CN107489597B

CN107489597B - 雷电保护系统

Info

Publication number: CN107489597B
Application number: CN201710432326.5A
Authority: CN
Inventors: J.纽文休曾
Original assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2016-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: US20170356426A1; US10753342B2; EP3255276B1; CN107489597A; EP3255276A1; DK3255276T3

Abstract

本发明描述了一种风力涡轮机（2）的雷电保护系统（1），包括叶片雷电导体（10），其被布置在风力涡轮机（2）的转子叶片（20）中以便延伸到轮毂（21）中；静止导体（14），在雷电冲击期间提供向大地（GND）的叶片接地路径（P_B）；以及电刷（B），其被布置成电气连接叶片雷电导体（10）和静止导体（14）；该雷电保护系统（1）特征在于放电部件（R、R'），其被布置为提供从叶片雷电导体（10）向大地（GND）的分离的放电路径（P_D）。本发明还描述了风力涡轮机，以及用雷电保护系统装备风力涡轮机的方法。

Description

雷电保护系统

技术领域

本发明描述了风力涡轮机的雷电保护系统，以及包括这样的雷电保护系统的风力涡轮机。

背景技术

诸如风力涡轮机之类的高大结构装备有雷电保护系统（LPS），该雷电保护系统服务于接收一个或多个特定场所或接受体处的冲击，并且在雷电冲击期间将由此发生的电流转移到大地。风力涡轮机的叶片由于其长度而特别易受雷电冲击所影响。风力涡轮机的LPS因此一般包括用于每一个叶片的雷电导体，该雷电导体布置在叶片内部中并且沿其长度从基座延伸到尖端。叶片一般安装到轮毂（hub）或旋转器（spinner），并且组合布置相对于静止机舱（nacelle）或顶盖而旋转。旋转组件借助于轴承连接到静止机舱。为了将旋转轮毂和叶片布置电气连接到相对静止的机舱，叶片的每一个LPS导体终止于滑动电刷（slidingbrush）中，该滑动电刷实施到布置于轮毂中的静止导电环的电气连接。导电环继而电气连接到大地，使得在向叶片的接受体的雷电冲击的情况下，电流看到沿叶片雷电导体并且跨过电刷到大地的直接路径。

关于这种雷电保护系统的问题由于电气系统的以下本性而出现：该本性通过移动和静止的雷电导体、它们之间的接口、外部环境、以及轮毂内部的环境来限定。当长叶片移动通过空气时，静电将在LPS导体上累积并且因此还在电刷上累积，特别是当空气非常干燥时。在提升的电场势存在的情况下（例如在暴风雨期间），累积在长LPS下导体（down-conductor）上的静电水平可能是极端的。此外，邻近区域中强有力的无线电发射器可以引起LPS下导体中的高频电流，所述LPS下导体有效地充当天线。在理想LPS环境中，累积在下导体上的静电或者在下导体中的感生电流将不是问题，因为滑动电刷的目的是提供向大地的放电路径。然而，轮毂内的环境不是理想的，因为以油类、油脂和/或颗粒形式的污染减损了滑动电刷的功能。润滑剂可以从轮毂中的各种驱动器、电机和水力组件逸出或泄露，并且可以作为薄膜沉积在轮毂内部中的任何表面之上。即使这样的组件被良好地密封，也基本上不可避免的是某一数量的油脂或油类将随着时间的进程而逸出。如果沿着由滑动电刷行进的路径沉积油脂薄膜，则油脂膜有效地充当叶片导体和电气地之间的绝缘体。作为结果，电压将累积在电刷和油脂薄膜之间。最终，电压将达到针对该薄膜的击穿电压的水平，在该点处绝缘体崩溃（collapse）并且导电，从而允许累积的静电放电到大地。在放电之后，静电将再次开始累积，并且累积/击穿循环将无限期地重复。

击穿放电火花与宽带电磁辐射的发射相关联。风力涡轮机的LPS因此无意地充当电磁噪声的源。电磁噪声的水平可以达到损害对各种标准规定的电磁兼容性（EMC）限制的遵循的水平。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种用于风力涡轮机的雷电保护系统，其克服了以上描述的问题。

