一种应用于风电机叶片的防雷系统

技术领域

本发明涉及风电机装置技术领域，具体涉及一种应用于风电机叶片的防雷系统。

背景技术

风力发电是我国新能源行业的重要组成部分，风电机的运行安全至关重要，其中雷电防护问题尤其突出，一定程度上制约了风电的发展。雷电防护主要包含直击雷防护和感应雷防护两大部分，风电机的感应雷防护技术相对成熟，效果也基本符合要求，而风电机的直击雷防护一直没有理想的方法和效果，成为行业一大痛点。

雷电流有正负极性，其中90％左右为负极性。雷电发展过程前期，雷云向下发展下行先导，正极性先导发展连续且迅速，控制或阻碍它的发展有困难。负极性先导是逐级阶跃地向下发展的，接近地面时，地面物体因静电感应形成较高的正极性电位，进而产生正极性迎面先导向上发展，最后与下行先导汇合形成主放电。

目前成熟的理论和技术是“引雷”，即利用位置较高的金属导体引导雷电击中其本身，并将雷电流引入大地，从而保护其附近较低的物体免受雷击。在风电机的防护中，位置较高的是风机的叶片，塔筒被雷击的概率较低，即使被雷击，因其本身导电性能良好，且厚度足够，能够承受雷电流，不会被损坏。

对风机叶片的直击雷防护，现有技术多是依据传统的“引雷”原理，在叶片内部或表面安装引雷针，或者在塔筒顶部安装所谓具有“提前放电”或“主动放电”功能的引雷针，再通过引下线接地。对于在叶片内部或表面安装引雷针的技术，存在的问题是一旦雷电接闪，强大的雷电流形成的电弧会使叶片表面承受高温而导致叶片的局部破坏，如变形、产生裂纹等，严重的情况下甚至会使叶片断裂，进而导致更严重后果。对于在塔筒顶部安装所谓具有“提前放电”或“主动放电”功能的引雷针的技术，该技术较新，目前市场未大量推广，效果有待实践检验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于风电机叶片的防雷系统，能够相比现有技术提高风电机直击雷防护性能，降低风电企业安全运行的风险。

为了达到上述目的，提供了一种应用于风电机叶片的防雷系统，包括控制开关、极性转换控制开关和大气电场仪，以及串联连接的直流高压发生器和天线；

所述天线安装于叶片内，其端部与叶片表面齐平；

所述大气电场仪用于测量风机周围区域的大气电场信息，包括电场极性信号和感应电场幅值信号；

所述控制开关根据感应电场幅值信号控制直流高压发生器的启闭；

所述极性转换控制装置用于根据电场极性信号，控制直流高压发生器输出端的电位极性，使天线发送的电荷极性与雷电相同。

原理及优点：

1.大气电场仪测量风机所处区域的大气电场，当控制开关检测到感应电场幅值信号(电场场强)达到雷电发生前的阈值时，启动直流高压发生器，反之则关闭。直流高压发生器可产生直流高压，而极性转换控制装置用于根据电场极性信号，控制直流高压发生器输出端的电位极性，随后直流高压输送至叶片内的天线，用以产生与雷电流同极性的电离电荷，分布于叶片周围空间，使叶片周围空间形成极性与雷电流相同的局部高电场，并产生与雷电下行先导电极性相同的上行先导。(术语解释：先导-长气隙击穿前的一种气体放电现象。)降低雷电下行先导与风机间的电场，抑制雷电下行先导向风机附近空间发展，同时也抑制叶片产生与雷电流反极性的上行先导，从而极大降低叶片和风机遭受雷击的概率，从根源上解决叶片直击雷防护问题。

2.目前的“引雷”技术，是使雷电流流经塔筒入地，导致其附近电场强度极高，地电位也极高，因此对感应雷防护措施(如屏蔽、避雷器、等电位等)要求极高，推高了防护措施成本。而本方案使雷电通道远离风机，风机所处区域电场强度大为降低，地电位也极低，感应雷防护措施成本相应降低，防护效果更好。

