專利名稱：用于風(fēng)力渦輪機(jī)的雷電保護(hù)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的領(lǐng)域。而且，本發(fā)明涉及用
于保護(hù)室外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的雷電保護(hù) 系統(tǒng)。此外，本發(fā)明涉及風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)，以及保護(hù)室外使用的設(shè)備、 特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)力渦輪機(jī)需要裝備有雷電保護(hù)系統(tǒng)，以便確保在閃電或 雷擊中的大電流可以被傳導(dǎo)至地而不會(huì)破壞該渦輪機(jī)的部件。風(fēng)力渦輪機(jī)葉片可能是風(fēng)力渦輪機(jī)上在雷擊中暴露最多 的部分，因此風(fēng)力渦輪機(jī)雷電保護(hù)系統(tǒng)的工作就是提供從葉片到地的 保護(hù)性傳導(dǎo)通路。這可能會(huì)是挑戰(zhàn)性的，因?yàn)轱L(fēng)力渦輪機(jī)的某些部件 能夠相對(duì)于彼此轉(zhuǎn)動(dòng)。特別是，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片能夠圍繞它們各自的 縱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)(即傾斜)，同時(shí)風(fēng)力渦輪機(jī)承載這些葉片的主軸能夠相 對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)的吊艙轉(zhuǎn)動(dòng)。而且，吊艙還能夠圍繞風(fēng)力渦輪機(jī)的豎 直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)以確保風(fēng)力渦輪機(jī)總是面對(duì)風(fēng)，即吊艙能夠圍繞其偏航軸 線轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，來(lái)自擊中了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的雷擊的電流在其途徑上 會(huì)經(jīng)過(guò)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承再到達(dá)大地。傾斜和偏航移動(dòng)都是相對(duì)緩慢的，且都被限制在其范圍 內(nèi)。因此，提供旁路繞過(guò)該傾斜和偏航軸承的傳導(dǎo)通路是比較容易的， 例如通過(guò)使用金屬電刷或者滾子。不過(guò)，風(fēng)力渦輪機(jī)的主軸以比傾斜和偏航軸承更高的速度 連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。主軸可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)巨大的軸承由吊艙的底座支撐。 這些巨大的軸承也由金屬制成，并由此為雷擊中的電流提供自然的傳 導(dǎo)通路。不過(guò)，由于軸承的滾動(dòng)元件與內(nèi)外圈之間的有效接觸面積可 能較小，所以在內(nèi)外圈的這些接觸面積內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生大的電流密度。在接觸面積內(nèi)的高電流密度可能會(huì)生成高溫，該高溫可能 會(huì)導(dǎo)致對(duì)軸承的破壞。 EP 1 788 241 A2公開(kāi)了 一種用于對(duì)由雷擊生成的電流進(jìn)朽-引導(dǎo)的方法。該方法包括將來(lái)自風(fēng)力渦輪機(jī)主軸的電流引導(dǎo)到附接至 該軸的制動(dòng)盤，并且將電流從制動(dòng)盤引導(dǎo)到火花間隙與被耦接到處于 地電壓的向下引導(dǎo)體的滾子機(jī)構(gòu)這二者中的 一個(gè)。 EP 1568883 A2描述了 一種風(fēng)能發(fā)電機(jī)，包括位于安裝在 柱上的殼體之內(nèi)的螺旋槳驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)。通過(guò)被耦接到地的導(dǎo)體系 統(tǒng)，該風(fēng)能發(fā)電機(jī)被保護(hù)以防雷擊。因此，該風(fēng)能發(fā)電機(jī)使用了集電 環(huán)與電刷以在轉(zhuǎn)動(dòng)零部件與固定零部件之間提供連接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能抵抗雷擊的風(fēng)力渦輪機(jī)。