该目标通过权利要求1的风力涡轮机雷电保护系统；通过权利要求8的风力涡轮机；以及通过用雷电保护系统装备风力涡轮机的权利要求10的方法而实现。

根据本发明，风力涡轮机雷电保护系统包括叶片雷电导体，其被布置在风力涡轮机的转子叶片中以便从叶片尖端区延伸到轮毂中；静止导体，其在雷电冲击期间提供向大地的叶片接地路径；以及电刷，其被布置成电气连接叶片雷电导体和静止导体；该雷电保护系统特征在于放电部件，该放电部件布置为提供向大地的电气分离的放电路径以用于叶片雷电导体上的静电荷累积。

在本发明的上下文中，分离的放电路径是对叶片接地路径的电气上有区别的“可替换物”。换言之，当条件有利于长叶片雷电导体上的静电荷的累积时，给予电流向大地的可替换路径。放电路径有利地防止静电荷累积到否则将导致跨电刷和静电导体之间的薄油脂膜的放电火花的水平。然而，在雷电冲击的情况下，击穿电压和放电火花不再电气相关，并且电流以常见方式沿叶片接地路径行进。在本发明的上下文中，用于静电荷的表述“向大地的电气分离的放电路径”要理解为意指这种向大地的路径不是向大地的主要路径，该主要路径被由于雷电冲击而发生的电流所使用。

根据本发明，风力涡轮机包括这样的雷电保护系统。由于针对否则可能趋向于在叶片雷电导体上积累的任何静电荷的向大地的连续可用的放电路径，可以减少或者甚至消除（跨电刷和静止导体之间的薄油脂膜发生的）放电火花的可能性。这意味着风力涡轮机可以有利地遵守EMC规章，甚至在大气条件将有利于静电荷的累积时。

根据本发明，用雷电保护系统装备风力涡轮机的方法包括以下步骤：将叶片雷电导体布置在风力涡轮机的转子叶片中以便延伸到风力涡轮机轮毂中；将静止导体布置在机舱中以便在雷电冲击期间提供向大地的叶片接地路径；将电刷布置成电气连接叶片雷电导体和静止导体；以及提供放电部件以便呈现从叶片雷电导体向大地的针对静电荷累积的分离的放电路径。

发明方法特别适于适配现有雷电保护系统使得其不再由于静电放电而发射不想要的宽带电磁噪声。现有雷电保护可以通过以下方式而扩增：提供用于叶片雷电导体中的一个或多个的放电部件，以及将这样的放电部件连接在每一个叶片雷电导体和适合的表面之间，如将在下文解释。

本发明的特别有利的实施例和特征由从属权利要求给定，如在以下描述中揭示。不同权利要求种类的特征可以适当地组合以给出没有在本文中描述的另外的实施例。

在下文中，可以假设，静止导体具有环状或环形表面，当轮毂和叶片旋转时，叶片雷电导体的电刷可以沿着该表面滑动。取决于风力涡轮机构造，该环状或环形表面可以例如为竖直的，向外面朝轮毂。同样地，环状或环形表面可以是柱形主体的外表面。在任何情况下，可以假设该静止导体以如将对于技术人员所已知的常见方式电气连接到LPS装置，其在雷电冲击的情况下为电流提供了向大地的安全且直接路径。

风力涡轮机的叶片安装到轮毂，并且组合布置取决于诸如风速之类的各种因素而共同旋转。尽管叶片一般由于其长度而最易受雷电冲击所影响，但是轮毂也可以接收雷电冲击。为此目的，轮毂一般也以某种方式电气连接到大地，如将对于技术人员所已知。例如，在优选实现中，风力涡轮机LPS包括轮毂雷电导体，该轮毂雷电导体布置为提供向大地的轮毂接地路径。因此，在本发明的特别优选的实施例中，放电部件布置在叶片雷电导体和轮毂雷电导体之间以便电气连接叶片雷电导体与轮毂，并且因此还经由轮毂接地路径而连接到大地。

