风电叶片防雷系统的制作方法

1.本发明涉及能源和安全技术领域，特别涉及一种风电叶片防雷系统。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，人们对电能的需求不断增加，风电机组的容量与风力发电的规模也随之不断扩大。由于风电机组的本体结构高耸突出，常位于旷野或者山区地带，雷击则是影响风电机组安全运行的主要因素之一，其中风电叶片是整个发电机组中最容易遭受雷击的组件。
3.目前通常在风电叶片上设置接闪器和接地引下线，雷击电流通过接闪器传导到接地引下线并最终传导到大地以实现放电通路，藉以实现对风电叶片的防雷保护；这种被现代广泛应用的防雷技术，有一个致命的缺陷：引雷，使原本雷击次数不多的物体，雷击次数大为增加，究其原因，是因为该防雷系统促进了自接闪器向上发展的先导放电。从雷电观测研究得知，当向上发展的上行先导与从雷云荷电中心向地面发展的带有异性电荷的下行先导相遇时，雷击发生，上行先导的快速发展，无疑增加了自雷云向下发展的下行先导的引力，因而使得雷击次数增加，这种情况对于该防雷系统周围的建筑是有利的，可减少对它们的雷击次数，但是对该系统自身却很不利。装在风电叶片上的这种防雷系统，虽然在接闪器接受雷击时，也能降低加在风电叶片上的电位，一定程度上能防止风电叶片遭雷击损坏。但是，这种保护措施常有失误的时候，雷击次数的增加，增加了事故的次数。纵观中外古建筑，在未做上述类似防雷措施之前，很少遭受雷击损坏，反而在做了类似的防雷保护后，出现了雷击损坏的增加，也即，通过简单的接闪和接地起不到对建筑的保护作用，此外，风电叶片的表面通常粘附有污秽，污秽在通过电流时会导致风电叶片表面的电场不均衡，使得风电叶片表面局部区域的电场强度较高，从而在雷击过程中会引发击穿和电弧损伤风电叶片事件。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种风电叶片防雷系统，与传统的防雷方案相比，旨在降低对风电叶片的雷击次数，并解决风电叶片表面的电场不均衡的问题，以防止在雷击过程中击穿和电弧损伤风电叶片。
5.为实现上述目的，本发明提出的一种风电叶片防雷系统，用于对风电叶片进行防雷，所述风电叶片防雷系统包括：
6.接闪区段，所述接闪区段位于所述风电叶片的尖部；
7.高阻材料涂层区段，所述高阻材料涂层区段位于所述风电叶片的表面，上与导电材料网区段电气连接，下与大地电气连接；
8.导电材料网区段，部分所述导电材料网区段位于所述接闪区段与所述高阻材料涂层区段之间的所述风电叶片的表面，部分所述导电材料网区段覆盖部分所述高阻材料涂层区段，以使所述接闪区段通过所述导电材料网区段电气连接于所述高阻材料涂层区段；
9.带有保护间隙的接地引下线，所述接地引下线穿设于所述风电叶片的内部，并带有保护间隙；所述保护间隙位于所述接地引下线的两端部之间；所述接地引下线的上段的一端电气连接于所述接闪区段，所述接地引下线的上段的另一端与所述保护间隙的上端电气连接；所述接地引下线的下段的一端与所述保护间隙的下端电气连接，所述接地引下线下段的另一端接地；
10.护边导体，所述护边导体位于所述风电叶片的叶沿，并电气连接于所述接闪区段和所述导电材料网区段。
11.在本发明的一实施例中，所述保护间隙的放电电压为预设电压，当所述保护间隙的电压达到预设电压时，所述保护间隙的上端和下端间放电，以使所述接地引下线的上段和下段导通。
12.在本发明的一实施例中，带所述保护间隙的所述接地引下线在所述接闪区段遭受雷击前起着隔离所述接闪区段与大地的作用，在所述接闪区段遭受雷击后起着连接所述接闪区段与大地的作用。
