引下线，用于电气连接所述第二引雷电流部件与设置于塔筒内的接地部件，以通过塔筒将雷电流泄放到大地。本发明适用于直驱风力发电机组的防雷保护。

Description

防雷装置、直驱风力发电机组及其雷电防护方法

技术领域

本发明涉及防雷装置技术领域，尤其涉及一种防雷装置、直驱风力发电机组及其雷电防护方法。

背景技术

风力发电机组通常位于比较空旷的地区或沿海地区，而风力发电机组的高度一般都超过130米，尤其是新型的风力发电机组都超过了160米，在这些地区风力发电机组属于特别突起的物体，因而风力发电机组容易遭受雷击。

因此，对于风力发电机组的防雷保护至关重要，尤其对于发电机处于机舱外部的直驱风力发电机组，由于其发电机中的变桨轴承、发电机主轴承及偏航轴承的成本在整机成本中的比例较高，雷电流会造成这三种轴承的灼烧及损坏，因而对直驱风力发电机组的防雷保护尤为重要。

直驱风力发电机组与双馈式风力发电机组在结构上有着本质的区别，最典型的特点是直驱风力发电机组的发电机处于机舱的外部，而双馈型风力发电机组的发电机处于机舱的内部。对于直驱风力发电机组的直接雷击防护来说，这就意味着雷电流必定会通过直驱风力发电机组的各个轴承。直驱风力发电机组包含了三种轴承，即变桨轴承、发电机主轴承、偏航轴承。雷电流会造成这三种轴承发生灼烧并损坏，从而进一步造成了直驱风力发电机组损坏。

目前，直驱风力发电机组的防雷保护方法为：在叶片内部使用单独的电缆引线，利用直驱风力发电机组自身的金属铸件、结构件及轴承作为直击雷的传导路径，即：将叶片接闪器的引下线连接在直驱风力发电机组叶片根部法兰上，然后利用叶片根部法兰通过变桨轴承连接轮毂、轮毂通过发电机主轴承连接到发电机、发电机连接机舱底座、机舱底座通过偏航轴承连接到塔筒、塔筒连接风机基础的直驱风力发电机组的自身结构将直击雷电流导出。如图1所示，为现有技术直击雷流通路径通过直驱风力发电机组的示意图，可见直击雷流通路径通过直驱风力发电机组的变桨轴承a、发电机主轴承b、偏航轴承c。

然而，发电机中轴承的内圈与外圈之间存在间隙，导致雷电流流通路径中阻抗较高，影响雷电流的泄放；并且，利用各个轴承作为雷电流流通路径会导致雷电流对轴承灼烧从而损坏轴承，造成整机成本较高，且停机更换新轴承会中断直驱风力发电机组的正常运行，进一步造成巨大的经济损失。

现有技术还存在一种风力发电机组防雷方法及装置，其构建“叶片—轮毂罩—机舱罩—大地”的雷电流泄放路径，完全避免了雷电流流过变桨轴承，保证了变桨轴承的安全。但是其他的轴承，如发电机主轴承、偏航轴承，还是可能会流过雷电流造成损坏，且其构建的雷电流泄放路径经过轮毂罩和机舱罩，但可能会有雷电流分流到轴承中，对轴承造成损害，且对于直驱风力发电机组来说，由于发电机处于外部，这种设计并不能够彻底解决发电机的防雷问题。

发明内容

本发明实施例提供一种防雷装置、直驱风力发电机组及其雷电防护方法，能够使雷电流沿着新的外部通道流通而不经过直驱风力发电机组中的各个轴承，避免各个轴承遭受雷电流的损伤，延长了各个轴承的使用寿命，有效地保证了直驱风力发电机组中各个轴承的正常运转，从而保证直驱风力发电机组的正常运行，同时还可以提高雷电流泄放通道的电气导通性。

为达到上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种防雷装置，包括设置在非金属叶片上的用于接收雷电流的接闪器及与该接闪器电气连接的叶片引下线，其中，所述防雷装置还包括：

第一引雷电流部件，与所述叶片引下线电气连接，且与发电机转子的外表面绝缘连接；

第二引雷电流部件，与所述发电机转子的外表面及绝缘机舱罩绝缘连接，所述第二引雷电流部件通过金属导体与所述第一引雷电流部件电气连接；

防雷引下线，用于电气连接所述第二引雷电流部件与设置于塔筒内的接地部件，以通过塔筒将雷电流泄放到大地。

进一步地，所述防雷装置还包括：第一绝缘部件，设置在所述发电机转子的外表面上且靠近所述叶片；

所述第一引雷电流部件包括第一导电端和第二导电端，所述第一导电端设置在所述叶片的根部上并与所述叶片引下线电气连接，所述第二导电端设置在所述第一绝缘部件上并与所述金属导体电气连接，所述叶片转动时所述第一导电端与所述第二导电端滑动接触。