如上文所指示，轮毂相对于风力涡轮机的静止机舱或床架旋转。因为叶片在其最外部边界处安装到轮毂，所以每一个叶片的基座描述了相对大的圆，其中轮毂的每一个回转围绕其（大体上水平的）旋转轴。出于该原因，在叶片雷电导体和静止组件之间要求电刷界面。然而，轮毂的中心点可以大体上位于沿轮毂旋转轴。这允许轮毂借助于导体而接地，该导体布置为大体上位于沿轮毂旋转轴。在风力涡轮机LPS的优选实施例中，旋转接头被包括在轮毂接地路径中，并且用于叶片的静电荷的分离的放电路径也行进通过旋转接头。旋转接头优选地实现为密封的旋转接头，使得其不能受到任何油类或油脂污染所影响。旋转接头的密封实现确保了其作为电气导体的主要功能将不会被任何薄膜累积所减损。

油类膜的击穿电压在一定程度上取决于油类的介电性质、层的厚度、环境温度等。优选地，考虑到典型地出现于特定风力涡轮机的轮毂中的参数而实现放电部件，例如通过考虑用于润滑轮毂中的组件的油类的类型、类似风力涡轮机中的油类污染的所观察的水平、安装场所处的典型天气条件等。在本发明的优选实施例中，放电部件实现为在大约5V或更少的击穿电压的基础上传递大约10mA的范围中的电流。

在本发明的特别优选的实施例中，放电部件包括具有适当值的放电电阻器。放电电阻器的一端可以连接到下导体，并且放电电阻器的另一端经由分离的放电路径而电气连接到大地。例如，电阻器可以电气连接在叶片雷电导体与轮毂雷电导体之间。放电电阻器优选地布置成接近下导体以便最小化电路长度（回路面积），由此使得由于磁耦合所感生的任何电压保持最小。优选地，放电电阻器围封在用于机械和电气保护的模制外壳中。

滑动电刷可以由滑动电刷支架保持，该滑动电刷支架用于将下导体的较低末端夹紧到滑动电刷。保持部件可以保持滑动电刷支架（与滑动电刷及其到下导体的电气连接）安全就位。这种鲁棒的安装布置确保了来自下导体的雷电电流将安全地经过滑动电刷到达大地。支架可以由非导电材料制成，所述非导电材料诸如酚醛塑料、玻璃纤维等。这种构造通过本发明而用于良好的效果，其遵循以下见解：静电荷还将包围或围绕非导电材料。例如，放电电阻器的一端可以连接到这样的支架，而放电电阻器的另一端经由放电路径电气连接到大地。静电荷的任何累积因此可以通过电阻器流至大地。轮毂一般由金属制成，或者至少通过金属构造而加强。在本发明的优选实施例中，放电电阻器的大地端电气连接到轮毂的金属结构。通过将放电电阻器的“大地”端电气连接到支架，确保了通过金属轮毂结构和轮毂接地路径向大地的路径。

在本发明的优选实施例中，风力涡轮机的每一个叶片装备有叶片雷电导体，并且风力涡轮机LPS包括放电部件，该放电部件布置为提供从每一个叶片雷电导体向大地的分离的放电路径，例如通过如上文所述的轮毂雷电导体，其中其向大地的路径通过旋转接头。

