CN102278286B - 用于风力涡轮机的防雷系统和风力涡轮机 - Google Patents
用于风力涡轮机的防雷系统和风力涡轮机 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于风力涡轮机（1）的防雷系统（10），其中该风力涡轮机（1）具有塔架（2）、处于所述塔架（2）顶部的机舱（3）、在所述机舱（3）的前端绕旋转轴线（a）旋转的叶片轮毂（4）和附接到所述叶片轮毂（4）的叶片（5），防雷系统（10）包括在所述叶片（5）内的内导体（11）、布置在所述叶片（5）外并且所述内导体（11）电连通的外导体（12）、布置在所述机舱（3）的所述前端并且与所述外导体（12）电连通的收集导体（13）以及连接到地面并且与所述收集导体（13）电连通的引下导体（14），其中所述外导体（12）和所述收集导体（13）包括距所述旋转轴线（a）基本相同的距离。
Description
技术领域
本发明涉及用于风力涡轮机的防雷系统和具有防雷系统的风力涡轮机。
背景技术
风力涡轮机通常配备有防雷系统，以确保由雷击引发的巨大电流可被传导到地面而不损坏风力涡轮机的各部件。
受到雷击最多的部分是叶片。因此，防雷系统提供从叶片到地面的传导路径是重要的。
在旋转叶片轮毂和发电机之间具有齿轮减速装置的风力涡轮机典型地具有大的主轴承，这为防雷系统提供了坚固的场所。电流通常从叶片引导通过轴承、轴以及某种类型的火花隙并进一步到达地面。
不具有减速齿轮和大轴承的直驱式风力涡轮机未对防雷系统提供有利条件，尤其是如果使用了外转子的情况。
EP01930586A1示出了一种用于风力发电机的防雷系统，其具有从叶片内的线导体到在叶片根端的金属带并进而到附接于机舱壳体的沟槽的传导路径。雷电传递元件被固定到轮毂，由此限定两个火花隙。一个火花隙被布置在金属带和雷电传递元件之间，而另一个火花隙被布置在雷电传递元件和沟槽之间。
发明内容
本发明的一个目标是为风力涡轮机提供改进的雷电防护。
根据本发明，该目标通过根据本发明的用于风力涡轮机的防雷系统以及根据本发明的风力涡轮机得以解决。
在一个方面，本发明涉及一种用于风力涡轮机的防雷系统。该风力涡轮机具有塔架、在所述塔架顶部的机舱、在所述机舱的前端绕旋转轴线旋转的叶片轮毂和附接到所述叶片轮毂的叶片。所述防雷系统具有在所述叶片内的内导体、布置在所述叶片外并且与所述内导体电连通的外导体、布置在所述机舱的所述前端并且与所述外导体电连通的收集导体以及连接到地面并且与所述收集导体电连通的引下导体。所述外导体和所述收集导体包括距所述旋转轴线基本相同的距离。所述防雷系统的不同导体被连接在一起，以便没有雷电流的轰燃或突跳是必要的或能发生。分开的收集导体允许雷电流的安全传递，而没有损害所述风力涡轮机的敏感的内部部分，类似于发电机、主轴承或电器电子系统。
所述外导体可具有弧刷并且收集导体可具有收集路径，该收集路径具有围绕所述旋转轴线的圆形节段形状。这种布置提供移动部分，即带有内部和外部导体的叶片，和静止部分，即收集导体和引下导体之间的良好过渡。所述收集路径可具有大于弧刷或电刷的宽度，以确保在所有情况下的可靠重叠。至少所述防雷系统的那些暴露在外的部分可由不锈材料，例如不锈钢组成。
所述收集路径的圆形节段可具有大约120、180或360度的角度。由于对于所有叶片并非必须同时和所述收集路径接触，因而此角度可考虑叶片的数量。对于三个叶片，大约120度的角度确保至少一个叶片在所有时刻和所述收集路径接触。180度的角度可支持带有一个或两个叶片的转子。利用360度的角度，即圆形的或管状的收集路径，提供旋转和静止部分之间的恒定接触。
所述收集导体可被布置在所述机舱和/或外转子上方。对于全圆形式或圆形节段形式两种情况的收集导体，收集导体位于所述机舱和/或所述外转子上方。这确保与受到雷电最多的顶端的叶片的外导体的收集导体的接触。除了将雷电流从叶片或多个叶片传导至发电机外转子周围，所述收集导体也用作避免外转子被太阳加热的遮阳部。所述收集导体与风力涡轮机的机舱或其他部分分离，这减少了雷电流对发电机或其他敏感部分轰燃的风险。
所述收集导体可沿所述旋转轴线的方向具有覆盖风力涡轮机的重要部分，例如发电机或电子系统的长度。所述防雷系统的导体可相对风力涡轮机的敏感部分具有尽可能大的距离，以减少雷电流的突跳的可能性。因此，所述收集导体和/或所述引下导体可具有允许桥接风力涡轮机的重要部分的尺寸。
