用于风力发电机组的叶片防雷系统的制作方法

本公开涉及防雷技术领域，尤其涉及一种用于风力发电机组的叶片防雷系统及接闪器组件的设置方法。

背景技术：

风力发电机组属于高大建筑物，随着技术的发展，现阶段主流设备最大高度超过200米，而叶片处于风力发电机组位置最高处，面临这更严峻的雷击问题。风电行业对于叶片防雷系统的重要性已有共识，在叶片制作时内腔预埋布置导线，完成脱模后，在表面安装接闪器，实现雷电接闪和传导的功能，以保护叶片避免遭受雷击损伤。根据大量叶片雷电试验测试和风场实际雷击事故分析的经验，叶片雷击损伤的主要原因是接闪器接闪率不高，体现在内部导线和金属结构雷电击穿。同时，由于大多数叶片接闪器的连接牢固不牢靠，部分结构在雷电传导中引电磁力的作用出现断裂和松动。

另外，电流具有趋肤效应，对于金属材料制作的接闪器和连接结构，不同外形雷电流密度分布不同，造成雷电流接闪和传导中局部区域温度过高，出现熔化和损伤，造成无法拆卸和更换。

最后，行业内采用的防雷系统采用分开安装，在叶片生产过程之中由于人工因素不可控，很难保证所有叶片防雷系统的一致性，质量难以控制。

技术实现要素：

本公开实施例提供一种风力发电机组的叶片防雷系统，既能够解决接闪器接闪率不高的问题，又能解决接闪器融化和损伤的问题，同时还能解决所有叶片防雷系统的一致性差、质量难以控制的问题。技术方案如下：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种用于风力发电机组的叶片防雷系统，叶片内腔中设置有传导引下线，该防雷系统包括：

多个叶身接闪器组件，设置在叶片的叶身上；

叶尖接闪器组件，设置在叶片的叶尖上；

叶身接闪器组件和叶尖接闪器组件均通过传导引下线连接；

叶身接闪器组件包括：

叶身接闪器，包括第一叶身接闪器与第二叶身接闪器；

接闪器支座，包括支座本体、以及设置在支座本体上的第一接口、第二接口、第三接口、以及第四接口，第一接口与第三接口相对设置，第二接口与第四接口相对设置；第一接口与第三接口相互连通形成中空结构，该中空结构用于传导引下线穿过，第二接口用于固定第一叶身接闪器，第四接口用于固定第二叶身接闪器；

安装支架，用于固定接闪器支座。

本实施例中，通过重新布局接闪器的设置位置、以及提升整个系统的击穿电压来提高接闪器的接闪效率。叶身接闪器的具体设置位置是通过仿真评估与试验累计数据进行确定的；整个系统的击穿电压的提升包括内部导线、内部金属体、叶片内表面雷电爬弧抑制三个方面。具体为：1)内部导线包括：在接闪器支座内设置中空结构，使传导引下线穿过该中空结构，并使传导引下线采用能够承受一定击穿电压的线缆；2)内部金属体包括：设置用金属制作的接闪器支座，并使接闪器支座与接闪器之间形成面接触，同时使接闪器支座采用过渡圆滑和表面密封；3)雷电爬弧抑制包括：控制接闪器的支座的平面度、接闪器与接闪器支座之间的间隙，以及对接闪器支座进行密封处理。

本实施例中，采用低电磁力结构，具体地，通过对接闪器支座与接闪器之间连接件的电磁力分布情况来确定结构设计，进而保证连接的可靠性。

本实施例通过设计符合电流趋肤效应的外形和尺寸，采用仿真分析评估雷电流在叶片中的传导温度分布，并通过雷电试验测试验证热损伤程度。

在一个实施例中，在第一叶身接闪器与第二叶身接闪器安装完成后，在第一叶身接闪器远离接闪器支座的一端、以及第二叶身接闪器远离接闪器支座的一端均填充有绝缘材料，该绝缘材料用于对第一叶身接闪器远离接闪器支座的一端、以及第二叶身接闪器远离接闪器支座的一端进行密封，以防止水汽和沙尘的进入。