附图说明

本发明的其它目标和特征将从结合附图考虑的以下详细描述变得明显。然而，要理解到，附图仅仅被设计用于说明的目的并且不作为对本发明的限制的定义。

图1示出了根据本发明的雷电保护系统；

图2示出了根据本发明的雷电保护系统；

图3示出了现有技术雷电保护系统；

图4示出了如在现有技术风力涡轮机雷电保护系统中观察到的跨薄油膜的静电放电事件；

图5示出了如在现有技术风力涡轮机雷电保护系统中观察到的重复的静电累积和击穿。

在附图中，相同附图标记自始至终是指相同对象。图中的对象未必按照比例绘制。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的雷电保护系统1。该图是非常简化的示意性表示，其仅示出了安装在风力涡轮机中的发明的LPS 1的相关方面。指示了风力涡轮机轮毂21。轮毂21借助于轴承3安装到风力涡轮机的机舱4。轮毂21被提供有轮毂雷电导体11，所述轮毂21还可能被雷电冲击击中。因为轮毂21相对于机舱旋转，所以密封的旋转接头11R将旋转轮毂雷电导体11连接到静止导体12，静止导体12继而引向大地GND。若干叶片20被安装到轮毂21。雷电导体10沿着每一个叶片20的长度延伸，从而终止在接受体10中的外部叶片末端，这确保了以受控方式接收雷电冲击。每一个雷电导体10的其它末端终止在电刷10B处，电刷10B与轮毂21中的静止导电环14接触。在向叶片20的雷电冲击的情况下，利用通过雷电导体10和电刷10B到风力涡轮机塔台中的下导体15的叶片接地路径P_B提供电流以达到大地GND。如以上所解释，油类或油脂的薄膜F可以随时间而沉积在环状组件14的表面上。这种不合期望的薄膜充当介电层，其有效地使电刷10B与环状组件14绝缘。电刷10B的接触表面和环14的相对表面充当电容器的板，其中处于之间的薄油膜F作为介电层。

为了避免与静电荷在雷电导体10上的累积相关联的问题，放电电阻器R布置成与轮毂雷电导体11并联。以该方式，甚至在有利于静电荷累积的条件期间，将不存在叶片雷电导体10上的明显电荷累积，因为电荷可以总是经过由放电电阻器R提供的放电路径P_D而到轮毂21，并且从那里经由轮毂雷电导体11沿着连续可用的轮毂接地路径P_H而到大地GND。到大地GND的轮毂接地路径P_H的连续可用性通过密封的旋转接头11R而确保，密封的旋转接头11R不易受油脂污染所影响。

在图1中，轮毂21本身或者甚至仅仅是其内部表面可以导电，使得放电部件R仅需要物理接触轮毂21的内部表面以便得到向轮毂接地路径P_H的令人满意的电气连接。因为叶片和轮毂作为单个实体而旋转，所以这样的连接实现起来简明直接。图2示出了可替换的实现，如果轮毂由非导电材料（诸如玻璃纤维）制造，则该实现可以是优选的。此处，电气连接器R'包括简单的低电感（优选地，还是低欧姆）金属带，其在期望的情况下可以位于沿着轮毂内表面，其将叶片雷电导体10电气连接到轮毂雷电导体11。金属带R'优选地被定尺寸成在条件有利于静电荷在叶片雷电导体10上的累积时提供到大地的电气路径。

在现有技术风力涡轮机雷电保护系统中，静电将不可避免地累积在叶片雷电导体10上，特别是在有利的条件之下，诸如在非常干燥的天气期间、在累积成暴风雨期间、或者在其中叶片移动通过离子或带电颗粒（诸如冰晶、砂石等）的任何条件期间。图3示出了现有技术风力涡轮机的轮毂21和叶片20的简化视图。每一个叶片20在叶片尖端区中被装备有雷电导体10和接受体100。叶片雷电导体10借助于电刷10B而做出到环状环14的电气接触。环状环14继而借由导体的通常适当布置而通过机舱和塔台（tower）连接到电气大地GND。然而，轮毂中的诸如电机和驱动器之类的装置的存在以及通过油脂和油类的不可避免的污染最终导致环状组件14的表面上的油脂薄膜，并且该薄膜明显降低电刷10B和环14之间的电气连接的有效性。图4图示了静电累积的效果。该图示出了与薄油脂膜F接触的图3的现有技术LPS中的雷电导体10的电刷10B，油脂薄膜F已经沉积在环状组件14上。如上文所述，电刷10B和环14之间的薄膜F引起电容器10B、F、14。静电荷将累积在电容器的内侧“板”10B上。当电刷10B上的静电荷的水平达到针对该薄膜的击穿电压时，膜突然变得导电，从而导致放电火花S和宽带电磁辐射的发射，所述宽带电磁辐射可以被附近建筑物中的电子设备、无线电观测站、飞机等感知为电磁干扰。一旦静电荷已经传递到大地，薄膜就再次充当绝缘膜，并且静电荷开始再次累积。该循环行为在图5中图示，图5示出了静电荷U或电势U[V]针对时间的图示。转子叶片中的雷电导体10上的静电荷累积到薄膜的击穿电压水平U_BD。击穿电压U_BD的值将取决于油类或油脂的类型、膜的厚度、以及各种其它参数，并且可以随着这些参数改变而浮动。取决于环境条件如何有利，静电荷以其累积的速率可以是快速或缓慢的。一旦雷电导体10上的静电荷已经达到击穿电压U_BD，瞬时放电31就导致放电火花S，并且雷电导体10上的电荷有效地跌至零，仅仅以开始再次朝向击穿电压U_BD增大。只要薄膜存在于电刷10B和环状导体14之间，充电/放电循环就可以无限期地继续，从而导致成问题的宽带电磁辐射、对通过附近的无线电接收器的接收的不利影响、以及可能不能与本地适用的EMC规章相符。