通過(guò)根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題，特別是通過(guò)一種雷電保護(hù) 系統(tǒng)、風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)以及保護(hù)用于室外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦 輪機(jī)免受雷擊破壞的方法，從而實(shí)現(xiàn)所述目的。通過(guò)從屬權(quán)利要求對(duì) 本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行了描述。根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例，提供了一種用于保護(hù)室 外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的雷電保護(hù)系統(tǒng)。該 雷電保護(hù)系統(tǒng)包括扼流元件。該扼流元件適于圍繞設(shè)備的軸安裝，使 得經(jīng)過(guò)該軸的電流會(huì)在扼流元件內(nèi)引起感應(yīng)的磁通流。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，描述了一種保護(hù)室外 使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的方法。圍繞軸安裝有 扼流元件。經(jīng)過(guò)軸的電流會(huì)在該扼流元件內(nèi)引起磁通。關(guān)于用于室外使用的設(shè)備，可以描述成想要被用在自然環(huán) 境中的電子設(shè)備，因此該電子設(shè)備可能直接暴露給雷暴和暴風(fēng)雨。被 保護(hù)的設(shè)備可以包括例如應(yīng)當(dāng)被保護(hù)的以避免由雷擊引起破壞的風(fēng) 力渦4侖才幾。扼流元件可以包括圍繞風(fēng)力渦輪機(jī)的軸而安裝的環(huán)狀元 件。扼流元件可以被耦接到軸，而無(wú)需在該軸與該扼流元件之間提供 任何電鏈路。扼流元件可以以這樣的方式被耦接，使得例如在該軸內(nèi) 的電流會(huì)在該扼流元件內(nèi)引起》茲通，并因而在該4厄流元件內(nèi)感應(yīng)出感 應(yīng)電流。不過(guò)，在軸與扼流設(shè)備之間的電耦接應(yīng)當(dāng)被防止。只要可以防止電耦接，那么扼流元件可以圍繞軸物理接觸 地安裝，或者也可以圍繞軸但沒(méi)有任何物理接觸地安裝。扼流元件可以被固定到風(fēng)力渦輪機(jī)的殼體或者吊艙，使得在該扼流元件與軸之間 不形成物理接觸，即具有間隙。此外，如果扼流元件被電絕緣，那么 該扼流元件還可以;波固定到軸，例如通過(guò)壓入配合連接。4厄流元件可 以是一個(gè)完全圍繞該軸的環(huán)，但是也可以是具有間隙的環(huán)，使得該軸 將僅被部分圍繞。雷擊可以在軸內(nèi)生成電流，其中該電流會(huì)迅速地變化，即 雷擊會(huì)在 一 個(gè)短時(shí)間段上生成高的電流峰值。由于該迅速變化的電 流，所以圍繞軸可以生成隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)。該隨時(shí)間變化的變化磁 場(chǎng)在該扼流元件中會(huì)引起變化的磁通，并因而在扼流元件中感應(yīng)出感 應(yīng)電流。特別地，該感應(yīng)電流可以是渦電流，其中渦電流負(fù)載可以由 該石茲通引起。該感應(yīng)電流(特別是渦電流)可以生成熱，該熱可以4皮 傳輸?shù)皆摱罅髟耐饨纾沟靡鸬拇磐ㄅc感應(yīng)電流的總能量分別 被減小。換言之，在扼流元件內(nèi)產(chǎn)生的磁通會(huì)導(dǎo)致總能量減小，特別 是導(dǎo)致該軸內(nèi)電流峰值的減小。因而，在電流方向上位于扼流元件之 后被連接到軸的元件會(huì)接納比沒(méi)有該扼流元件時(shí)更小的電流。這樣， 就可以提供雷電保護(hù)效果。此外，在扼流元件中被引起的磁通可以生 成與軸的磁場(chǎng)相反.的磁場(chǎng)，使得在電流方向上沿著該軸的電子流量可 以被限制(例如^f艮據(jù)楞次定律)。這樣，在電流方向上位于4€>流元件 之后被連接到軸的元件會(huì)接納比沒(méi)有該扼流元件時(shí)更小的電流。通過(guò)改變才厄流元件的尺寸，該4fe流元件的電流阻尼效應(yīng)可 以被調(diào)節(jié)。給扼流元件提供的材料越多，則該/磁通越大，并且感應(yīng)電 流增大，從而更多的能量被從該軸內(nèi)的電流分走。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，該雷電保護(hù)系統(tǒng)還包括引流元 件(diverting element )。扼流元件適于將軸劃分為高電勢(shì)區(qū)域和低電 勢(shì)區(qū)域。高電勢(shì)區(qū)域適于被暴露給由雷擊引起的電流，低電勢(shì)區(qū)域則 適于連接到被保護(hù)的設(shè)備上的元件。引流元件適于將來(lái)自軸的高電勢(shì) 區(qū)域的電流的至少一部分》文電。 4厄流元件適于將軸劃分為高電勢(shì)區(qū)域和低電勢(shì)區(qū)域。這可 以由扼流元件引起，特別是由于該軸內(nèi)的電流而分別生成i茲通與感應(yīng) 電流引起。作為結(jié)果，沿著電流方向，在扼流元件之前的電勢(shì)要比在 扼流元件之后的電勢(shì)更高，使得在該扼流元件之后提供減小的電流峰 值。這樣，來(lái)自雷擊的電流將會(huì)在跨越軸的區(qū)域上引起電勢(shì)差上升，