进一步地，所述防雷装置还包括：第二绝缘部件，设置在所述发电机转子的外表面上且靠近绝缘机舱罩；

所述第二引雷电流部件包括第三导电端和第四导电端，所述第三导电端设置在所述第二绝缘部件上并与所述金属导体电气连接，所述第四导电端设置在所述绝缘机舱罩上、并与所述防雷引下线电气连接，所述发电机转子转动时所述第三导电端与所述第四导电端滑动接触。

优选地，所述第一导电端为具有预设弧度的金属弧形电刷轨道，所述第二导电端为第一防雷电刷。

进一步地，所述防雷装置还包括：第一电刷接粉盒，设置在所述第一绝缘部件上，用于接收所述第一防雷电刷与所述弧形电刷轨道摩擦过程中产生的粉尘。

优选地，所述第三导电端为第二防雷电刷，所述第四导电端为环绕所述绝缘机舱罩的金属环形电刷轨道。

进一步地，所述防雷装置还包括：第二电刷接粉盒，设置在所述第二绝缘部件上，用于接收所述第二防雷电刷与所述环形电刷轨道摩擦过程中产生的粉尘。

优选地，所述弧形电刷轨道或环形电刷轨道的粗糙度为R8～R12。

优选地，所述弧形电刷轨道的预设弧度至少为120°。

优选地，所述防雷引下线采用扭缆方式绕过偏航轴承。

可选地，所述金属导体及所述防雷引下线采用软铜电缆、铜编织带或软铜电缆。

可选地，所述接地部件为设置于塔筒内壁且与风机基础电气连接的接地耳板；或者所述接地部件为风机基础，所述防雷引下线穿过所述塔筒直接与该风机基础电气连接。

优选地，所述防雷装置还包括：两组所述第一引雷电流部件和两个所述第一绝缘部件，以及两个所述第二防雷电刷和两个所述第二绝缘部件；

三个第一防雷电刷通过三个第一绝缘部件按120°间隔均匀分布在所述发电机转子的外表面上，且靠近所述叶片；三个弧形电刷轨道分布在三个所述叶片外表面的根部；

三个第二防雷电刷通过三个第二绝缘部件按120°间隔均匀分布在所述发电机转子外表面上且靠近所述绝缘机舱罩。

优选地，三个第一防雷电刷与三个第二防雷电刷之间是一一对应，每一对第一防雷电刷与第二防雷电刷之间的连线互相平行。

优选地，所述第一防雷电刷和所述第二防雷电刷之间的金属导体通过夹具分别固定在所述第一绝缘部件和所述第二绝缘部件各自的底座上。

优选地，所述防雷装置的雷电流泄放通道为：

接闪器-叶片引下线-弧形电刷轨道-第一防雷电刷-第二防雷电刷-环形电刷轨道-防雷引下线-接地部件-大地。

另一方面，本发明还提供了一种直驱风力发电机组，包括上述技术方案提供的任一种所述的防雷装置。

另一方面，本发明还提供了一种直驱风力发电机组的雷电防护方法，所述直驱风力发电机组的发电机处于机舱的外部，其中，所述直驱风力发电机组具有上述技术方案提供的任一种所述的防雷装置，所述直驱风力发电机组的雷电防护方法包括如下步骤：

利用安装于风机叶片上的接闪器接收雷电流；

通过叶片引下线连接所述接闪器，将雷电流传输到第一引雷电流部件；

通过金属导体将雷电流从所述第一引雷电流部件传输到第二引雷电流部件；

通过防雷引下线将雷电流从所述第二引雷电流部件传输到接地部件；

通过所述接地部件将雷电流泄放到大地。

具体地，所述第一引雷电流部件包括第一导电端和第二导电端，所述第一导电端设置在所述叶片的根部上并与所述叶片引下线电气连接，所述第二导电端设置在发电机转子外表面上靠近叶片的位置处且与发电机绝缘、并与所述金属导体电气连接，所述叶片转动时所述第一导电端与所述第二导电端滑动接触；

所述第二引雷电流部件包括第三导电端和第四导电端，所述第三导电端设置在发电机转子外表面上靠近绝缘机舱罩的位置处且与发电机绝缘、并与所述金属导体电气连接，所述第四导电端设置在所述绝缘机舱罩上、并与所述防雷引下线电气连接，所述发电机转子转动时所述第三导电端与所述第四导电端滑动接触；

所述雷电防护方法具体包括如下步骤：

利用安装在所述风机叶片上的接闪器接收雷电流；

通过所述叶片引下线连接接闪器，将雷电流引至所述第一导电端；

通过所述第一导电端与所述第二导电端滑动接触，将雷电流传输到所述第二导电端；

通过所述第三导电端与所述第二导电端之间的金属导体，将雷电流传输到所述第三导电端；

通过所述第三导电端与所述第四导电端滑动接触，将雷电流传输到所述第四导电端；

通过所述防雷引下线将雷电流从所述第四导电端传输到所述接地部件；

通过所述接地部件将雷电流泄放到大地。

优选地，本方案中，所述防雷装置还包括：第一绝缘部件和第二绝缘部件；所述第一导电端为具有预设弧度的金属弧形电刷轨道，所述第二导电端为第一防雷电刷；所述第三导电端为第二防雷电刷，所述第四导电端为环绕所述绝缘机舱罩金属环形电刷轨道；