在一个实施例中，传导引下线包括：

主传导引下线，沿叶片的轴向方向设置，其上连接有多个叶身接闪器组件；

多个子传导引下线，每根子传导引下线的一端均与主传导引下线连接，另一端上均连接有叶身接闪器组件。

本实施例通过在叶片的轴向方向所在的位置设置多个叶身接闪器组件，同时在与叶片的轴向方向呈一定角度的位置分布多个叶身接闪器组件，以达到重新布局接闪器的设置位置的目的、进而提高接闪器的接闪效率的问题。

在一个实施例中，多个子传导引下线均设置在主传导引下线的一侧。

在一个实施例中，叶尖接闪器组件与叶身接闪器组件结构完全相同。

在一个实施例中，叶尖接闪器组件与叶身接闪器组件结构不同；叶尖接闪器组件包括：

叶尖接闪器，嵌入于叶片尖端的内腔内；

后盖，设置于叶尖接闪器的末端，并能与叶尖接闪器扣合。

本实施例通过将叶尖接闪器嵌入于叶片尖端的内腔内，同时设置后盖，并使后盖与叶片的尖端进行扣合，以实现将叶尖接闪器固定在叶片的腔体内。

在一个实施例中，叶尖接闪器靠近后盖的一端设置有卡块，后盖上设置有与卡块配合的卡槽。

本实施例通过设置卡块与卡槽的配合，便于叶尖接闪器的拆卸和安装。

在一个实施例中，叶尖接闪器组件还包括安装头，叶尖接闪器远离后盖的一端设置有安装槽，叶尖接闪器通过安装头与传导引下线连接。

在一个实施例中，安装头的一端设置有圆柱状连接头，另一端设置有异形连接板，安装槽设置为与异形连接板匹配的异形槽，在安装叶尖接闪器组件时，将安装头一端的圆柱状连接头连接于传导引下线上，另一端的异形连接板连接于叶尖接闪器的异形槽内。

在一个实施例中，叶尖接闪器的外侧包裹有叶尖绝缘层。

在一个实施例中，叶尖接闪器的形状与叶片上靠近叶尖位置的形状相同，后盖的形状与叶片上叶尖的形状相同。

在一个实施例中，接闪器支座外侧包裹有成型绝缘层体，成型绝缘层体的形状与接闪器支座与叶身接闪器的组合体的形状相同。

本实施例通过在极短时间内——2-5s内，一定压力——40mpa以上，在接闪器支座的外部包裹介电常数为0.3～3.8的材料，并完成固化，该可选材料有陶瓷、聚合物、玻璃纤维增强塑料，以保证在高雷电压作用下，在间隔5m区域之外的接闪器接闪至叶尖接闪器而不出现雷电击穿的现象。采用该种方法成型叶尖绝缘层的厚度一般在4mm以下，陶瓷材料可以达到10mm，质密性好、强度高。

在一个实施例中，将接闪器支座的高度设置为40mm-60mm；安装支架的高度设置为180-250mm。

在一个实施例中，后盖的长度设置为50-280mm；叶尖接闪器安装在叶片腔体内的长度设置为130-300mm。

在一个实施例中，传导引下线采用具有耐雷电击穿强度大于100kv的电缆，以满足接闪器组件各部分绝缘性能一致的要求。

在一个实施例中，支座本体包括第一支座本体和第二支座本体，第一支座本体上设置轴向贯通的第一凹槽，第二支座本体上设置有轴向贯通的第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽形成所述中空结构。