6即最接近電流源的一側(cè)(例如最接近雷擊處的一側(cè))包括高的電勢(shì)， 而該扼流元件最遠(yuǎn)離電流源的 一側(cè)則包括最低的電勢(shì)。扼流元件增大 其內(nèi)的電阻抗的效果也基于例如楞次定律，其中扼流元件的磁通與感 應(yīng)電流會(huì)產(chǎn)生對(duì)抗軸的》茲場(chǎng)或者磁通變化的磁場(chǎng)。也就是說(shuō)，扼流元 件的由來(lái)自雷擊的電流所感應(yīng)的磁場(chǎng)與軸的磁場(chǎng)反向，因而產(chǎn)生對(duì)通 過(guò)該軸的區(qū)域的電子的障礙或者阻抗，至少在該扼流元件所處的區(qū)域 上如此。這樣，在扼流元件的區(qū)域內(nèi)的電阻抗會(huì)增大，因而在該扼流 元件之前的電勢(shì)會(huì)變成高電勢(shì)，在該扼流元件之后的區(qū)域會(huì)變成低電 勢(shì)。引流元件可以與該軸的高電勢(shì)區(qū)域具有電接觸或者電鏈 路，或者可以另外適于提供同該軸的高電勢(shì)區(qū)域的電鏈路。因此，由 于在高電勢(shì)區(qū)域與低電勢(shì)區(qū)域之間的電勢(shì)差，所以電流優(yōu)選從該高電 勢(shì)區(qū)域流到引流元件。也就是說(shuō)，自高電勢(shì)區(qū)域起，至少一部分電流 從該高電勢(shì)區(qū)域流到該引流元件。結(jié)果是，因?yàn)殡娏鞯闹饕糠忠呀?jīng) 流過(guò)該引流元件，所以可以減小那一部分仍然從該低電勢(shì)區(qū)域流到該 設(shè)備的元件的電 流o這樣，來(lái)自雷擊的電流可以在高電勢(shì)區(qū)域處被從軸上放 電，而不會(huì)將所有電流都導(dǎo)引通過(guò)要被保護(hù)的設(shè)備的元件。例如如果 沒(méi)有通過(guò)引流元件來(lái)提供放電，那么在和軸以及要被保護(hù)的元件接觸 的區(qū)域中可能會(huì)發(fā)生高電流密度和高溫。因而，這將會(huì)導(dǎo)致對(duì)元件(例 如軸承)的破壞。因此，通過(guò)所要求保護(hù)的本發(fā)明，將提供替代性的 傳導(dǎo)通道，以確保僅僅一小部分電流經(jīng)過(guò)軸承或者該設(shè)備的其它元 件，其中該電流的主要部分則經(jīng)過(guò)引流元件。該引流元件適于將由雷 擊引起的電流旁通地導(dǎo)引。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施例，引流元件與軸相距， 以便形成火花間隙。當(dāng)軸的高電勢(shì)區(qū)域的電勢(shì)增加超出特定電平時(shí), 可以形成穿過(guò)該火花間隙的電弧。舉例來(lái)說(shuō)，該電弧可以將該軸的高 電勢(shì)區(qū)域短路到被連接至風(fēng)力渦輪機(jī)塔并連接到地的吊艙的底板。這 樣，就可提供無(wú)接觸的雷電保護(hù)系統(tǒng)。從而可以無(wú)需將引流元件直接 (即釆用物理接觸)連接到軸。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，雷電保護(hù)系統(tǒng)還包括緩沖元 件。緩沖元件適于在軸與引流元件從該軸上將電流放電的位置之間形成電鏈路。由于高電流或者由于電弧的緣故，可能會(huì)發(fā)生破壞軸的材料的高溫。因此，緩沖元件可以包括圍繞軸的金屬環(huán)。引流元件可以被放置在該金屬環(huán)的附近處，使得該軸的放電通過(guò)該緩沖元件(特別是通過(guò)該金屬環(huán))得以發(fā)生。這樣，該金屬環(huán)可以通過(guò)該火花間隙使
沖元件處，而;是發(fā)2在軸本身中。也就i說(shuō)，、由電弧或者放電所引起的溫度生成發(fā)生在緩沖元件處，而不是在軸本身處。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，緩沖元件適于被可更換地固定至軸。這樣，如果緩沖元件由于放電耦接的緣故而損壞，那么新的緩沖元件可以很容易地被安裝，因而無(wú)需更換整個(gè)軸或者設(shè)備的其它復(fù)雜設(shè)施。因而，無(wú)需大量維護(hù)時(shí)間，就可以提供風(fēng)力渦輪機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，引流元件包括金屬尖端。該金屬尖端適于在軸與引流元件之間提供電鏈路。