[实用新型]用于保护风力涡轮机免遭雷击的系统和风力涡轮机

说明书

技术领域

本实用新型涉及用于保护风力涡轮机免遭雷击的系统、方法和软件，还涉及包括雷电保护系统的风力涡轮机。 

背景技术

2002年由国家可再生能源实验室(B.McNiff，风力涡轮机雷电保护项目1999-2001，国家可再生能源实验室(NREL)，美国能源部，Golden，CO，美国)(B.McNiff，Wind Turbine Lightning Protection Project1999-2001，National Renewable Energy laboratory(NREL)，U.S.Dept.of Energy，Golden，CO，USA)公布的研究表明，每100台风力涡轮机中大约有8台每年可能会意外遭受一次直接的雷击。根据IEC TR61400-24提供的统计，雷电引起的损坏有7-10％是转子叶片(IEC TR61400-24，风力涡轮发电机系统，第24部分：雷电保护，国际电工技术委员会，第一版2002-07)(IEC TR 61400-24，wind TurbineGenerator Systems，Part 24：Lightning Protection，InternationalElectrotechnical Commission，First edition 2002-07)。当遭受雷击时由于玻璃纤维表现出高阻抗的行为，风力涡轮机的叶片很可能被损坏。即使碳纤维增强环氧树脂也不能从一个单独的闪电中将大量的电流和热量传导出去。风力涡轮机叶片占风力涡轮机成本的15-20％，因此这里损坏的代价是非常高的(F.M Larsen，T.Sorensen，新的大型风力涡轮机叶片雷电质量鉴定试验程序，2002年)(F.M.Larsen，T.Sorensen，New Lightning Qualification Test Procedure for LargeWind Turbine Blades，2002)。 

因为风力涡轮机通常竖立在广阔的、地形平坦的、与雷暴活动一致的区域内，所以易于遭受雷击(B.Glushakow，风力涡轮发电机的有 效雷电保护，电机工程师协会关于能量转换的会议论文，第22卷，第一期，2007年3月(B.Glushakow，Effective Lightning Protectionfor wind Turbine Generators，IEEE Transactions on Energyconversion，vol.22，No.1，March 2007))。 

当闪电击中未受保护的结构时，大约高达200kA的电流会寻找最小电阻的路径。直接影响典型地包括树脂在直接打击区域内蒸发，并可能将层压材料烧穿。当结构中的磁场和电位差感测出瞬态电压时会产生间接影响，瞬态电压可以损坏并且甚至毁坏未经EMF(电磁场)屏蔽或雷电保护的板载电子设备。复合结构的保护需求已经促进了大量特殊LSP(雷击保护)材料的发展。 

有效的防雷电保护对于确保风力涡轮机的叶片结构完整、寿命、安全和效率是至关重要的。普通的雷击保护(LSP)技术需要在叶片的内部使用大量的感受器和一个内部的向下的导体将电荷导出至塔架。这种方法对于长度大约在20至30米之间的叶片有效。当雷电击中一个长度大约在40米以上的叶片时，电弧可能穿透表面并继续向内部的避雷针前进，或者沿着表面移动至最近的感受器。穿透是非常危险的并且通常意味着脱层，此时电弧沿着表面的移动会留下称作漏电痕迹(tracking)的物理腐蚀(S.F.Madsen，J.Holboell，M.Henriksen，N.Bjaert，作为改良的风力涡轮机叶片雷电保护一部分的玻璃纤维加固聚合物(GRP)的漏电痕迹测试，关于雷电保护的国际会议，阿维尼翁，法国，2004年)(S.F.Madsen，J.Holboell，M.Henriksen，N.Bjaert，Tracking tests of Glass fibre Reinforced Polymers(GRP)as partof improved lightning protection of wind turbine bladeds，International Conference on Lligthning Protection，Avignon，France，2004)。