风力涡轮机叶片的雷电保护系统的制作方法

本发明涉及控制注入到碳纤维层压层(laminates)中的雷电电流以避免局部过流，以及用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统中的不同导电路径之间的雷电电流分配和电压分配。

背景技术：

用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统通常包括雷电接收器装置，其包括外部金属接收器元件和连接到风力涡轮机的接地装置的下导体的导电内部块。一旦由接收器元件捕获到雷电电流，就必须将其传输至将接收器元件连接至下导体的导电内部块。

风力涡轮机朝着增加功率输出的发展演化已经导致风力涡轮机的塔架高度和转子直径都更大。

随着不断增加的叶片长度，需要并入了碳纤维层压层的增加刚度的风力涡轮机叶片。由于碳纤维层压层导电，因此必须将它们与下导体并联以防止在下导体和碳纤维层压层之间产生内部电弧，并且避免对它们产生的直接雷电损坏。

公布号为WO2006/051147A1的专利申请描述了一种雷电保护系统，其包括使碳纤维层压层和下导体等势的装置，该装置包括直接连接下导体和碳纤维层压层的辅助电缆。这些辅助电缆利用螺纹接头连接到与碳纤维的层直接接触的金属板。通过将导电树脂加到连接区域可以改善电连接。

风力涡轮机叶片具有例如一个碳纤维层压层，雷电保护系统将被转换成具有两个并联分支的电路：一个分支由具有低电阻和高电感的下导体形成，并且另一个分支由具有高电阻和低电感的碳纤维层压层形成。当雷电击中一个接收器元件时，雷电保护系统必须疏散电流，其波形的特征在于具有第一相位和随后的第二相位，在第一相位中电流急剧增大，在第二相位中电流缓慢减小。当电流注入到与下导体并联的由碳纤维层压层形成的电路中时，电流被做如下分配：

-在电流急剧增大的相位期间，大部分电流由具有较小电感(碳纤维层压层)的导体传输。

-在电流逐渐下降的相位期间，大部分电流由具有较小电阻(下导体)的导体传输。

根据以上描述的电流分配，碳纤维层压层在放电开始阶段经历大的电流峰值。在另一个方面，随着叶片尺寸的增大，碳纤维层压层(更宽并且更厚)的电感会减小，导致由碳纤维层压层传导的电流的部分增加，从而引起问题，因为碳纤维层压层包括在100℃至200℃的温度范围内会发生退化的树脂。

为了解决该问题，专利ES2396839A1公开了使用放置在碳纤维层压层和下导体之间的连接中的高电感设备，以减小流过碳纤维层压层的电流，并且加强电流通过下导体的传导。

具有碳纤维层压层的风力涡轮机叶片的防雷电保护装置的问题在于：注入碳纤维层压层中的局部雷电电流可能不会被适当地分配，从而对注入区域产生损坏。这是由雷击的瞬时特性以及材料传导性的差异引起的，这种差异会减小连接的有效雷击电流注入区域。

另一个问题是下导体与碳纤维层压层之间的雷击电流分配和电压分配可能不平衡，这是因为风力涡轮机叶片中的碳纤维层压层的阻抗的实际值相对于在设计雷电保护系统时对它们的期望值会有变化。

本发明涉及这些问题的解决方案。

技术实现要素：

本发明提供了用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统，包括：连接至风力涡轮机叶片的接地装置的一个或多个下导体、以及一个或多个碳纤维层压层的至少一个雷电接收器。通过辅助电缆，下导体与碳纤维层压层等势，辅助电缆连接至嵌入在沿风力涡轮机叶片的不同点的碳纤维层压层中的导电板。雷电保护系统还包括与一个具有一个或多个附加平行导电路径的辅助电缆相关联的碳纤维层压层中的至少一个局部雷电电流注入区域，其包括源自辅助电缆的并且连接至嵌入在碳纤维层压层中的导电设备的次电缆，次电缆配置用于避免碳纤维层压层中产生过流。