所述直驱风力发电机组雷电防护方法还包括如下步骤：

利用所述第一绝缘部件固定于靠近所述叶片一侧的所述发电机转子的外表面上，以在该第一绝缘部件上固定所述第一防雷电刷，从而实现所述第一防雷电刷与所述发电机转子绝缘；

利用所述第二绝缘部件固定于靠近所述机舱罩一侧的所述发电机转子外表面上，以在该第二绝缘部件上固定所述第二防雷电刷，从而实现所述第二防雷电刷与所述发电机转子绝缘。

进一步地，所述防雷装置还包括：第一电刷接粉盒和第二电刷接粉盒，所述直驱风力发电机组的雷电防护方法还包括如下步骤：

利用所述第一电刷接粉盒固定于所述第一绝缘部件上，用于承接所述第一防雷电刷摩擦后产生的粉尘；

利用所述第二电刷接粉盒固定于所述第二绝缘部件上，用于承接所述第二防雷电刷摩擦后产生的粉尘。

优选地，所述直驱风力发电机组雷电防护方法还包括如下步骤：

通过软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢实现所述第一防雷电刷和所述第二防雷电刷间的电气连接。

在本发明实施例提供的防雷装置、直驱风力发电机组及其雷电防护方法，因为采用独立的外部导流通道设计的技术手段，解决了原有直击雷防护设计中雷电流通过轴承而造成损伤的设计缺陷，建立新的独立的雷电流泄放通道（接闪器-叶片引下线-风机叶片外表面的根部的弧形电刷轨道-第一防雷电刷-第二防雷电刷-机舱罩顶部且靠近发电机一侧的环形电刷轨道-防雷引下线-塔筒-风机基础-大地），使雷电流沿着新的通道流通而不经过直驱风力发电机组中的各个轴承，有效地保证了直驱风力发电机组中各轴承（包括偏航轴承、变桨轴承及发电机主轴承）的正常运转，延长了轴承在直驱风力发电机组中的使用寿命，从而保证了直驱风力发电机组的正常运行，并且也大大提高了雷电流泄放通路的电气导通性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术直击雷流通路径通过直驱风力发电机组的示意图；

图2为本发明实施例提供的防雷装置的结构示意图；

图3为图2中A部分的局部放大图；

图4为图2所示防雷装置的主视图；

图5为本发明实施例的一种直驱风力发电机组雷电防护方法流程图。

附图标号：

变桨轴承a、发电机主轴承b、偏航轴承c、叶片1、叶片引下线2、第一引雷电流部件3、弧形电刷轨道31、第一防雷电刷32、第一绝缘部件4、发电机转子5、绝缘机舱罩6、第二引雷电流部件7、第二防雷电刷71、环形电刷轨道72、第二绝缘部件8、金属导体9、塔筒10、防雷引下线11、第一电刷接粉盒12、第二电刷接粉盒13、偏航轴承14、接地部件15、接地耳板151。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供了一种用于直驱风力发电机组的防雷装置，该装置包括设置在非金属叶片1上的用于接收雷电流的接闪器（未图示）及与该接闪器电气连接的叶片引下线2，其中，防雷装置还包括：第一引雷电流部件3，与所述叶片引下线2电气连接，且与发电机转子5的外表面绝缘连接；第二引雷电流部件7，与发电机转子5的外表面和绝缘机舱罩6绝缘连接，所述第二引雷电流部件7通过金属导体9与第一引雷电流部件3电气连接；防雷引下线11，用于电气连接第二引雷电流部件7与设置于塔筒10内的接地部件15（参阅图4），以通过塔筒10将雷电流泄放到大地。

本发明实施例图2提供的用于直驱风力发电机组的防雷装置，采用独立的外部导流通道设计技术手段，解决了原有直击雷防护设计中雷电流通过轴承而造成损伤的设计缺陷，建立新的雷电流泄放通道（接闪器-叶片引下线2-第一引雷电流部件3-金属导体9-第二引雷电流部件7-防雷引下线11-塔筒10-接地部件15-大地），使雷电流沿着新的外部通道流通而不经过直驱风力发电机组中的各个轴承，有效地保证了直驱风力发电机组中各轴承（包括偏航轴承、变桨轴承及发电机主轴承）的正常运转，延长了轴承在直驱风力发电机组中的使用寿命，从而保证了直驱风力发电机组的正常运行，并且也大大提高了雷电流泄放通路的电气导通性。

需要说明的是，本发明实施例中的直取风力发电机为外转子内定子式结构，因而发电机转子处于外部，可以直接在其外表面设置第一引雷电流部件及第二引雷电流部件而不会影响发电机的正常运作；另外，本发明实施例中的绝缘机舱罩6是指表面与第二引雷电流部件7绝缘的机舱罩，它可以是由非金属等绝缘材料制成的；也可以是由金属等导电材料制成的，而在表面涂覆一层绝缘漆等绝缘物质；或者是由金属等导电物质组成的，但在机舱罩上局部设有绝缘支撑部从而使机舱罩与第二引雷电流部件7绝缘。总之，只要保证第二引雷电流部件7与机舱罩绝缘即可，本发明对此不作限定。