进一步，所述直流高压发生器和天线之间设置有行程开关，所述行程开关用于控制叶片所对应的天线与直流高压发生器之间连通与断开。

有益效果：能够实现节约用电的同时保障人员设备安全。例如确保当叶片运行至端部高度较低时切断高压，避免处于低位的天线与塔筒间绝缘击穿，或者天线与地面的人和物间绝缘击穿，从而保障地面人和物的安全。

进一步，所述直流高压发生器的电源输入端并联有第一避雷器。

有益效果：抑制低压线路的浪涌电压，保障电源(例如变压器)和高压发生器的安全。

进一步，所述直流高压发生器输出端与天线之间的主线路上并联有第二避雷器和第三避雷器。

有益效果：第二避雷器和第三避雷器的作用有两方面：一方面由于某些随机因素使雷电直击叶片(小概率)，天线此时变成接闪器，避雷器导通将雷电流泄放入地，保护直流高压发生器；另一方面保证天线输出的高压不超过上限值。

进一步，所述第二避雷器采用限压型避雷器，所述第三避雷器采用开关型避雷器。

有益效果：第二避雷器采用限压型避雷器，能够快速响应，以及实现抑制雷电过电压和雷电截波，其平均响应时间小于30纳秒。其伏秒特性曲线应低于直流高压发生器输出端绝缘的伏秒特性曲线，保障直流高压发生器绝缘的安全。第三避雷器采用开关型避雷器，泄放雷电流主要分量；与第二避雷器实现能量配合，共同保护直流高压发生器等设备和器件。

进一步，所述第二避雷器和第三避雷器在主线路上之间的连接点之间设置有第一电感。

有益效果：第一电感能够提升第二避雷器前端(天线侧)电位，确保当第二避雷器放电时，第三避雷器也能导通放电，实现两个避雷器间的有效配合。

进一步，所述主线路上，在第二避雷器的连接点远离第一电感的一侧设置有第二电感。

有益效果：第二电感能够抑制避雷器残压陡度和幅值；其次，当第二避雷器导通时，由震荡电流形成的震荡电压的陡度和幅值也会被第二电感降低，进一步保护直流高压发生器。

进一步，所述直流高压发生器输出端设置有限流电阻。

有益效果：限流电阻的作用有两方面：一方面，当因某些故障(如行程开关损坏)出现天线对地或塔筒放电时，限流电阻的存在可使放电电流峰值控制在低电流阈值以内，不致出现电弧。另一方面，当两个避雷器动作时，限流电阻和第二电感共同抑制截波幅值和震荡波的能量，进一步保护直流高压发生器等设备。

进一步，所述限流电阻的取值范围为500K--1MΩ。

进一步，所述直流高压发生器的电源端与其供电电源之间分别连接有熔断器和电源总开关。

有益效果：电源总开关在设备维护和紧急情况下确保切断电源和高压。电路过载或因故障导致天线对地放电时，熔断器动作切断电源，从而对其余设备进行有效保护。

附图说明

图1为本发明实施例一种应用于风电机叶片的防雷系统的电路原理图；

图2为组合式行程开关时应用于风电机叶片的防雷系统的电路原理图；

图3为控制开关、极性转换控制开关的电路原理图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例

一种应用于风电机叶片的防雷系统，用于现有的风力发电装置上，风力发电装置包括塔筒、风机和三片叶片等结构，本实施例不对其改进，因此不做过多赘述。本系统基本原理如图1所示，包括控制开关、极性转换控制开关和大气电场仪，以及串联连接的电源、电源总开关K、熔断器FU、直流高压发生器、限流电阻R、行程开关、第二电感L2、第一电感L1和天线。其中，电源、电源总开关K、熔断器FU、直流高压发生器、限流电阻R、行程开关、第二电感L2、第一电感L1和天线所在线路在本实施例中表示为主线路。