所述附加平行导电路径的配置包括几个装置，这几个装置用于：在它们之间以给定距离布置导电路径、利用次电缆和/或具有不同电阻的导电设备或利用具有不同材料或几何形状的导电设备来控制通过碳纤维层压层上的它们的每个(诸如次电缆中的电阻器)注入的电流。

本发明的雷电保护系统还包括用于获得下导体和碳纤维层压层之间的平衡的电流分配和电压分配的装置。

在风力涡轮机叶片具有一个碳纤维层压层的情况下，如果碳纤维层压层的阻抗和设计雷电保护系统时考虑的参考值之间的负差值超过预定阈值，那么雷电保护系统还包括在所述辅助电缆中的一个或多个阻抗设备，用于获取下导体和碳纤维层压层之间平衡的电流分配和电压分配。

在风力涡轮机叶片具有两个碳纤维层压层的情况下，如果碳纤维层压层的阻抗之间的差值超过预定阈值，那么雷电保护系统还包括在所述辅助电缆中的一个或多个阻抗设备，用于获取下导体和碳纤维层压层之间平衡的电流分配和电压分配。

根据以下详细描述并结合附图，将理解本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1是现有技术中已知的具有防雷电保护装置的风力涡轮机叶片的示意平面图。

图2a-2d是绘示了根据本发明的局部雷电电流注入区域的四个实施例的示意图解。

图3是绘示了下导体和碳纤维层压层之间的风力涡轮机叶片中的电流分配的示意图解。

图4a是绘示了具有下导体和两个碳纤维层压层的风力涡轮机叶片中的本发明的雷电保护系统的示意图解，图4b是该系统的三个导电路径的电模型。

图5是绘示了具有下导体和两个碳纤维层压层的风力涡轮机叶片中的本发明的雷电保护系统的实施例的示意图解。

具体实施方式

可以发现沿其长度上具有多个导电元件的风力涡轮机叶片将包括新的技术或新材料作为其结构的一部分。这里的情况是风力涡轮机叶片利用碳纤维层压层作为沿叶片或在其顶端的部分结构或电气和电子设备的一部分。在所有这些情况中，具有多条导电路径到接地雷电电流。多条导电电流的存在暗示了在雷击发生时不同的路径必须传输大量雷电电流至雷电接收器。

例如，在具有碳纤维层压层11(参见图1)的风力涡轮机叶片10的情形下，导电路径是连接至雷电接收器15和接地装置(未示出)的下导体17，以及碳纤维层压层11。通过沿风力涡轮机叶片10的辅助电缆19使两个导电路径11，17等电势，以便分配雷电电流并且减小它们之间产生火花的风险。

为了改善已知的具有碳纤维层压层的风力涡轮机叶片的雷电保护系统，本发明在第一方面提出了与一个辅助电缆19相关联的并且通常靠近一个雷电接收器的局部雷电注入区域14，雷电接收器配置为避免碳纤维层压层中产生过流。辅助电缆19通常连接至嵌入在碳纤维层压层中的导电板31。

在一个实施例中(参见图2a)，碳纤维层压层11中的局部注入区域14包括源自辅助电缆19的连接至嵌入在碳纤维层压层11中的导电设备45的三个次电缆33。导电设备45可以由合金钢、铜、铝、黄铜、钨、镍铬合金、导电复合材料和/或具有导电剂的非导电复合材料等制成。使用几个导电设备45(通常是导电板)会增加碳纤维层压层11中的雷电电流的有效注入区域。次电缆33中的每个都具有电阻值在2-50m之间的电阻器41，以便控制注入到不同的导电设备45上的电流量。

在另一个实施例中(参见图2b)，碳纤维层压层11中的局部注入区域14包括源自辅助电缆19的连接至嵌入在碳纤维层压层11中的导电设备45的两个次电缆33。在这种情况中，被注入到导电设备45中的雷电电流的控制手段是放置在其中一个次电缆33中的电阻器41，以及导电设备45之间给定的间隔距离D。D可以在10-300cm之间。