所述外导体可基本平行于所述旋转轴线布置。对于所述外导体而言，这是减少雷电流的突跳风险的最短路径。所述外导体例如成45度角的对角布置也是可以的。在此情况下，只有接触所述收集导体的端部可平行于所述旋转轴线。
所述外导体可具有绕所述叶片的纵向轴线的90度圆形节段，所述纵向轴线大致垂直于所述旋转轴线。叶片因俯仰系统可围绕其纵向轴线旋转达到90度。所述外导体的这种设计利用俯仰系统允许用于风力涡轮机的防雷系统的旋转和静止部分之间的接触。
所述收集导体可具有与所述收集路径和所述引下导体电连通的导电路径。带状导电材料形成的带或或扁平电缆形式的导电路径对所述机舱或转子的表面提供最小能力。尽可能低的自感应是优选的。用于导电路径的合适材料可为铜。可避免雷电流的向下突跳。
所述收集导体的与所述机舱相反的内侧可至少部分地覆盖有电绝缘体。像玻璃纤维的电绝缘体增强到转子和/或机舱的电绝缘。
雷电登记卡可被布置在所述内导体和所述外导体之间。雷电登记卡允许读出叶片受到的最大雷电流并且能完善所述防雷系统。
在第二方面中，本发明涉及一种风力涡轮机，其具有塔架、在所述塔架顶部的机舱、在所述机舱的前端绕旋转轴线旋转的叶片轮毂和附接到所述叶片轮毂的叶片。该风力涡轮机具有如上所述的防雷系统。由于所述电导路径在所述风力涡轮机外且远离像发电机和主轴承的关键部分延伸，因而所述防雷系统提供对雷电流的良好保护。
所述风力涡轮机可具有三个叶片，其中所述防雷系统的收集导体可具有收集路径，该收集路径具有围绕所述旋转轴线的大约120度的圆形节段形状。大多数的设计采用三个叶片并且可足以保护最顶部的叶片或最顶部的两个叶片，这通过大约120度的角度得以保证。
发电机可直接与所述叶片轮毂连接和/或可具有外转子和内定子。所述发电机可为直驱外转子型。甚至这种设计可利用所提出的防雷系统成功地得到保护。
附图说明
所包括的附图提供了对各实施例的进一步理解。其他各实施例和许多预期的优点参照以下详细描述而将变得易于理解，因而他们将更易于被认识。附图的各元件彼此并非必然成比例。相似的附图标记指代相应的类似部分。
图1例示了根据本发明的风力涡轮机和防雷系统的示意图。
图2例示了根据本发明的位于叶片根部的防雷系统的细节。
图3例示了具有根据本发明的防雷系统叶片的一部分的叶片的示意图。
图4例示了具有根据本发明的防雷系统叶片的一部分的叶片的顶视图。
图5例示了根据本发明的收集导体（collectingconductor）的透视图。
图6例示了根据本发明的收集导体的示意图。
图7例示了根据本发明的风力涡轮机和防雷系统的顶视图。
图8例示了根据本发明的风力涡轮机和防雷系统的示意图。
具体实施方式
在以下详细描述中，参照附图，该附图形成详细描述的一部分，并且在附图中通过示例示出了本发明可实施于其中的具体实施例。关于这一点，诸如“顶部”或“底部”等方向术语参照正在描述的附图的朝向使用。因为实施例的各组成部分可被放置在许多不同的朝向，所以定向术语用于例示的目的而绝非限制。应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可利用其他实施例并且可进行结构或逻辑的改变。因此，以下详细描述，不应以限制的含义理解，且本发明的范围由所附权利要求限定。
图1示出了具有固定到地面的塔架2的风力涡轮机1。机舱3被布置在塔架2之上。在机舱3的前端，旋转的叶片轮毂4承载一个或更多叶片5。叶片轮毂4围绕基本水平的旋转轴线a旋转。具有外转子7和内定子8的发电机6被布置在机舱3内。
风力涡轮机1配备有防雷系统10，该防雷系统10保护风力涡轮机1的重要部分，例如发电机6、主轴承和电器电子部分免于雷电流。
防雷系统10具有布置在叶片5内的内导体11。内导体11捕获通过击中叶片5的雷击引发的电流。内导体11从叶片5的上部延伸到叶片5的根部。在该根部，内导体11连接到外导体12。外导体12布置在叶片5外并与收集导体13滑动连通。外导体12和收集导体13距旋转轴线a具有大约相同的距离——至少在两个导体之间的接触区域中。如所示，外导体12可沿弯曲路径伸展。
根据风力涡轮机1的设计，收集导体13布置在机舱3或者转子的部分上方。收集导体13以距离d布置在风力涡轮机1的最近部分上方。距离d被选择为没有电流可向下突跳至机舱2或转子。通常的设计准则是100KV范围内的电压不会从收集导体13突跳越过风力涡轮机1的最近部分。实际距离d于是取决于所选择的材料和周围状况。