这样，可以使雷电流泄放过程中只经过上述效果分析中提到的独立的导线通道，而不经过机舱罩等发电机组本身的结构，从而提高了雷电流泄放通道的电气导通性，并避免机舱罩等被雷电流损坏；独立的导线通道位于发电机组的外部，可避免雷电流进入发电机组内部，从而避免了雷电流对发电机组内部的变桨柜及周围导线的干扰，且便于操作人员对其进行安装、维修及保养。

进一步地，如图2和图3所示，本发明实施例还可以包括：设置在发电机转子5外表面上且靠近叶片1的第一绝缘部件4；第一引雷电流部件3包括第一导电端和第二导电端，第一导电端设置在叶片1的根部上并与叶片引下线2电气连接，第二导电端设置在第一绝缘部件4上并与金属导体9电气连接，叶片1转动时第一导电端与第二导电端滑动接触，从而保证雷电流可以从叶片引下线2经第一导电端及第二导电端传导至金属导体9。

具体地，如图3所示，第一导电端可以为具有预设弧度的金属弧形电刷轨道31，第二导电端可以为第一防雷电刷32，且金属弧形电刷轨道31的轨道宽度大于或等于第一防雷电刷32的横截面长边的长度。其中，弧形电刷轨道31具体可以设置在叶片1的外侧距叶片1根部1.5米、位于叶片1翼型后缘的位置处，预设弧度可以大于120°，优选设置位置为-100°～+20°，这样，无论叶片1绕着发电机主轴承旋转还是叶片1在变桨轴承的作用下旋转，弧形电刷轨道31都能与第一防雷电刷32准确有效地滑动接触，从而保证雷电流顺利的从弧形电刷轨道31传导至第一防雷电刷32。进一步地，可以将弧形电刷轨道31预埋在叶片1上且与叶片1表面保持在同一平面上，这样还可以减少叶片1转动时的正向阻力，提高发电机组的发电效率。

需要说明的是，弧形电刷轨道31应该具有合适的粗糙度，以使它与第一防雷电刷32滑动摩擦时产生的少量粉尘填充在弧形电刷轨道31与第一电刷32之间，利用该粉尘的导电性保证这两者之间具有良好的电气导通性。弧形电刷轨道31的粗糙度最优为R8～R12，这样既可以最大限度的减少第一电刷32的损耗从而使其具有最长的使用寿命，又可以保证弧形电刷轨道31与第一防雷电刷32之间具有良好的电气导通性。

另外，作为一种扩展变形实施方式，本发明实施例还可以包括两组第一引雷电流部件3和两个第一绝缘部件4，即如图3所示，本发明实施例可以共包括三组第一引雷电流部件3和三个第一绝缘部件4，且三个第一防雷电刷32通过三个第一绝缘部件按120°间隔均匀分布在发电机转子5的外表面上且靠近叶片1，三个弧形电刷轨道31分布在三个叶片1的外表面根部；这样，每个第一防雷电刷32刚好与每个叶片1上的弧形电刷轨道31相对应，可以有效地将雷电流从叶片引下线2传导至金属导体9上。

其中，如图3所示，每个第一绝缘部件4可以是类似“Z”形状的支架类结构，每组第一防雷电刷32均设置在第一绝缘部件4的“Z”形状靠近叶片1的端部，从而保证弧形电刷轨道31与第一防雷电刷32之间刚好可以滑动接触。第一绝缘部件4可以是由陶瓷、高分子、橡胶或尼龙等绝缘材料制备。

另外，第一绝缘部件4上还可以设置有第一电刷接粉盒12，用于接收第一防雷电刷32与弧形电刷轨道31摩擦过程中产生的粉尘，从而避免这些粉尘进入发电机内部，防止该粉尘影响发电机的正常运行。具体地，如图3所示，第一电刷接粉盒12为盒状结构，可以完全容纳每组第一防雷电刷32，盒状结构与叶片1相接触的右侧面上开有小口，刚好仅使第一防雷电刷32露出与弧形电刷轨道31滑动接触；在盒状结构的左侧面上开有小孔，刚好仅使金属导体9穿过。这样，可以有效地将粉尘密封在该盒型结构中；第一电刷接粉盒12的侧面可以开启，以便于更换第一防雷电刷32。

本发明实施例中，如图2和图3所示，用于直驱风力发电机组的防雷装置还包括设置在发电机转子5的外表面上且靠近机舱的第二绝缘部件8；第二引雷电流部件7包括第三导电端和第四导电端，其中，第三导电端设置在第二绝缘部件8上并与金属导体9电气连接，第四导电端设置在绝缘机舱罩6上并与防雷引下线11电气连接，这样，当发电机转子5转动时第三导电端与第四导电端滑动接触，从而保证雷电流可以从金属导体9经第三导电端及第四导电端传导至防雷引下线11。