該金屬尖端可以具有細(xì)的電銷釘，并且可以與該軸處于滑動(dòng)接觸中，或者與軸處于預(yù)定的間距，以便形成電鏈路。圍繞該軸的表面，可以設(shè)置多個(gè)金屬尖端，使得例如在該軸的高電勢(shì)區(qū)域處可以提供多個(gè)放電面積。這樣，就可提供改善的且適當(dāng)?shù)姆烹娦Ч４送?，通過(guò)使用適當(dāng)?shù)慕饘偌舛?，被損壞的金屬尖端的更換可以是很容易的。此外，如果一個(gè)金屬尖端由于電流高溫的緣故被損壞，那么其它的金屬尖端仍然可以提供電鏈路，使得可以提供可靠重復(fù)的功能。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，扼流元件包括導(dǎo)線圈。導(dǎo)線圈被布置成使得感應(yīng)電流的至少一部分在該導(dǎo)線圈內(nèi)被感應(yīng)出。換言之，在扼流元件內(nèi)引起的磁通圍繞扼流元件生成磁場(chǎng)，使得在該導(dǎo)線圈內(nèi)將會(huì)引起另外的磁通，并且在該導(dǎo)線圈內(nèi)將會(huì)感應(yīng)出另外的感應(yīng)電流。此外，圍繞該軸的^茲場(chǎng)可以直接在該導(dǎo)線圈內(nèi)感應(yīng)出電流。這些在該導(dǎo)線圏內(nèi)另外的感應(yīng)電流可以將能量或者電流轉(zhuǎn)化為熱。這樣，經(jīng)過(guò)扼流元件的這部分電流被進(jìn)一步減小，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)該線圏將該電流的另一部分轉(zhuǎn)換成了熱的緣故。因而，由于更少的電流流過(guò)要被保護(hù)的設(shè)備元件，所以該扼流元件的保護(hù)效果可以被改善。例如導(dǎo)線圏可以由銅形成，或者可以包括銅。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，扼流元件包括多個(gè)導(dǎo)線圏。該多個(gè)導(dǎo)線圏彼此短路。也就是說(shuō)， 一個(gè)線圏的導(dǎo)體的開(kāi)始端被連接至同一個(gè)線圏或者另一個(gè)線圈的終端。這樣，扼流元件內(nèi)的迅速變化的磁場(chǎng)可以在該短路的導(dǎo)線圏內(nèi)感應(yīng)出另外的感應(yīng)電流，使得由于雷擊所致的迅速增大的電流，可以提供迅速增大的磁場(chǎng)以及另外的感應(yīng)電流。結(jié)果是，在扼流環(huán)內(nèi)可以提供額外的能量消耗以及該軸的阻抗的增大。因而，高電勢(shì)區(qū)域與低電勢(shì)區(qū)域的劃分可以被改善，并且從該軸的高電勢(shì)區(qū)域放電的那部分電流可以增加。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，扼流元件包括導(dǎo)磁材料。導(dǎo)磁材料可包括大于1的磁導(dǎo)率(磁導(dǎo)率|X>1)。按照術(shù)語(yǔ)"磁性材料"，可以描述包括了遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的磁導(dǎo)率(磁導(dǎo)率^1>〉1)的鐵磁材料。導(dǎo)磁材料僅僅在存在外部施加的磁場(chǎng)時(shí)才是磁性的。順磁材料被吸引到磁場(chǎng)，并且加強(qiáng)了該磁場(chǎng)。按照術(shù)語(yǔ)"鐵磁性"，磁性材料被描述成即使沒(méi)有原始磁場(chǎng)也提供有導(dǎo)磁性。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，扼流元件包括層疊的硅鐵(SiFe )。根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種設(shè)備，特別是風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)備。該風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)包括軸和如上所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，以及要被保護(hù)的設(shè)備的元件。要被保護(hù)的設(shè)備的元件被電耦接到該軸。通過(guò)雷電保護(hù)系統(tǒng)，與由雷擊在軸上感應(yīng)出的電流相比，從該軸流到該設(shè)備的元件的電流被減少。此外，該設(shè)備可包括風(fēng)力渦輪機(jī)葉片和吊艙。該設(shè)備的元件適于被電鏈接或者電耦接至該軸的低電勢(shì)區(qū)域以及吊艙。至少一個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)葉片被固定至該軸的高電勢(shì)區(qū)域。引流元件適于將由雷擊在風(fēng)力渦輪機(jī)葉片處引起的第 一 部分電流從高電勢(shì)區(qū)域放電到吊艙。該設(shè)備的元件接納電流的第二部分。由此，電流的第一部分要比該電流的第二部分更高。這樣，通過(guò)將該軸分成高電勢(shì)區(qū)域與低電勢(shì)區(qū)域，電流的較高的第 一部分可以被旁路繞過(guò)要被保護(hù)的設(shè)備的元件。電流的較低的第二部分仍然流過(guò)原來(lái)的電流通路，該電流通路是從該軸的低電勢(shì)區(qū)域流過(guò)該設(shè)備的元件，并繼續(xù)流到吊艙。這樣，可能破壞該設(shè)備的元件的該電流的較高的第一部分被旁路繞過(guò)，因而不會(huì)流過(guò)這些元件，使得即使在擊中風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的雷擊時(shí)，這些元件也可以被保全。