13.在本发明的一实施例中，当雷击偏离所述接闪区段击中叶沿时，所述护边导体可起到辅助接闪的作用；在所述风电叶片旋转将雷击电弧拉向所述风电叶片的叶沿时，所述护边导体还起到稳定弧脚、防止电弧滑向所述风电叶片的叶面的作用。
14.在本发明的一实施例中，所述高阻材料涂层区段在所述接闪区段与大地之间起到限制电流的作用；当带电雷云临近所述风电叶片时，从所述接闪区段会产生向上发展的流注或先导放电，所述高阻材料涂层区段限制了电荷从大地向接闪区段灌注，起到限制电流的作用，从而减缓向上发展的先导增长速度；在所述风电叶片的表面受污秽时，所述高阻材料涂层还可以改善所述风电叶片表面的电场分布的均衡性。
15.在本发明的一实施例中，所述导电材料网区段与所述接闪区段及所述护边导体电气相连，三者大致同等电位，所述接地引下线穿设于所述风电叶片的内部；所述导电材料网区段、所述接闪区段和所述护边导体共同形成对所述接地引下线的屏蔽，可防止雷击穿过所述风电叶片击击向接地引下线，而损坏所述风电叶片；覆盖所述风电叶片的叶面的所述导电材料网区段还有均衡该区段的所述风电叶片表面电场的作用，可防止雷击电弧从所述护边导体向所述风电叶片的叶面滑闪。
16.在本发明的一实施例中，所述接闪区段位于所述风电叶片的尖部，当雷击来临时，起到接闪的作用，保护所述风电叶片的其它区段不受雷击，并通过与所述接闪区段相连的所述接地引下线将巨大的雷击电流导入大地；在雷击未发生前受所述高阻材料涂层区段的限制，只产生微弱的向上发展流注和先导放电；所述接闪区段应能长期耐受电弧和电晕放电的侵蚀。
17.本发明的风电叶片防雷系统，通过将接闪区段形成于风电叶片的尖部，并将高阻材料涂层区段形成于风电叶片的表面，同时将部分导电材料网区段设置在接闪区段与高阻材料层区段之间的风电叶片的表面，部分导电材料网区段覆盖部分高阻材料涂层区段，以使接闪区段通过导电材料网区段电气连接于高阻材料涂层区段，高阻材料涂层区段的下端与风电叶片根部的接地元件电气连接，另外，接地引下线穿设于风电叶片的内部，并带有保护间隙；接地引下线的上段的一端与接闪区段电气连接，上段的另一端与保护间隙的上端电气连接；接地引下线的下段的一端与保护间隙的下端电气连接，下段的另一端与风电叶
片根部的接地元件电气连接；如此，在雷击发生之前，保护间隙处于断开状态，即接闪区段无法通过接地引下线直接接地，而只能通过高阻材料涂层区段接地，由于高阻材料涂层区段限制了向接闪区段提供电荷，从而接闪区段在预放电阶段缺乏了后备电荷的支援，抑制了雷云临近风电叶片时接闪区段电流的增长速度，弱化了接闪区段向上先导的发展，如此，便降低了风电叶片的引雷作用，以减少对风电叶片的雷击次数；当雷击发生在接闪区段时，保护间隙上端和下端间的电压将达到预设电压，保护间隙上端和下端间放电，以使接地引下线的上段和下段电气连接，如此，雷击电流便可通过接闪区段和接地引下线直接入地，以降低雷击时风电叶片电位的升高。
18.并且，当风电叶片表面存在污秽时，电流在污秽的附近区域产生的电压降落较大，造成电场分布不均匀。由于高阻材料涂层区段的电阻率比风电叶片表面污秽的电阻率低得多，因此，便可通过高阻材料涂层区段的电阻来控制风电叶片表面的电阻，以使风电叶片表面的电压均衡降落，如此，便均衡了风电叶片表面的电场，以改善风电叶片表面的电场不均的问题，便可防止在雷击过程中击穿和电弧损伤风电叶片的事件发生。
19.另外，风电叶片的叶沿还有护边导体，在雷击偏离接闪区段而击中叶尖附近的叶沿时，护边导体可做为辅助接闪，也可在击中接闪区段的雷击电弧在被牵拉到叶沿时，护边导体的设置可防止风电叶片的叶沿被电弧烙伤。