具体地，如图3所示，第三导电端可以为第二防雷电刷71，第四导电端可以为环绕绝缘机舱罩6的金属环形电刷轨道72，且金属环形电刷轨道72的轨道宽度大于或等于第二防雷电刷71的横截面长边的长度。另外，作为一种扩展变形实施方式，可以总共设置三个第二防雷电刷71，且三个第二防雷电刷71通过三个第二绝缘部件8按120°间隔均匀分布在发电机转子5的外表面上且靠近绝缘机舱罩6。优选地，三个第一防雷电刷32与三个第二防雷电刷71之间是一一对应，每一对第一防雷电刷32与第二防雷电刷71之间的连线互相平行。

通过上述三个第一防雷电刷32与三个第二防雷电刷71的结构设计，可实现对直驱风力发电机组的360°防雷效果，从而实现了全角度、全方向的雷电防护，增强直驱风力发电机组的雷电防护性能，进一步保障直驱风力发电机组在雷电天气下的安全运行。

并且，三个第一防雷电刷32与三个第二防雷电刷71之间的一一对应，使每一对第一防雷电刷32与第二防雷电刷71之间的连线互相平行，从而使第一防雷电刷32与第二防雷电刷71之间的金属导体9的长短可实现最短化，便于导电且便于引导雷电流。

其中，第二绝缘部件8可以为类似“Z”形状的支架类结构，且每个第二防雷电刷71均设置在第二绝缘部件8的“Z”形状靠近绝缘机舱罩6的端部。第二绝缘部件8的材质可以是陶瓷、高分子、橡胶或尼龙等绝缘材料。另外，第二绝缘部件8上可以设有第二电刷接粉盒13，第二电刷接粉盒13的作用及具体结构可以与第一电刷接粉盒12的作用及具体结构相同，此处不再赘述。

为了使环形电刷轨道72与第二防雷电刷71可靠的滑动接触，可以将环形电刷轨道72设为高于发电机转子5外表面预定高度，如300～350mm，优选320mm。与弧形电刷轨道31类似，环形电刷轨道72的粗糙度最优也可以为R8～R12，最优选为R10。

在本实施例中，第一防雷电刷32和第二防雷电刷71之间的金属导体9通过夹具（未示出）固定在第一绝缘部件4和第二绝缘部件8各自的底座上，从而可防止发电机转子5旋转时将金属导体9不断甩动而造成金属导体9的断裂。

如图3所示，连接第四导电端和接地部件15的防雷引下线11可以采用扭缆方式绕过偏航轴承14，以防止发电机在偏航轴承14的作用下转动时该防雷引下线11发生断裂。

发电机在偏航轴承14的作用下沿顺时针或逆时针扭转一定的角度时，防雷引下线11将发生相同角度的扭转。因此，防雷引下线11为耐扭线缆，且具有足够的长度，即使其扭转最大角度（通常为沿顺时针720°或沿逆时针720°）时也不发生任何断裂，这种使防雷引下线11具有足够长度以保证其最大扭转时不发生断裂的方式可称为扭缆方式。

具体地，如图4所示，接地部件15可以为设置于塔筒10内壁且与风机基础（未示出）电气连接的接地耳板151，这样，本发明实施例构建的用于直驱风力发电机组的防雷装置的雷电流泄放通道为：接闪器-叶片引下线2-弧形电刷轨道31-第一防雷电刷32-第二防雷电刷71-环形电刷轨道72-防雷引下线11-接地耳板151-塔筒10-风机基础-大地；或者，接地部件15也可以为风机基础，防雷引下线11穿过塔筒10直接与该风机基础电气连接，这样，本发明实施例构建的直驱风力发电机组的防雷装置的雷电流泄放通道为：接闪器-叶片引下线2-弧形电刷轨道31-第一防雷电刷32-第二防雷电刷71-环形电刷轨道72-防雷引下线11-风机基础-大地。

需要说明的是，本发明实施例中，金属导体9和防雷引下线11应该具足够的导电能力以保证雷电流的顺利传导，例如，金属导体9和防雷引下线11可以采用横截面积大于或等于50mm²的软铜电缆，为了进一步保证其导电能力，可以选择横截面积不少于70mm²的软铜电缆，当然，也可以采用横截面积不少于70mm²的铜编织带或镀锌扁钢等导电能力较强的导线，只要为导电能力较好的金属材质导体即可，本发明对此不作限定。

上述实施例中，第一导电端为弧形电刷轨道，第二导电端为第一防雷电刷，在本发明的其它实施例中，弧形电刷轨道与第一防雷电刷还可以发生位置互换，即第一导电端为第一防雷电刷，第二导电端为弧形电刷轨道，因此也能达到相同的技术效果，在此不再赘述；相应地，环形电刷轨道与第二防雷电刷也可以发生位置互换，即第三导电端为环形电刷轨道，第四导电端为第二防雷电刷，在此不再赘述。

需要说明的是，本发明中所述的第一防雷电刷及第二防雷电刷均为普通的电刷，只是为了突出这些电刷在本发明实施例中的作用及为了区分各个电刷的位置，将其定义为第一防雷电刷和第二防雷电刷。相应地，弧形电刷轨道和环形电刷轨道为与电刷相配合的轨道，只是为了突出这些轨道的形状将其定义为弧形电刷轨道和环形电刷轨道。