收集导体13沿旋转轴线a具有长度L，该长度L跨越类似于发电机6的重要部分。在机舱3的前端，收集导体13接近叶片5的根部，从而便于外导体12和收集导体13之间的接触。在此，收集导体13越过机舱2以同样覆盖叶片轮毂4的部分。在远离叶片5的端部，收集导体13与引下导体14连接，该引下导体14在塔架2内或者外延伸到地面。
如果叶片5被雷击击中，则雷电流由内导体11引导到外导体12并从那里经滑动连接部15通过收集导体13到达引下导体14然后到达地面。通过这种方法，可以将雷电流从叶片5传导越过收集导体13到达机舱3的后半部分并进而向下到达地面，从而避免大的雷电流穿过发电机6的旋转外转子7和其他部分。雷电流可完全在机舱3外被引导。
在类似于叶片5和外导体12的旋转部件和类似于机舱3和收集导体13的静止部分之间的过渡度部，滑动连接部15提供没有火花和电流突跳的连接。滑动连接部15具有附接到外导体12的弧刷或电刷16以及在收集导体13的外表面上的收集路径17。
收集导体13优选通过一个或更多支柱（为便于理解，图中未示出）附接到机舱2。支柱可由绝缘材料制成，以保持收集导体13和风力涡轮机1的外表面之间的介电强度较高。
图2、3和4更详细地示出了滑动连接部15。内导体11从叶片5的顶端向下延伸到叶片5的根部或基部。在内导体11的下部或在内导体和外导体12之间可安装所谓的雷电登记卡18。由雷电产生的磁场在雷电登记卡18的磁条上留下痕迹。通过这种方式，可以读出叶片5受到的最大雷电流。
外导体12在内导体11之后或在雷电登记卡18之后延伸。虽然被命名为外导体12，其可起源于叶片5内。使外导体12得名的重要部分是与收集导体13的接触点，该接触点位于叶片5和整个风力涡轮机1外。
外导体12大约平行于旋转轴线a延伸并且具有电刷16，电刷16与收集导体13的收集路径17滑动接触。收集路径17沿旋转轴线a方向具有一宽度，该宽度允许电刷16和收集路径17之间的良好重叠，以总是确保电刷16和收集路径17之间的接触和电连通。旋转和静止部分之间的电连通由滑动连接部15实现，即，电刷16和收集路径17。
由于叶片5及其外导体12和电刷16旋转，收集路径17（如果需要，以及整个收集导体13）具有管状或圆形节段或环状的形状。收集导体13或至少收集路径17和机舱2的外形是同心的。这允许至少顶端的叶片5的收集路径17和电刷16之间的连续接触，顶端的叶片5受雷电最多。这里，利用三个叶片5，并且收集导体13具有120度的圆形节段形状。
风力涡轮机1配备有补偿叶片5的俯仰系统，其可被旋转直到90度。为了保持带有电刷16的外导体12和收集路径17的恒定接触，外导体12和电刷16的形状像大约90度的圆形节段。优选地，略大于90度，以同样保证在终端位置的接触。外导体12、电刷16和收集路径17的宽度近似平行于旋转轴线a，以确保滑动连接部15的良好接触。电刷16和或外导体12可装载弹簧，以例如针对恶劣环境改进接触。防雷系统10的至少暴露在环境的部分为不锈的或防锈的。
图5和6更详细地示出了收集导体13。收集导体13具有圆柱或圆形节段的形状，即，与机舱3的形状同心。弧段的角度绕旋转轴线a为大约120度。收集路径17布置在收集导体13的前部。收集路径17可具有80到100mm的宽度和大约5mm的厚度。收集路径17由不锈钢组成。两个导电路径19被连接到收集路径17，以将雷电流引导至收集导体13的后端。也可使用一个导电路径19。
收集路径19具有最小的容量和尽可能低的自感应，以避免电流从收集导体13突跳到风力涡轮机1。为了增加收集导体13和风力涡轮机1之间的介电强度，收集导体13的内侧可覆盖像具有大约20KV/mm的介电强度的玻璃纤维的电绝缘体20。整个收集导体13可由电绝缘体20组成。收集路径17和一个或更多导电路径19可形成在电绝缘体20之上。
在收集导体13的后端，一个或更多导电路径19与引下导体14连接，以将雷电流引导至地面。
图7从顶部示出了风力涡轮机1和防雷系统10。收集导体13分别覆盖机舱3的一部分和叶片轮毂4或转子的一部分。部分覆盖指的是沿旋转轴线a的方向并且也沿圆周方向。两个最顶部的叶片5的外导体12同时与收集导体13的收集路径17滑动接触。三个导电路径19连接收集路径17和引下导体14。为了更好的连接，在收集导体13的后端形成连接路径21，其类似于前端的收集路径17。引下导体14连接到连接路径21。