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必需要注意的是，本發(fā)明的實(shí)施例已經(jīng)參照不同的主題進(jìn)行了描述。特別是，已經(jīng)參照產(chǎn)品權(quán)利要求對(duì)某些實(shí)施例進(jìn)行了描述，而參照方法權(quán)利要求對(duì)其它實(shí)施例進(jìn)行了描述。不過(guò)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)從上述以及以下的說(shuō)明獲悉，除非另有其它通知說(shuō)明，否則除了屬于 一種類型主題的特征的任意組合之外，涉及不同主題的特征之間的任意組合，特別是在產(chǎn)品權(quán)利要求的特征與方法權(quán)利要求的特征之間的任意組合均被認(rèn)為通過(guò)該申請(qǐng)被公開(kāi)。由下文中將被描述的實(shí)施例的示例，本發(fā)明的上述方面以及另外的方面是顯而易見(jiàn)的，并且通過(guò)參考實(shí)施例的這些示例被加以解釋。在下文中，本發(fā)明參考實(shí)施例的示例被更加詳細(xì)地描述，但是本發(fā)明并不被限制于實(shí)施例的這些示例。


下面，為了進(jìn)一步的解釋和更好的理解，將參考附圖對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，其中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的風(fēng)力渦輪機(jī)的軸的示意性視圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的包含導(dǎo)線圈的扼流元件的示意性視圖；圖3示出了具有當(dāng)閃電擊中被連接至該軸的高電勢(shì)區(qū)域的零部件時(shí)，通過(guò)設(shè)備的藥被保護(hù)的元件的電流與時(shí)間的依賴關(guān)系曲線的曲線圖。
具體實(shí)施例方式附圖中的示出都是示意性的。要注意的是，在各個(gè)不同的附圖中，相似或者相同的元件設(shè)有相同的標(biāo)記符號(hào)或者附圖標(biāo)記，這些附圖標(biāo)記和對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記的區(qū)別僅僅是在第 一位數(shù)字上是不一樣的。圖1示出了本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例的示意性視圖。圖1示出出了用于保護(hù)室外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的雷電保護(hù)系統(tǒng)100。雷電保護(hù)系統(tǒng)100包括4厄流元件101。阮流元件101適于圍繞該設(shè)備的軸103安裝，使得通過(guò)軸103的電流在扼
10流元件101內(nèi)引起》茲通。此外，圖1示出了引流元件102。扼流元件101適于將軸 103劃分為高電勢(shì)區(qū)域H和低電勢(shì)區(qū)域L。高電勢(shì)區(qū)域H適于被暴露 給由雷擊引起的電流，而低電勢(shì)區(qū)域L則適于被連接至被保護(hù)的設(shè)備 105的元件。引流元件102適于將來(lái)自軸103的高電勢(shì)區(qū)域H的電流 的至少一部分》文電。軸103可以被吊艙106通過(guò)設(shè)備105的 一個(gè)或多個(gè)元件(例 如軸承109和金屬軸承體108)來(lái)支承。扼流元件101的作用是吸收 軸103的電流的能量。也就是說(shuō)，軸103內(nèi)的電流在扼流元件101內(nèi) 產(chǎn)生磁通，并在4厄流元件101內(nèi)感應(yīng)出感應(yīng)電流。因而，該扼流元件 內(nèi)的感應(yīng)電流生成可以被傳送到該扼流元件外界的熱。因此，軸103 內(nèi)的電流在經(jīng)過(guò)才厄流元件101時(shí)減小。此外，在扼流元件101圍繞軸103的區(qū)域內(nèi)，電阻抗會(huì)增 大。作為阻抗增大的結(jié)果，軸103被分為高電勢(shì)區(qū)域H和低電勢(shì)區(qū)域 L。