本发明实施例的上述技术方案具有如下有益效果：针对直驱风力发电机组，采用独立的外部导流通道设计（接闪器-叶片引下线-风机叶片外表面的根部的弧形电刷轨道-第一防雷电刷-第二防雷电刷-机舱罩顶部且靠近发电机一侧的环形电刷轨道-防雷引下线-塔筒-风机基础-大地），可以彻底解决雷电流对直驱风力发电机组中各个轴承的损害，从而降低直驱风力发电机组的故障发生。本方案中各个装置之间均为电气连接，且接触良好，不存在任何间隙，因而可以有效地降低雷电流泄放通道的阻抗，大大提高了直击雷防护通道的电气导通性能，另外，通过软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢实现第一防雷电刷和第二防雷电刷之间的电气连接；采用软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢以制造叶片引下线及防雷引下线，且该软铜电缆、铜编织带镀锌扁钢的横截面积不少于50mm²，更进一步大大提高了直击雷防护通道的电气导通性能。本发明实施例的技术方案与现有技术的导流通道安装在机组内部的防雷装置相比，可杜绝对雷电进入机组的内部而导致变桨柜及其周围导线的受到干扰。本方案在防雷电刷处设计了发电机接粉装置，可避免电刷摩擦后产生的粉尘进入到发电机内部。

相应地，本发明实施例还提供了一种直驱风力发电机组，包括叶片、与叶片相连的变桨轴承及轮毂、与轮毂相连的发电机、与发电机相连的绝缘机舱罩、与绝缘机舱罩相连的偏航轴承、与偏航轴承相连的塔筒及位于塔筒底部的风机基础，此外，还包括本发明实施例提供的任何一种用于直驱风力发电机组的防雷装置，因此，也能实现如前文所述的技术效果，前文已经进行了详细的说明，此处不再赘述。

相应地，本发明实施例还提供了一种直驱风力发电机组的雷电防护方法，该直驱风力发电机组的发电机处于机舱的外部，其中，直驱风力发电机组具有本发明实施例提供的任何一种防雷装置，如图5所示，直驱风力发电机组的雷电防护方法包括如下步骤：

S1、利用安装于风机叶片上的接闪器接收雷电流；

S2、通过叶片引下线连接接闪器，将雷电流传输到第一引雷电流部件；

S3、通过金属导体将雷电流从第一引雷电流部件传输到第二引雷电流部件；

S4、通过防雷引下线将雷电流从第二引雷电流部件传输到接地部件；

S5、通过接地部件将雷电流泄放到大地。

本发明实施例提供的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其中，第一引雷电流部件包括第一导电端和第二导电端，第一导电端设置在叶片的根部上并与叶片引下线电气连接，第二导电端设置在发电机转子外表面上靠近叶片的位置处且与发电机转子绝缘、并与金属导体电气连接，叶片转动时第一导电端与第二导电端滑动接触；第二引雷电流部件包括第三导电端和第四导电端，第三导电端设置在发电机转子外表面上靠近绝缘机舱罩的位置处且与发电机绝缘、并与金属导体电气连接，第四导电端设置在绝缘机舱罩上、并与防雷引下线电气连接，发电机转子转动时第三导电端与第四导电端滑动接触；

因而，本发明实施例提供的雷电防护方法具体包括如下步骤：

S1、利用安装于风机叶片上的接闪器接收雷电流；

S21、通过叶片引下线连接接闪器，将雷电传输到第一导电端；

S22、通过第一导电端与第二导电端滑动接触，将雷电流传输到第二导电端；

S31、通过第三导电端与第二导电端之间的金属导体，将雷电流传输到第三导电端；

S32、通过第三导电端与第四导电端滑动接触，将雷电流传输到第四导电端；

S41、通过防雷引下线将雷电流从第四导电端传输到接地部件；

S51、通过接地部件将雷电流泄放到大地。

本发明提供的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其中，防雷装置还包括：第一绝缘部件和第二绝缘部件；第一导电端为具有预设弧度的金属弧形电刷轨道，第二导电端为第一防雷电刷；第三导电端为第二防雷电刷，第四导电端为环绕绝缘机舱罩的金属环形电刷轨道；

所述直驱风力发电机组雷电防护方法还包括如下步骤：

上述所述的第二导电端设置在发电机转子外表面上靠近叶片的位置处且与发电机转子绝缘具体包括：利用第一绝缘部件固定于靠近叶片一侧的发电机转子的外表面上，以在该第一绝缘部件上固定第一防雷电刷，从而实现第一防雷电刷与发电机转子绝缘；

上述所述的第三导电端设置在发电机转子外表面上靠近绝缘机舱罩的位置处且与发电机转子绝缘具体包括：利用第二绝缘部件固定于靠近绝缘机舱罩一侧的发电机转子外表面上，以在该第二绝缘部件上固定第二防雷电刷，从而实现第二防雷电刷与发电机转子绝缘。

本发明实施例提供的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其中，防雷装置还包括：第一电刷接粉盒和第二电刷接粉盒，直驱风力发电机组的雷电防护方法还包括如下步骤：