尽管已经以优选实施例及其上的变形的形式公开了本发明，但是将理解到，可以在不脱离本发明的范围的情况下对其做出众多附加修改和变形。

出于清楚起见，要理解到，遍及该申请的“一（a）”或“一（an）”的使用不排除多个，并且“包括”不排除其它步骤或元件。

Claims

1.一种风力涡轮机（2）的雷电保护系统（1），包括

- 叶片雷电导体（10），其被布置在风力涡轮机（2）的转子叶片（20）中以便延伸到轮毂（21）中；

- 静止导体（14），在雷电冲击期间提供向大地（GND）的叶片接地路径（P_B），其中叶片接地路径（P_B）即使在没有雷电冲击的情况下也是不间断的；以及

- 电刷（B），其被布置成电气连接叶片雷电导体（10）和静止导体（14）；

其中雷电保护系统（1）还包括：放电部件（R、R'），其被布置为提供从叶片雷电导体（10）向大地（GND）的针对静电荷累积的分离的放电路径（P_D）；和轮毂接地路径（P_H）中的旋转接头（11R），并且其中所述分离的放电路径（P_D）通过旋转接头（11R）。

2.根据权利要求1所述的雷电保护系统，其中放电部件（R、R'）电气连接在叶片雷电导体（10）与轮毂（21）之间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的雷电保护系统，包括轮毂雷电导体（11），轮毂雷电导体（11）被布置成在雷电冲击期间提供向大地（GND）的轮毂接地路径（P_H），并且其中放电部件（R、R'）电气连接到轮毂雷电导体（11）。

4.根据权利要求1或2所述的雷电保护系统，其中旋转接头（11R）实现为密封的旋转接头（11R）。

5.根据权利要求1或2所述的雷电保护系统，其中放电部件（R、R'）实现为传递在10mA的范围内的电流。

6.根据权利要求1或2所述的雷电保护系统，其中放电部件（R）包括放电电阻器（R）。

7.一种风力涡轮机（2），包括根据权利要求1至6中任一项所述的雷电保护系统（1）。

8.根据权利要求7所述的风力涡轮机，包括多个转子叶片（20）、布置在每一个转子叶片（20）中的叶片雷电导体（10）、以及放电部件（R），所述放电部件（R）布置为提供从每一个叶片雷电导体（10）到大地（GND）的分离的放电路径（P_D）。

9.一种用雷电保护系统（1）装备风力涡轮机（2）的方法，包括以下步骤：

- 将叶片雷电导体（10）布置在风力涡轮机（2）的转子叶片（20）中以便延伸到风力涡轮机轮毂（21）中；

- 将静止导体（14）布置在机舱中以便在雷电冲击期间提供向大地（GND）的叶片接地路径（P_B），其中叶片接地路径（P_B）即使在没有雷电冲击的情况下也是不间断的；以及

- 将电刷（B）布置成电气连接叶片雷电导体（10）和静止导体（14）；以及

- 提供放电部件（R、R'）以便呈现从叶片雷电导体（10）向大地（GND）的分离的放电路径（P_D）；以及提供轮毂接地路径（P_H）中的旋转接头（11R）；并且其中所述分离的放电路径（P_D）通过旋转接头（11R）。

10.根据权利要求9所述的方法，其中提供用于叶片雷电导体（10）的放电部件（R、R'）的步骤包括在叶片雷电导体（10）与轮毂雷电导体（11）之间布置电气连接（R、R'）的步骤。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，在翻新过程中执行提供用于叶片雷电导体（10）的放电部件（R、R'）的步骤。