最接近電流源的一側(cè)(即最接近風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的一側(cè))提供了 軸103的較高的電勢(shì)區(qū)域。沿著電流方向在扼流元件101之后的一側(cè) (即最遠(yuǎn)離該電流源的一側(cè))，提供了軸103的較低的電勢(shì)區(qū)域?？缭捷S103的這些區(qū)域的電勢(shì)差在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生。 因此，引流元件102提供了用于將來(lái)自軸103的高電勢(shì)區(qū)域H的電流 的一部分放電的備選的傳導(dǎo)通路。引流元件102可以是被電鏈接至軸 103的高電勢(shì)區(qū)域H的導(dǎo)體。此外，引流元件102可以與軸103的高 電勢(shì)區(qū)域H相距地布置，從而形成火花間隙107。在圖1所示的示例性實(shí)施例中，緩沖元件104 (例如金屬 環(huán))可以被安放到軸103。自軸103開(kāi)始通過(guò)緩沖元件104到引流元 件102,該電鏈i 各可以被放電。引流元件102可以具有多個(gè)尖的金屬尖端，其被連接至例 如吊艙106的底板。當(dāng)軸103的高電勢(shì)區(qū)域H內(nèi)的電勢(shì)增大超過(guò)特定 電平時(shí)，將會(huì)形成穿過(guò)該火花間隙107的電弧。火花間隙107可以被 設(shè)置在軸103與引流元件102之間，或者當(dāng)可行時(shí)，設(shè)置在緩沖元件 104與引流元件102之間。引流元件102可以包括例如所述金屬尖端。 該電弧可以將軸103至吊艙106的底板短路，使軸103放電。例如由于扼流元件IOI將軸103分成高電勢(shì)區(qū)域H與低電勢(shì)區(qū)域L的緣故，所以軸103的放電將發(fā)生在火花間隙107上。此外， 在軸103的扼流元件101所在的區(qū)域內(nèi)，該扼流元件101具有高阻抗。 這樣，從扼流元件101開(kāi)始通過(guò)低電勢(shì)區(qū)域L到設(shè)備105的元件108、 109,以及到吊艙106并最終到達(dá)大地的傳導(dǎo)通路的總阻抗，要比從 最高的電勢(shì)區(qū)域H通過(guò)火花間隙107到引流元件102，以及到吊艙106 并最終到達(dá)大地的傳導(dǎo)通路的總阻抗更高。雷擊中的電流將傾向于尋 找具有最低阻抗的到地通路。在纟厄流環(huán)101形成相對(duì)于軸103的^茲場(chǎng) 相反方向的磁場(chǎng)的區(qū)域中，扼流環(huán)101可以確保在旋轉(zhuǎn)的軸103內(nèi)具 有更高的阻抗。由此，在高電勢(shì)區(qū)域H內(nèi)具有更高的電荷，由此在通 過(guò)元件105連接至低電勢(shì)區(qū)域L的情況下，使得電流傾向于通過(guò)穿過(guò) 火花間隙107的通路。此外，如圖l所示，緩沖元件104圍繞軸103,以防止由 于在火花間隙107或引流元件102內(nèi)放電而對(duì)軸103造成破壞。這種 破壞由于通過(guò)火花間隙107的電流放電而導(dǎo)致的高溫引起。由于放電 的緣故而導(dǎo)致的破壞將替代地發(fā)生在可以被更換的緩沖元件104上。 這樣，風(fēng)力渦輪機(jī)的重要元件(例如軸103或者軸承元件108、 109) 的損耗將會(huì)減小。圖2在細(xì)節(jié)^L圖中示出了:fe流元件101。 ^>流元件101可 以包括具有高磁導(dǎo)率(例如磁導(dǎo)率^1>1)的材料，例如層疊的SiFe。 此外，扼流元件101可以包括一個(gè)導(dǎo)線圏201,或者多個(gè)導(dǎo)線圈201。 導(dǎo)線圈201可以包括由例如銅構(gòu)成的材料。此外，導(dǎo)線圈201可以被 短路，即導(dǎo)線圏201的導(dǎo)體的端部可以彼此連接起來(lái)。圖3示出了當(dāng)雷擊中可以被連接到軸103的高電勢(shì)區(qū)域H 的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片或渦輪機(jī)輪轂時(shí)，流過(guò)設(shè)備105例如風(fēng)力渦輪機(jī)的 元件的電流與時(shí)間的依賴關(guān)系的曲線圖。圖3的曲線A示出了當(dāng)沒(méi)有扼流元件101被安裝在主軸103 之上時(shí)，電流對(duì)時(shí)間的依賴關(guān)系。該電流非常迅速地增大，例如直到其抵 達(dá)幾十千安培(kA)的最大值時(shí)為止。然后，電流緩慢地降低，直到整個(gè) 電荷以及雷擊已經(jīng)被傳導(dǎo)到大地時(shí)為止。圖3的曲線B示出了電流/時(shí)間曲線，其中帶有導(dǎo)線圏201的 扼流元件101圍繞軸103安裝。此外，圖3的曲線B示出了包含緩沖元件 104的軸103。當(dāng)來(lái)自雷擊的電流脈沖的前沿抵達(dá)軸103時(shí)，將會(huì)在扼流元件101內(nèi)引起》茲通，并且將在扼流元件101內(nèi)感應(yīng)出感應(yīng)電流，從而在 才厄流元件101內(nèi)生成石茲場(chǎng)。因而，阮流元件101可以以類似于電感的方式