利用第一电刷接粉盒固定于第一绝缘部件上，用于承接第一防雷电刷摩擦后产生的粉尘；

利用第二电刷接粉盒固定于第二绝缘部件上，用于承接第二防雷电刷摩擦后产生的粉尘。

本发明提供的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其中，所述方法还包括如下步骤：

通过软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢实现第一防雷电刷和第二防雷电刷间的电气连接。

本发明实施例提供的直驱风力发电机组的雷电防护方法具有如下有益效果：针对直驱风力发电机组，采用独立的外部导流通道设计（接闪器-叶片引下线-风机叶片外表面的根部的弧形电刷轨道-第一防雷电刷-第二防雷电刷-机舱罩顶部且靠近发电机一侧的环形电刷轨道-防雷引下线-塔筒-风机基础-大地），可以彻底解决雷电流对直驱风力发电机组中各个轴承的损害，从而降低直驱风力发电机组的故障发生。本方案中各个装置之间均为电气连接，且接触良好，不存在任何间隙，因而可以有效地降低雷电流泄放通道的阻抗，大大提高了直击雷防护通道的电气导通性能，另外，通过软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢实现第一防雷电刷和第二防雷电刷之间的电气连接；采用软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢以制造叶片引下线及防雷引下线，更进一步大大提高了直击雷防护通道的电气导通性能。本发明实施例的技术方案与现有技术的导流通道安装在机组内部的防雷装置相比，可杜绝对雷电进入机组的内部而导致变桨柜及其周围导线的受到干扰。本方案在防雷电刷处设计了发电机接粉装置，可避免电刷摩擦后产生的粉尘进入到发电机内部。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种防雷装置，包括设置在非金属叶片上的用于接收雷电流的接闪器及与该接闪器电气连接的叶片引下线，其特征在于，所述防雷装置还包括：

第一引雷电流部件，与所述叶片引下线电气连接，且与发电机转子的外表面绝缘连接；

第二引雷电流部件，与所述发电机转子的外表面及绝缘机舱罩绝缘连接，所述第二引雷电流部件通过金属导体与所述第一引雷电流部件电气连接；

防雷引下线，用于电气连接所述第二引雷电流部件与设置于塔筒内的接地部件，以通过塔筒将雷电流泄放到大地。

2.根据权利要求1所述的防雷装置，其特征在于，还包括：第一绝缘部件，设置在所述发电机转子的外表面上且靠近所述叶片；

所述第一引雷电流部件包括第一导电端和第二导电端，所述第一导电端设置在所述叶片的根部上并与所述叶片引下线电气连接，所述第二导电端设置在所述第一绝缘部件上并与所述金属导体电气连接，所述叶片转动时所述第一导电端与所述第二导电端滑动接触。

3.根据权利要求2所述的防雷装置，其特征在于，还包括：第二绝缘部件，设置在所述发电机转子的外表面上且靠近绝缘机舱罩；

所述第二引雷电流部件包括第三导电端和第四导电端，所述第三导电端设置在所述第二绝缘部件上并与所述金属导体电气连接，所述第四导电端设置在所述绝缘机舱罩上、并与所述防雷引下线电气连接，所述发电机转子转动时所述第三导电端与所述第四导电端滑动接触。

4.根据权利要求3所述的防雷装置，其特征在于，所述第一导电端为具有预设弧度的金属弧形电刷轨道，所述第二导电端为第一防雷电刷。

5.根据权利要求4所述的防雷装置，其特征在于，还包括：第一电刷接粉盒，设置在所述第一绝缘部件上，用于接收所述第一防雷电刷与所述弧形电刷轨道摩擦过程中产生的粉尘。

6.根据权利要求4所述的防雷装置，其特征在于，所述第三导电端为第二防雷电刷，所述第四导电端为环绕所述绝缘机舱罩的金属环形电刷轨道。

7.根据权利要求6所述的防雷装置，其特征在于，还包括：第二电刷接粉盒，设置在所述第二绝缘部件上，用于接收所述第二防雷电刷与所述环形电刷轨道摩擦过程中产生的粉尘。

8.根据权利要求6所述的防雷装置，其特征在于，所述弧形电刷轨道或环形电刷轨道的粗糙度为R8～R12。

9.根据权利要求4所述的防雷装置，其特征在于，所述弧形电刷轨道的预设弧度至少为120°。

10.根据权利要求1～9任一项所述的防雷装置，其特征在于，所述防雷引下线采用扭缆方式绕过偏航轴承。

11.根据权利要求1～9任一项所述的防雷装置，其特征在于，所述金属导体及所述防雷引下线采用软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢。

12.根据权利要求1～9任一项所述的防雷装置，其特征在于，所述接地部件为设置在所述塔筒内壁且与风机基础电气连接的接地耳板；或者所述接地部件为风机基础，所述防雷引下线穿过所述塔筒直接与该风机基础电气连接。