在另一个实施例中(参见图2c)，碳纤维层压层11中的局部注入区域14包括源自辅助电缆19的连接至嵌入在碳纤维层压层11中的导电设备45的两个次电缆33。在这种情况中，用于控制注入到导电设备45中的雷电电流的装置是具有不同电阻R_cond1、R_cond2的次电缆33以及选择合适的材料和几何形状相组合具有不同电阻的导电设备45。对于它们中具有相同几何形状、由合金钢制成的导电设备45可以具有例如电阻R_pl1，由黄铜、铜或镍铬合金制成的其它导电设备45具有电阻R_pl2。

在另一个实施例中(参见图2d)，用于改变不同雷电电流注入路径的电阻的装置是具有不同材料和几何形状的导电设备45，例如，在它们中的其中一个使用导电板51和位于导电板51与碳纤维层压层之间的导电网53的组合。其它替换可以是利用具有不同宽度的导电板。

在第二方面，本发明提出获得风力涡轮机叶片中的下导体和碳纤维层压层之间的平衡的雷电电流分配和电压分配。

利用多个导电路径，获得了雷电电流分配，其是它们的材料和材料的几何形状的函数。然而，等势点不允许控制在不同叶片半径处的不同元件之间发现的雷电电流波形和电压。如图3所示，在两个辅助电缆19之间的分支中，输入雷电电流I₁被分配在沿下导体17的雷电电流I₂和沿碳纤维层压层11的雷电电流I₂之间，I₁和I₂的值可能是不平衡的，因为碳纤维层压层11的阻抗不同于期望阻抗。在这方面，应当注意的是，一方面，制造碳纤维层压层时不能保证其阻抗的变化是小范围的。由相同的方法制造的碳纤维层压层的阻抗变化可能很重要(两个碳纤维层压层的电阻之间的差别可能大于50％)，因此，它们可能会引起比设计雷电保护系统时的期望值更大的电流和电压。碳纤维层压层中不同于期望值的阻抗不涉及对风力涡轮机叶片的任何结构或整体损坏。

为控制并平衡沿风力涡轮机叶片的导电路径的雷电电流，本发明提出如果碳纤维层压层的阻抗和设计系统时考虑的阻抗之间的差值超过预定阈值，就将阻抗设备25并入一个或多个辅助电缆19中。

阻抗设备25的特征由将碳纤维层压层11制造出来之后测量的阻抗的函数确定。

在具有三个导电路径，即上碳纤维层压层11、下碳纤维层压层13和下导体17(参见图4a)的风力涡轮机叶片10的情况中，考虑图4b中示出的电模型可以更好地理解本发明。

三个导电路径的阻抗分别由具有以下电阻值和电感值的电阻器和电感器的电路代表，电阻值和电感值分别为R_cap1，L_cap1；R_cap2，L_cap2；R_cap3，L_cap3，R_cap1，L_cap1小于R_cap2，L_cap2。为了平衡三个导电路径中的电流分配，将具有电阻值和电感值为R_control，L_control的电阻器和电感器的阻抗设备25并入第一路径11中。因此，R_control，L_control的值依赖于R_cap1，L_cap1和R_cap2，L_cap2的差值，其中电阻值是主要因子。

如果，例如R_cap1＝200mΩ并且R_cap2＝400mΩ，碳纤维层压层11、13之间的电流分配是(假设是线性分配)碳纤维层压层11占2/3，碳纤维层压层13占1/3。那么，为了获得平衡的电流分配，并入雷电保护系统中的阻抗设备25的电阻值R_control应该是200mΩ。

风力涡轮机叶片10的雷电保护系统可以包括使用位于如图5所示的不同等势点的多个阻抗设备25，以便平衡和控制雷电电流和电压。

尽管已经结合不同实施例描述了本发明，但是从说明书中可以理解的是，可以对其中的元件、变形或改进做不同组合，并且它们在由随附的权利要求限定的本发明的范围之内。