在一个实施例中，第一支座本体和第二支座本体上均设置有多个通孔，紧固件穿过通孔将第一支座本体和第二支座本体进行连接。

在一个实施例中，第一支座本体和第二支座本体的顶部均设置有凸台，凸台的顶部设置有沉孔，凸台的上方设置有连接件，连接件的一端连接于接闪器内，另一端连接于沉孔内。

在一个实施例中，连接件与凸台之间设置有挡圈，连接件的一端连接于接闪器内，另一端穿过挡圈后连接于沉孔内。

在一个实施例中，安装支架包括第一支架和第二支架，第一支架一端的两侧设置有第一卡接柱和第一卡接块，另一端的两侧设置有第一卡接孔和第一卡接槽；第二支架一端的两侧设置有第二卡接孔和第二卡接槽，另一端的两侧设置有第二卡接柱和第二卡接块；通过第一卡接柱与第二卡接孔、第一卡接块与第二卡接槽、第一卡接孔与第二卡接柱、以及第一卡接槽与第二卡接块的卡接，实现第一支架与第二支架的连接。

在一个实施例中，可以在第一支架和第二支架上均设置肋板，用于防止接闪器晃动。

在一个实施例中，叶身接闪器、叶尖接闪器、接闪器支座、以及连接件均采用金属材质制作，该金属材质包括铜、铝、或不锈钢。

在一个实施例中，所述第一接口、第二接口、第三接口、以及第四接口均设置成圆形。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种用于风力发电机组的叶片防雷系统的叶片接闪器组件。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种用于风力发电机组的叶片防雷系统的叶尖接闪器组件。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本公开用于风力发电机组的叶片防雷系统一个实施例中的结构示意图；

图2是本公开用于风力发电机组的叶片防雷系统另一个实施例中的结构示意图；

图3是本公开中的叶身接闪器组件的结构示意图；

图4是本公开中的叶身接闪器组件的爆炸图；

图5是本公开的一个实施例中的接闪器支座的结构示意图；

图6是本公开的另一个实施例中的接闪器支座的结构示意图；

图7是本公开的一个实施例中的第一支座本体的结构示意图；

图8是本公开的一个实施例中的第二支座本体的结构示意图；

图9是本公开的一个实施例中第一支架的结构示意图；

图10是本公开的一个实施例中的第二支架的结构示意图；

图11是本公开中的一个实施例中的叶尖接闪器组件的结构示意图；

图12是本公开中的另一个实施例中的叶尖接闪器组件的结构示意图；

图13是本公开的叶尖接闪器的结构示意图；

图14是本公开的后盖的结构示意图；

图15是本公开的安装头的结构示意图；

图中，1-传导引下线、2-叶身接闪器组件、3-叶尖接闪器组件、4-接线器、11-主传导引下线，12-子传导引下线、21-叶身接闪器、22-接闪器支座、23-安装支架、24-成型绝缘层体、25-连接件、26-挡圈、211-第一叶身接闪器、212-第二叶身接闪器、22-接闪器支座、221-支座本体、2211-第一接口、2212-第二接口、2213-第三接口、2214-第四接口、2215-第一支座本体、2216-第二支座本体、2217-第一凹槽、2218-第二凹槽、2219-通孔、2220-凸台、231-第一支架、232-第二支架、233-肋板、2311-第一卡接柱、2312-第一卡接块、2313-第一卡接孔、2314-第一卡接槽、2321-第二卡接孔、2322-第二卡接槽、2323-第二卡接柱、2324-第二卡接块、31-叶尖接闪器、32-后盖，33-安装头、311-卡块、312-安装槽、321-卡槽、331-固定孔、331-圆柱状连接头、332-异形连接板。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和系统的例子。