起作用，即由于迅速改變的電流的緣故，所以主軸103的被扼流元件101
圍繞的部分可以具有高阻抗。此外，在4厄流元件101內(nèi)迅速改變的》茲場(chǎng)可以在例如短路線圈 201內(nèi)感應(yīng)出另外的感應(yīng)電流。由于生成熱的緣故，這可以作為額外的能 量消耗，因此增大了軸103內(nèi)的阻抗，并相應(yīng)地增大了扼流元件101區(qū)域 內(nèi)的阻抗。不過(guò)，對(duì)迅速改變的電流的高阻抗可以提供兩種效果。通過(guò)設(shè) 備105的元件和/或低電勢(shì)區(qū)域L的初始電流增大會(huì)小于不存在扼流元件 101的情況。這可以/人曲線A中示出了比曲線B或C更加陡的初始斜率的 曲線而看出，其中曲線B或C是包含了扼流元件101的軸103的曲線。此 外，當(dāng)雷擊的電流脈沖的前沿抵達(dá)扼流元件101時(shí)，大的電勢(shì)差將會(huì)出現(xiàn) 在軸103的所述區(qū)域之間，特別是可能提供在高電勢(shì)區(qū)域H的一側(cè)上以及 低電勢(shì)區(qū)域L的另一側(cè)上。最接近設(shè)備105的元件的區(qū)域在初始時(shí)可以處 于地電勢(shì)，并且可以保持在相對(duì)較低的電勢(shì)，特別是保持在低電勢(shì)區(qū)域L 的電勢(shì)。當(dāng)跨越火花間隙107的電勢(shì)變得足夠大時(shí)，將會(huì)生成穿過(guò) 火花間隙107的電弧。例如該電弧將構(gòu)成直接到吊艙106的底板并由 此到達(dá)大地的低阻抗通路。當(dāng)生成電弧時(shí)，通過(guò)i殳備105的元件的電 流將因此減小，例如圖3中曲線B或C所示。在短時(shí)間之后，大多數(shù) 來(lái)自雷擊的電荷已經(jīng)通過(guò)火花間隙107，并且跨越火花間隙107的電 壓差減小，使得不再發(fā)生放電。由于存在短路的導(dǎo)線圏201,所以能量的一部分可以通過(guò) 扼流元件101內(nèi)的感應(yīng)電流而在為導(dǎo)線圈201中感應(yīng)出電流，該電流 可以被進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成熱。曲線B示出了通過(guò)包含導(dǎo)線圏201的4厄流元件101的電流 放電。曲線C示出了沒(méi)有導(dǎo)線圈201的電流放電。當(dāng)存在導(dǎo)線圈201 時(shí)，如曲線B中所示，至少一部分來(lái)自扼流元件101的》茲場(chǎng)的能量將 被用來(lái)在導(dǎo)線圈201內(nèi)感應(yīng)出電流，并且通過(guò)設(shè)備105的元件的剩余 電流可以;波降低(曲線B )。當(dāng)跨越火花間隙107的電壓差變得太小而不能維持電弧
13時(shí)，來(lái)自雷擊的電荷的剩余部分會(huì)通過(guò)設(shè)備105的元件。該剩余部分 可以僅僅是雷擊的總電荷的一小部分，使得要被保護(hù)的設(shè)備105的元 件被破壞的風(fēng)險(xiǎn)將減小。當(dāng)電弧消失時(shí)，通過(guò)設(shè)備105的元件的電流將迅速減少。 該減少的電流可以是比較小的，這是因?yàn)閬?lái)自雷擊的電荷的大部分可 以通過(guò)引流元件102已經(jīng)被傳導(dǎo)到大地。如上所述，因?yàn)檠杆俚碾娏?增大導(dǎo)致由于電流迅速改變而形成高阻抗，所以在設(shè)備105的元件內(nèi) 的電流增大將被進(jìn)一步抑制。由于扼流元件101的存在，通過(guò)設(shè)備105 的元件的電流的值將被減小。由此，由雷擊至設(shè)備105的元件而引發(fā) 破壞的風(fēng)險(xiǎn)可以被減小。應(yīng)當(dāng)注意的是，術(shù)語(yǔ)"包括"并不排除其它元件或者步驟， 并且單數(shù)"一"也并不排除多數(shù)個(gè)。聯(lián)系不同實(shí)施例加以描述的元件 還可以被組合。應(yīng)當(dāng)注意的是，權(quán)利要求內(nèi)的附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)被解釋 為對(duì)該權(quán)利要求的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種用于保護(hù)室外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的雷電保護(hù)系統(tǒng)，所述雷電保護(hù)系統(tǒng)包括扼流元件(101)；其中，所述扼流元件(101)適于圍繞所述設(shè)備的軸(103)安裝，使得通過(guò)所述軸(103)的電流會(huì)在所述扼流元件(101)內(nèi)引起磁通。