所述天线安装于叶片内，其端部与叶片表面边缘齐平，三片叶片内均设有天线。所述天线采用直径大于12毫米的热镀锌钢筋或管壁厚大于4毫米的不锈钢管。所述天线的形状与树叶的脉络相似。天线有三个效果，一是多个分枝可释放更多电离电荷分布于更多区域，能够形成所需的上行先导，从而极大降低叶片和风机遭受雷击的概率，从根源上解决直击雷防护问题；二是即使雷直击叶片(小概率)，也有更多接闪点，天线可以变成接闪器，使避雷器导通将雷电流泄放入地，从而保护直流高压发生器。避免叶片的碳纤维材料承受雷击而损坏。三是改善叶片的受力结构，减小叶片底部因增加天线的受力。

所述直流高压发生器输出端与天线之间的主线路上分别并联有第二避雷器SPD2和第三避雷器SPD3。所述第二避雷器SPD2采用限压型避雷器，所述第三避雷器SPD3采用开关型避雷器。第二避雷器SPD2和第三避雷器SPD3的作用有两方面：一方面由于某些随机因素使雷电直击叶片(小概率)，天线此时变成接闪器，避雷器导通将雷电流泄放入地，保护直流高压发生器；另一方面保证天线输出的高压不超过上限值(600KV)。

第一电感L1位于所述第二避雷器SPD2和第三避雷器SPD3在主线路上之间的连接点之间，第一电感L1能够提升第二避雷器SPD2前端(天线侧)电位，确保当第二避雷器SPD2放电时，第三避雷器SPD3也能导通放电，实现两个避雷器之间的有效配合。

第二电感L2位于第二避雷器SPD2的接触点远离第一电感L1的一侧，第二电感L2能够抑制避雷器残压陡度和幅值；其次，当第二避雷器SPD2导通时，由震荡电流形成的震荡电压的陡度和幅值也会被第二电感L2降低，进一步保护直流高压发生器。

限流电阻R位于所述直流高压发生器与行程开关之间。限流电阻R的取值范围为500K--1MΩ。限流电阻R的作用有两方面：一方面，当因某些故障(如行程开关损坏)出现天线对地或塔筒放电时，限流电阻R的存在可使放电电流峰值控制在低电流阈值以内，不致出现电弧。另一方面，当两个避雷器动作时，限流电阻R和第二电感L2共同抑制截波和震荡波的能量，进一步保护直流高压发生器等设备。

如图1所示，天线共有3组，行程开关可以是3组独立的开关，也可以是组合式的，本实施例中，行程开关可以是3组独立的开关，开关一端接第三避雷器，另一端分别与3幅天线连接。

所述行程开关设置在第三避雷器SPD3和天线之间，用于控制叶片所对应的天线与直流高压发生器之间连通与断开。本实施例中，当任一叶片与水平线夹角为-45°～-135°时，连接该叶片内置天线的行程开关处于断开状态，断开与直流高压发生器的连接，并使另两个叶片的内置天线与直流高压发生器保持连通。

本实施例中，行程开关可采用通用的同轴型行程开关，例如设置铜金属弹片和铜金属触点，铜金属触点通过导线连接天线，而铜金属弹片与第一电感L1连接。转轴通过机械传动装置与风机转子的运行速度保持同步。因此确保当叶片运行至端部高度较低(与水平线夹角在-45°～-135°之间)时切断高压，避免处于低位的天线与塔筒间绝缘击穿，从而保障地面人和物的安全。

如图2所示，在其他实施例中，3组天线共用一个行程开关，3组天线均通过一个行程开关来控制，只需确保当叶片运行至端部高度较低(与水平线夹角在-45°～-135°之间)时切断高压。

所述大气电场仪用于测量风机周围区域的大气电场，包括电场极性信号和感应电场幅值信号；感应电场幅值信号对应的场强阈值为7KV/m左右，该场强阈值对应的雷暴提前预警时间平均为20分钟，阈值可调。大气电场仪检测的范围较大，设置在风机周围的建筑物上即可。