根据本公开实施例的第一方面，如图1-5所示，提供一种用于风力发电机组的叶片防雷系统，叶片内腔中设置有传导引下线1，该防雷系统包括：

多个叶身接闪器组件2，设置在叶片的叶身上；

叶尖接闪器组件3，设置在叶片的叶尖上；

叶身接闪器组件2和叶尖接闪器组件3均通过传导引下线1连接；

叶身接闪器组件2包括：

叶身接闪器21，包括第一叶身接闪器211与第二叶身接闪器212；

接闪器支座22，包括支座本体221、以及设置在支座本体221上的第一接口2211、第二接口2212、第三接口2213、以及第四接口2214，第一接口2211与第三接口2213相对设置，第二接口2212与第四接口2214相对设置；第一接口2211与第三接口2213相互连通形成中空结构，该中空结构用于传导引下线穿过，第二接口2212用于固定第一叶身接闪器211，第四接口2214用于固定第二叶身接闪器212；

安装支架23，用于固定接闪器支座22。

如图5所示，本公开中接闪器支座的形状可以为做过倒圆角处理的长方体状结构；并且，为了使本实施例中的接闪器支座更符合电流趋肤效应，本实施例将做过倒圆角处理的长方体结构状的接闪器支座上设置有第一接口和第三接口的两个面设置为曲面。

示例性的，如图6所示，还可以将接闪器支座的支座本体设置为球形状，将四个接口均设置为圆凸台结构，该圆凸台的侧面设置为曲面状，以使本实施例中的接闪器支座更符合电流趋肤效应。

需要说明的是，本实施中的接闪器的布局通过建立雷电感应物理模型，使用仿真软件计算叶片表面电势分布，确定接闪器间的合理距离。叶片在实际运行中，由于轴向水平情况下的防雷系统接闪的难度最大，因此，仿真建模时将叶片水平放置，将高压棒电极放置在叶尖接闪器与第一个叶身接闪器中点正上方h处，理论上电极距离叶片越近，雷电路径越难偏向，考察条件也越严酷，因此设定h＝2m(较实验条件更严酷的情况)布置电极，叶尖接闪器与第一个叶身接闪器的水平距离为d，模拟雷击过程中第一个叶身接闪器与叶尖接闪器的接闪情况。

但是，在实际运行时，由于叶片不停地旋转，在大多数时候，叶片与水平面存在夹角，因此，本实施例中的仿真分析考虑存在夹角的情况。本实施例中，在进行建立仿真模型时，将叶片设置为与水平面保持一定的夹角，将高压棒电极放置到叶尖接闪器与第一个叶身接闪器中点上方，电极棒放置高度可以由上述的叶片水平放置时的仿真模型计算结果与理论分析得出。

结合叶片实际雷电接闪过程，用下述公式进行雷电接闪的评估：

其中，k为雷击路径系数，u1为电极的电势，u2为与电极正对的叶片表面电势，h为电极与叶片表面的垂直距离，d为电极与接闪器之间距离。k值是衡量雷击至接闪器和雷击至叶片表面的路径系数。k值越大，雷电路径偏向接闪器的概率越大，即雷电击中接闪器的概率越大；k值越小，雷电路径偏向叶片表面的概率越大，即雷电击中叶片的概率越大。根据大量叶片雷电测试试验结果统计，只要叶片接闪器布局合理，k值将在一定范围内。

示例性地，

在一种型号的叶片中，叶尖端部的叶尖接闪器组件和与其紧邻的第一叶身接闪器组件之间的最大距离设置为2.8m，其最优距离为2m；与第一叶身接闪器组件紧邻的第二叶身接闪器组件和第一叶身接闪器组件之间的最大距离为7.6m，其最优距离为3m；与第二叶身接闪器组件紧邻的第三叶身接闪器组件和第二叶身接闪器组件之间的最大距离为15m，其最优距离为8.9m。

可以理解的是，根据叶片实际使用区域的雷电环境，若需在叶片其它布置布置接闪器，接闪器的具体布置位置依上述方法进一步计算得出。

在一个实施例中，第一接口2211、第二接口2212、第三接口2213、以及第四接口2214均设置成圆形。

在一个实施例中，在第一叶身接闪器211与第二叶身接闪器212安装完成后，在第一叶身接闪器211远离接闪器支座22的一端、以及第二叶身接闪器212远离接闪器支座23的一端均填充有绝缘材料，该绝缘材料用于对第一叶身接闪器211远离接闪器支座23的一端、以及第二叶身接闪器212远离接闪器支座23的一端进行密封，以防止水汽和沙尘的进入。