20.另外，由于导电材料网区段为导体，可以均衡风电叶片尖部附近的电场，从而充分改善风电叶片表面的电场不均的问题；并且，导电材料网区段与接闪区段及护边导体共同组成对风电叶片内部电场的屏蔽，可以有效防止雷击穿过风电叶片击向接地引下线而破坏风电叶片。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
22.图1为本发明风电叶片防雷系统一实施例的结构示意图；
23.图2为本发明风电叶片防雷系统一实施例的主视图。
24.附图标号说明：
25.标号名称标号名称100风电叶片防雷系统41上段10接闪区段42下段20高阻材料涂层区段43保护间隙30导电材料网区段50护边导体40接地引下线
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26.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
29.另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
30.本发明提出一种风电叶片防雷系统100，旨在降低对风电叶片的雷击次数，并解决风电叶片表面的电场不均衡的问题，以防止在雷击过程中击穿和电弧损伤风电叶片，减少雷击事故的发生。
31.以下将就本发明风电叶片防雷系统100的具体结构进行说明：
32.结合参阅图1和图2，在本发明风电叶片防雷系统100的一实施例中，该风电叶片防雷系统100用于对风电叶片进行防雷，该风电叶片防雷系统100包括接闪区段10、高阻材料涂层区段20、导电材料网区段30、带保护间隙的接地引下线40以及护边导体50；所述接闪区段10位于所述风电叶片的尖部；所述高阻材料涂层区段20位于所述风电叶片的表面，其下端与所述风电叶片根部的接地元件电气连接；部分所述导电材料网区段30位于所述接闪区段10与所述高阻材料层区段20之间的所述风电叶片的表面，部分所述导电材料网区段30覆盖部分所述高阻材料涂层区段20，以使所述接闪区段10通过所述导电材料网区段30电气连接于所述高阻材料涂层区段20的上端；所述接地引下线40用于穿设于所述风电叶片内部，并带有保护间隙43；所述保护间隙43位于所述接地引下线40的两端部之间；所述接地引下线40的上段41的一端电气连接于所述接闪区段10，所述接地引下线40的上段41的另一端与所述保护间隙43的上端电气连接；所述接地引下线40的下段42的一端与所述保护间隙43的下端电气连接，所述接地引下线40的下段42的另一端与所述风电叶片根部接地元件电气连接；其中，当所述保护间隙43上端和下端间的电压达到预设电压时，所述保护间隙43的上端和下端间放电，以使所述接地引下线40的上段41和下段42导通；
33.所述护边导体50位于所述风电叶片的叶沿，并电气连接于所述接闪区段10和所述导电材料网区段30，所述护边导体50、所述接闪区段10和所述导电材料网区段30共同形成对穿设于所述风电叶片内部的所述接地引下线40的屏蔽。
34.可以理解的是，本发明的风电叶片防雷系统100，通过将接闪区段10形成于风电叶片的尖部，并将高阻材料涂层区段20形成于风电叶片的表面，高阻材料涂层区段20的下端和风电叶片根部的接地元件电气连接，同时将部分导电材料网区段30设置在接闪区段10与高阻材料层区段20之间的风电叶片的表面，部分导电材料网区段30覆盖部分高阻材料涂层区段20，以使接闪区段10通过导电材料网区段30电气连接于高阻材料涂层区段20，另外，接地引下线40穿设于风电叶片的内部，并带有保护间隙43；接地引下线40的上段41的一端电气连接于接闪区段10，上段41的另一端与保护间隙43的上端电气连接；接地引下线40的下段42的一端与保护间隙43的下端电气连接，下段42的另一端和风电叶片根部的接地元件电气连接；带保护间隙43的接地引下线40在接闪区段遭受雷击前起着隔离接闪区段10与大地