2. 如權(quán)利要求1所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，還包括 引流元件(102);其中，所述扼流元件(101)適于將所述軸(103)劃分成高電勢(shì) 區(qū)域(H)和低電勢(shì)區(qū)域(L);其中，所述高電勢(shì)區(qū)域(H)適于被暴露給由雷擊引起的電流， 所述低電勢(shì)區(qū)域(L)適于被連接至所述要被保護(hù)的設(shè)備(105)的元 件；其中，所述引流元件(102)適合用于將來(lái)自所述軸(103)的高 電勢(shì)區(qū)域(H)的電流的至少一部分放電。
3. 如權(quán)利要求2所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述引流 元件(102)與所述軸(103)相距，以便形成火花間隙(107)。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，還包括 緩沖元件(104);其中，所述緩沖元件(104)適于在所述軸(103)與所述引流元 件(102)之間形成電鏈路。
5. 如權(quán)利要求4所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述緩沖 元件(104)適于被可更換地固定至所述軸(103)。
6. 如權(quán)利要求2至5中任意一項(xiàng)所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征 在于所述引流元件(102)包括金屬尖端；所述金屬尖端適于在所述軸(103)與所述引流元件(102)之間 形成電鏈路。
7. 如權(quán)利要求1至6中任意一項(xiàng)所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征 在于所述扼流元件(101)包括導(dǎo)線圏(201);所述導(dǎo)線圏(201)被布置成使得通過(guò)所述軸(103)的電流的至 少一部分在所述導(dǎo)線圏(201)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)。
8. 如權(quán)利要求7所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于 所述扼流元件(101)包括多個(gè)導(dǎo)線圈(201); 其中所述多個(gè)導(dǎo)線圈(201)彼此短路。
9. 如權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征 在于，所述扼流元件(101)包括導(dǎo)》茲材泮牛。
10. 如權(quán)利要求9所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)，其特征在于，所述扼流 元件(101 )包括層疊的SiFe。
11. 一種設(shè)備，特別是風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)備，包括 軸(103);根據(jù)權(quán)利要求1至10中任意一項(xiàng)所述的雷電保護(hù)系統(tǒng)(100); 所述要被保護(hù)的設(shè)備(105)的元件；其中，所述要被保護(hù)的設(shè)備(105)的元件被電耦接至所述軸 (103);并且其中通過(guò)所述雷電保護(hù)系統(tǒng)(100),從所述軸(103) 流到所述設(shè)備(105)的元件的電流與由雷擊在所述軸(103)上感應(yīng) 的電流相比被減小。
12. —種保護(hù)室外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞 的方法，所述方法包^r:圍繞所述設(shè)備的軸(103 )安裝扼流元件(101 );由通過(guò)所述軸(103 )的電流在所述4厄流元件(101 )中產(chǎn)生^茲通。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于風(fēng)力渦輪機(jī)的雷電保護(hù)系統(tǒng)。本發(fā)明提出一種用于保護(hù)室外使用的設(shè)備、特別是風(fēng)力渦輪機(jī)免受雷擊破壞的雷電保護(hù)系統(tǒng)，所述雷電保護(hù)系統(tǒng)包括扼流元件(101)。其中所述扼流元件(101)適于圍繞所述設(shè)備的軸(103)安裝，使得通過(guò)所述軸(103)的電流會(huì)在所述扼流元件(101)內(nèi)引起磁通。
文檔編號(hào)F03D11/00GK101685956SQ20091017348
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2009年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者K·奧爾森 申請(qǐng)人:西門子公司