在一个实施例中，如图1-2所示，传导引下线1包括：

主传导引下线11，沿叶片的轴向方向设置，其上连接有多个叶身接闪器组件2；

多个子传导引下线12，每根子传导引下线12的一端均与主传导引下线11连接，另一端上均连接有叶身接闪器组件2。

本实施例通过在叶片的轴向方向所在的位置设置多个叶身接闪器组件，同时在与叶片的轴向方向呈一定角度的位置分布多个叶身接闪器组件，以达到重新布局接闪器的设置位置的目的、进而提高接闪器的接闪效率的问题。

优选地、每个所述子传导引下线12与所述主传导引下线11通过接线器4进行连接。

在一个实施例中，如图1-2所示，多个子传导引下线12均设置在主传导引下线11的一侧。

本实施例通过将多个子传导引下线12均设置在主传导引下线11的一侧，以保证多个叶身接闪器组件2均设置在叶片的迎风面，进而提高接闪器的可靠性。

在一个实施例中，如图2所示，叶尖接闪器组件2与叶身接闪器组件1结构完全相同，此处将不再对叶尖接闪器组件2进行赘述。

本实施例通过将叶尖接闪器组件的结构设置成与叶身接闪器的结构相同，节省了加工成本，便于批量化生产和加工，降低了时间成本。

在一个实施例中，如图1所示，叶尖接闪器组件3与叶身接闪器组件1结构不同；如图11-15所示。叶尖接闪器组件3包括：

叶尖接闪器31，嵌入于叶片尖端的内腔内；

后盖32，设置于叶尖接闪器31的末端，并能与叶尖接闪器31扣合。

本实施例通过将叶尖接闪器31嵌入于叶片尖端的内腔内，同时设置后盖32，并使后盖32与叶片的尖端进行扣合，以实现将叶尖接闪器31固定在叶片的腔体内。

在一个实施例中，如图13、14所示，叶尖接闪器31靠近后盖32的一端设置有卡块311，后盖32上设置有与卡块31配合的卡槽321。本实施例通过设置卡块311与卡槽321的配合，便于叶尖接闪器31的拆卸和安装。

在一个实施例中，如图12、15所示，叶尖接闪器组件3还包括安装头33，叶尖接闪器31远离后盖32的一端设置有安装槽312，叶尖接闪器31通过安装头33与传导引下线连接。

在一个实施例中，如图12、13、15所示、安装头33的一端设置有圆柱状连接头331，另一端设置有异形连接板332，安装槽312设置为与异形连接板332匹配的异形槽，在安装叶尖接闪器组件时，将安装头33一端的圆柱状连接头331连接于传导引下线上，另一端的异形连接板332连接于叶尖接闪器的异形槽。

在一个实施例中，叶尖接闪器31的外侧包裹有叶尖绝缘层，叶尖绝缘层上设置有固定孔，叶尖接闪器31上设置有与固定孔卡接的固定块。

本实施例中的叶尖绝缘层可以通过下述方式进行：

在极短时间内——2-5s内，一定压力——40mpa以上，在叶尖接闪器的外部包裹介电常数为0.3～3.8的材料，并完成固化，该材料可选地有陶瓷、聚合物、玻璃纤维增强塑料，并完成固化，以保证在高雷电压作用下，在间隔5m区域之外的接闪器接闪至叶尖接闪器而不出现雷电击穿的现象。采用该种方法成型叶尖绝缘层的厚度一般在4mm以下，陶瓷材料可以达到10mm，质密性好、强度高。

在一个实施例中，叶尖接闪器31的形状与叶片上靠近叶尖位置的形状相同，后盖32的形状与叶片上叶尖的形状相同。本实施例的上述设置，既不影响叶片的性能，还能使叶片看起来美观。