所述控制开关根据感应电场幅值信号控制直流高压发生器的启闭；

所述极性转换控制装置用于根据电场极性信号，控制直流高压发生器输出端的电位极性，使天线发送的电荷极性与雷电相同。控制开关和转换开关的电路可以有多种形式，例如常规的继电器控制、单片机控制、微机控制等，以弱电控制强电。

所述直流高压发生器的电源端与其供电电源之间分别连接有熔断器和电源总开关。

所述直流高压发生器的供电电源采用220V交流电，且在电源线路上并联有第一避雷器SPD1。

所述直流高压发生器输出端后所有导线、元器件、接线端子等导体均覆盖固态绝缘，具体材料不限。

大气电场仪测量风机所处区域的大气电场，当场强达到雷电发生前阈值时，使控制开关导通，直流高压发生器工作，产生400-600KV直流高压(天线输出的高压理论上越高越好，但设备和器件的成本将极大提高，选用500KV左右的高压是综合考虑性价比的因素)，送至安装于叶片内的天线，用以产生与雷电流同极性的电离电荷，分布于叶片周围空间，使叶片周围空间形成极性与雷电流相同的局部高电场，并产生上行先导。

负极性雷电(雷电的绝大多数情形)的下行先导是逐级、阶跃性地发展的，每级放电距离多为数十米，时间约为几微秒，再停顿数十微秒，驱散先导前端空气中的负离子，待先导前端电场恢复至足够大后再发展下一段先导放电。当下行先导接近叶片时，叶片内置天线500KV左右的高压产生的上行先导长度可达数米，电离电荷分布范围更广，下行先导驱散负离子过程中，因叶片附近几十米区域负离子浓度远高于其他区域，故其负离子扩散过程较长，电位下降较慢；尤其是叶片附近数米距离空间是上行先导放电区，即使离子扩散，天线亦可补充大量负电荷以维持先导通道的高电位，导致下行先导与叶片附近空间之间的电场强度小，因此，下行先导将选择向远离叶片的区域放电，从而避免了叶片遭受雷击。

正极性雷电的下行先导的发展是连续的，少有级间停顿，过程极短。此时天线产生的是正极性先导，理论上也能抑制下行先导向叶片放电，但效果不如抑制负先导明显。叶片仍有遭受正极性雷电直击的可能，但概率小于传统的“引雷”技术。

本方案中，如图3所示，以继电器作为控制开关(左)和极性转换控制装置(右)，KM是继电器，KT是时间继电器，SA是转换开关线圈，K1、K2是电子开关，电源采用直流电源(24V)，可以由低压220V交流电经变压器变压，再经整流、滤波、稳压环节得到，也可以用电池，具体电路此处不再介绍。

大气电场仪输出两个信号：电场极性信号(本实施例中实际采用平均电场极性信号)和感应电场幅值信号(本实施例中实际采用感应电场平均幅值信号)，取样周期可调，一般取10-30秒。触发器1、2的输出端分别接电子开关K1、K2，使模数电路相互隔离。控制开关电路由接触器主触点构成，转换开关机械装置和主电路由直流高压发生器生产厂家提供。

该控制电路基本原理：当大气电场幅值(感应电场平均幅值信号)达到阈值(可预先设定，一般取5-15KV/m)以上时，大气电场仪输出幅值信号到触发器1，输出极性信号到触发器2。电场极性信号为负时触发器2不触发，直流高压发生器默认输出电压极性为负，正极接地；电场极性信号为正时触发器2触发，电子开关K2闭合，转换开关切换，直流高压发生器输出正极性高压，负极接地。电场幅值达到阈值时，触发器1触发，电子开关K1闭合，时间继电器KT线圈工作，经延时后接触器线圈工作(延时时长需大于转换开关切换时间，避免切换过程因高压出现闪络)，主电路导通。随后直流高压输送至叶片内的天线，用以产生与雷电流同极性的电离电荷，分布于叶片周围空间，使叶片周围空间形成极性与雷电流相同的局部高电场，并产生与雷电下行先导电极性相同的上行先导。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此不过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。