图8示出了风力涡轮机1以及具有改进的收集路径17和导电路径19的防雷系统10。这里，收集路径17和导电路径19为减震架的一部分。收集路径17和导电路径19不是直接放置在收集导体13的顶表面上，而是和其有距离。进一步，为了改善接触，减震架或弹簧机构挤压收集路径17使其抵靠外导体12的电刷。减震架在收集导体13的后部安装到收集导体13。
这种设计至少在发电机的关键区域中提供导体和风力涡轮机1之间的更大距离，这改进了机构的介电强度。
为了维护，工人需要用救生索连接到风力涡轮机1的结构。经常不得不使用分开的紧固点，这需要反复的松开和重新系上救生索。减震架可被用于系上救生索。这允许工作区的较大增加，从而便于维护工作。
Claims (14)
1.一种用于风力涡轮机（1）的防雷系统，所述风力涡轮机（1）具有塔架（2）、处于所述塔架（2）顶部的机舱（3）、在所述机舱（3）的前端绕旋转轴线（a）旋转的叶片轮毂（4）和附接到所述叶片轮毂（4）的叶片（5），所述防雷系统包括所述叶片（5）内的内导体（11）、布置在所述叶片（5）外并且与所述内导体（11）电连通的外导体（12）、布置在所述机舱（3）的前端并且与所述外导体（12）电连通的收集导体（13）、以及连接到地面并且与所述收集导体（13）电连通的引下导体（14），其中所述外导体（12）和所述收集导体（13）包括距所述旋转轴线（a）基本相同的距离，并且其中，在所述外导体（12）和所述收集导体（13）之间存在滑动连接部（15）。
2.根据权利要求1所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述外导体（12）包括电刷（16），并且所述收集导体（13）包括收集路径（17），所述收集路径（17）具有围绕所述旋转轴线（a）的圆形节段形状。
3.根据权利要求2所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述圆形节段包括120、180或360度的角度。
4.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述收集导体（13）布置在所述机舱（3）上方。
5.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述收集导体（13）沿所述旋转轴线（a）的方向具有覆盖所述风力涡轮机（1）的关键部分（6，7，8）的长度（L）。
6.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述外导体（12）基本平行于所述旋转轴线（a）布置。
7.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述外导体（12）包括绕所述叶片（5）的纵向轴线的90度圆形节段，所述纵向轴线大致垂直于所述旋转轴线（a）。
8.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述收集导体（13）包括与所述收集路径（17）和所述引下导体（14）电连通的导电路径（19）。
9.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中所述收集导体（13）的与机舱（3）相反的内侧至少部分地覆盖有电绝缘体（20）。
10.根据权利要求1至3之一所述的用于风力涡轮机（1）的防雷系统，其中雷电登记卡（18）布置在所述内导体（11）和所述外导体（12）之间。
11.一种风力涡轮机，其具有：塔架（2）、处于所述塔架（2）顶部的机舱（3）、在所述机舱（3）的前端绕旋转轴线（a）旋转的叶片轮毂（4）、以及附接到所述叶片轮毂（4）的叶片（5），所述风力涡轮机包括根据权利要求1至10之一所述的防雷系统（10）。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，包括三个叶片（5），其中所述防雷系统（10）的收集导体（13）包括收集路径（17），所述收集路径（17）具有围绕所述旋转轴线（a）的大约120度的圆形节段形状。
13.根据权利要求11或12所述的风力涡轮机，其中发电机（6）直接与所述叶片轮毂（4）连接。
14.根据权利要求13所述的风力涡轮机，其中所述发电机（6）具有外转子（7）和内定子（8）。
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