在一个实施例中，如图3、4所示，接闪器支座22外侧包裹有成型绝缘层体24，成型绝缘层体24的形状与接闪器支座22与叶身接闪器的组合体的形状相同。

在一个实施例中，如图3、9、10所示，安装支架的内部设置有形状与接闪器支座形状匹配的安装腔体。本实施例中通过在安装支架上设置安装腔体，以便于安装支座的安装和固定。

本实施例中的成型绝缘层体可以通过下述方式进行：

在极短时间内——2-5s内，一定压力——40mpa以上，在接闪器支座的外部包裹介电常数为0.3～3.8的材料，并完成固化，该可选材料有陶瓷、聚合物、玻璃纤维增强塑料，并完成固化，以保证在高雷电压作用下，在间隔5m区域之外的接闪器接闪至叶尖接闪器而不出现雷电击穿的现象。采用该种方法成型叶尖绝缘层的厚度一般在4mm以下，陶瓷材料可以达到10mm，质密性好、强度高。

优选地，可以将接闪器支座22的高度设置为40mm-60mm；将安装支架23的高度设置为180-250mm。

在一个实施例中，将叶尖接闪器组件3中的后盖32的长度设置为50-280mm；叶尖接闪器31安装在叶片腔体内的长度设置为130-300mm。

在一个实施例中，如图7、8所示，支座本体221包括第一支座本体2215和第二支座本体2216，第一支座本体2215上设置轴向贯通的第一凹槽2217，第二支座本体2216上设置有轴向贯通的第二凹槽2218，第一凹槽2217与第二凹槽2218形成所述中空结构。

在一些优选的实施例中，如7、8所示，可以将第一凹槽2217与第二凹槽2218均设置成半圆形槽，以使得第一凹槽2217与第二凹槽2218能够构成与传导引下线形状匹配的圆通孔。

在一个实施例中，如7、8所示，第一支座本体2215和第二支座本体2216上均设置有多个通孔2219，紧固件穿过通孔将第一支座本体2215和第二支座本体2216进行连接。

在一个实施例中，如图5、6所示，第一支座本体2215和第二支座本体2216的顶部均设置有凸台2220，凸台2220的顶部设置有沉孔，凸台的上方设置有连接件25，连接件25的一端连接于接闪器内，另一端连接于沉孔内；连接件25与凸台2220之间设置有挡圈26，连接件25的一端连接于接闪器内，另一端穿过挡圈26后连接于沉孔内。

在一个实施例中，如图4、9、10所示，安装支架23包括第一支架231和第二支架232，第一支架231一端的两侧设置有第一卡接柱2311和第一卡接块2312，另一端的两侧设置有第一卡接孔2313和第一卡接槽2314；第二支架232一端的两侧设置有第二卡接孔2321和第二卡接槽2322，另一端的两侧设置有第二卡接柱2323和第二卡接块2324；通过第一卡接柱2311与第二卡接孔2321、第一卡接块2312与第二卡接槽2322卡接、第一卡接孔2313与第二卡接柱2323、以及第一卡接槽2314与第二卡接块2324的卡接，实现第一支架与第二支架的连接。

在一个实施例中，如图3所示，可以在第一支架231和第二支架232上均设置肋板233，用于防止接闪器晃动。

本实施例中，将安装支架设置为包括两部分，以便于安装和拆卸接闪器支座，进而便于安装和拆卸接闪器。

优选地，可以将本实施例中的安装支架的制作方式采用高压成型的方式进行加工，制作材料选用高分子聚合物。

本领域的技术人员根据本公开的技术方案容易知晓的是：本公开中的接闪器、接闪器支座、连接件、以及挡圈均采用金属材质制作，该金属材质可以是铜、铝、或不锈钢。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种用于风力发电机组的叶片防雷系统的叶片接闪器组件。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种用于风力发电机组的叶片防雷系统的叶尖接闪器组件。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。