13.根据权利要求6所述的防雷装置，其特征在于，还包括：两组所述第一引雷电流部件和两个所述第一绝缘部件，以及两个所述第二防雷电刷和两个所述第二绝缘部件；

三个第一防雷电刷通过三个第一绝缘部件按120°间隔均匀分布在所述发电机转子的外表面上，且靠近所述叶片；三个弧形电刷轨道分布在三个所述叶片外表面的根部；

三个第二防雷电刷通过三个第二绝缘部件按120°间隔均匀分布在所述发电机转子外表面上且靠近所述绝缘机舱罩。

14.根据权利要求13所述的防雷装置，其特征在于，三个第一防雷电刷与三个第二防雷电刷之间是一一对应，每一对第一防雷电刷与第二防雷电刷之间的连线互相平行。

15.根据权利要求6或7所述的防雷装置，其特征在于，所述第一防雷电刷和所述第二防雷电刷之间的金属导体分别通过夹具固定在所述第一绝缘部件和所述第二绝缘部件各自的底座上。

16.根据权利要求6、7或8所述的防雷装置，其特征在于，所述防雷装置的雷电流泄放通道为：

接闪器-叶片引下线-弧形电刷轨道-第一防雷电刷-第二防雷电刷-环形电刷轨道-防雷引下线-接地部件-大地。

17.一种直驱风力发电机组，其特征在于，包括如权利要求1～16任一项所述的防雷装置。

18.一种直驱风力发电机组的雷电防护方法，所述直驱风力发电机组的发电机处于机舱的外部，其特征在于，所述直驱风力发电机组具有如权利要求1所述的防雷装置，所述直驱风力发电机组的雷电防护方法包括如下步骤：

利用安装在风机叶片上的接闪器接收雷电流；

通过叶片引下线连接所述接闪器，将雷电流传输到第一引雷电流部件；

通过金属导体将雷电流从所述第一引雷电流部件传输到第二引雷电流部件；

通过防雷引下线将雷电流从所述第二引雷电流部件传输到接地部件；

通过所述接地部件将雷电流泄放到大地。

19.根据权利要求18所述的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其特征在于，

所述第一引雷电流部件包括第一导电端和第二导电端，所述第一导电端设置在所述叶片的根部上并与所述叶片引下线电气连接，所述第二导电端设置在发电机转子外表面上靠近叶片的位置处且与发电机转子绝缘、并与所述金属导体电气连接，所述叶片转动时所述第一导电端与所述第二导电端滑动接触；

所述第二引雷电流部件包括第三导电端和第四导电端，所述第三导电端设置在发电机转子外表面上靠近绝缘机舱罩的位置处且与发电机转子绝缘、并与所述金属导体电气连接，所述第四导电端设置在所述绝缘机舱罩上、并与所述防雷引下线电气连接，所述发电机转子转动时所述第三导电端与所述第四导电端滑动接触；

所述雷电防护方法具体包括如下步骤：

利用安装在所述风机叶片上的接闪器接收雷电流；

通过所述叶片引下线连接所述接闪器，将雷电流传输到所述第一导电端；

通过所述第一导电端与所述第二导电端滑动接触，将雷电流传输到所述第二导电端；

通过所述第三导电端与所述第二导电端之间的金属导体，将雷电流传输到所述第三导电端；

通过所述第三导电端与所述第四导电端滑动接触，将雷电流传输到所述第四导电端；

通过所述防雷引下线将雷电流从所述第四导电端传输到所述接地部件；

通过所述接地部件将雷电流泄放到大地。

20.根据权利要求19所述的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其特征在于，所述防雷装置还包括：第一绝缘部件和第二绝缘部件；所述第一导电端为具有预设弧度的金属弧形电刷轨道，所述第二导电端为第一防雷电刷；所述第三导电端为第二防雷电刷，所述第四导电端为环绕所述绝缘机舱罩的金属环形电刷轨道；

所述直驱风力发电机组雷电防护方法还包括如下步骤：

利用所述第一绝缘部件固定于靠近所述叶片一侧的所述发电机转子的外表面上，以在该第一绝缘部件上固定所述第一防雷电刷，从而实现所述第一防雷电刷与所述发电机转子绝缘；

利用所述第二绝缘部件固定于靠近所述绝缘机舱罩一侧的所述发电机转子外表面上，以在该第二绝缘部件上固定所述第二防雷电刷，从而实现所述第二防雷电刷与所述发电机转子绝缘。

21.根据权利要求20所述的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其特征在于，所述防雷装置还包括：第一电刷接粉盒和第二电刷接粉盒，所述直驱风力发电机组的雷电防护方法还包括如下步骤：

利用所述第一电刷接粉盒固定于所述第一绝缘部件上，用于承接所述第一防雷电刷摩擦后产生的粉尘；

利用所述第二电刷接粉盒固定于所述第二绝缘部件上，用于承接所述第二防雷电刷摩擦后产生的粉尘。

22.根据权利要求21所述的直驱风力发电机组的雷电防护方法，其特征在于，所述直驱风力发电机组雷防电护方法还包括如下步骤：

通过软铜电缆、铜编织带或镀锌扁钢实现所述第一防雷电刷和所述第二防雷电刷间的电气连接。

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