的作用，在接闪区段遭受雷击后起着连接接闪区段10与大地的作用，在雷击发生之前，保护间隙43处于断开状态，即接闪区段10无法通过接地引下线40直接接地，而只能通过高阻材料涂层区段20接地，由于高阻材料涂层区段20限制了向接闪区段10提供电荷，接闪区段10在预放电阶段缺乏后备电荷的支援，从而抑制了雷云临近风电叶片时接闪区段10电流的增长速度，弱化了接闪区段10向上先导的发展，如此，便降低了风电叶片的引雷作用，以减少对风电叶片的雷击次数；另外，当雷击直接发生在接闪区段10,此时，保护间隙43上端和下端间的电压将达到预设电压，所述保护间隙43放电，以使所述接地引下线40的上段41和下段42导通，如此，雷击电流便可通过接闪区段10和接地引下线40直接入地，从而降低雷击时风电叶片电位的升高，保护风电叶片不受雷击损坏。
35.并且，当风电叶片表面存在污秽时，电流在污秽附近区域产生的电压降落较大，造成电场分布不均匀。由于高阻材料涂层区段20的电阻率比风电叶片表面污秽的电阻率低得多，因此，便可通过高阻材料涂层区段20的电阻来控制风电叶片表面的电阻，以使风电叶片表面的电压均衡降落，如此，便均衡了风电叶片表面的电场，以改善风电叶片表面的电场不均的问题，便可防止在雷击过程中击穿和电弧损伤风电叶片。
36.另外，风电叶片的叶沿还有护边导体50，当雷击偏离接闪区段10而击中叶尖附近的叶沿时，护边导体50可做为辅助接闪，也可在击中接闪区段10的雷击电弧在被牵拉到叶沿时，护边导体50的设置可防止风电叶片的叶沿被电弧烙伤，并可稳定电弧弧脚，防止电弧向风电叶片滑落。
37.另外，由于导电材料网区段30为导体，可以均衡风电叶片尖部附近的电场，从而充分改善风电叶片表面的电场不均的问题；并且，导电材料网区段30还可与接闪区段10及护边导体50共同组成对风电叶片内部电场的屏蔽,防止雷击穿过风电叶片击向接地引下线上段41而破坏风电叶片。
38.导电材料网区段30与接闪区段10及护边导体50电气相连，三者大致同等电位，接地引下线40穿设于风电叶片的内部；导电材料网区段30、接闪区段10和护边导体50共同形成对所述风电叶片内部的所述接地引下线40的屏蔽，可防止雷击穿过所述风电叶片击击向接地引下线40，而损坏风电叶片；覆盖风电叶片的叶面的导电材料网区段30还有均衡该区段的风电叶片表面电场的作用，可防止雷击电弧从护边导体50向风电叶片的叶面滑闪。
39.需要说明的是，具体可根据已知风电叶片电阻和界定的先导电流来计算出风电叶片上承受的电压，将此电压设定为预设放电电压，即为可使保护间隙43导通的放电电压，即风电叶片两端可能出现的最高电压。只要保护间隙43的放电电压设计合理且足够稳定，就可保证风电叶片不受雷击损坏。
40.并且，保护间隙43相当于一个开关，当保护间隙43上端和下端间电压达到预设电压时，保护间隙43导通，进而使接地引下线40的上段41和下段42导通，且保护间隙43既需要满足预设电压和泄放的雷击电流要求，还需保证其导通时的电弧不会对风电叶片内壁发生放电甚至击穿风电叶片，避免伤及其它结构。
41.高阻材料具体可由绝缘涂料和导体粉末调和而成后涂刷或粘接于风电叶片表面所形成的高阻导电层，例如，可将碳粉加入有机硅涂料中进行调和得到高阻涂料，具体可将高阻涂料涂覆在风电叶片的表面，以在风电叶片表面形成高阻材料涂层区段20，或者，将高阻涂料涂覆在定型基板上进行定型后，再粘接在风电叶片的表面以得到高阻材料涂层区段
20。
42.并且，接闪区段10可为金属做成的叶尖顶部，也即，接闪区段10为金属件；或者，可在叶尖本体的表面完整包覆或部分包覆金属层，以形成接闪区段10；如此，接闪区段10便可实现接闪器的功能。例如，可采用耐高温、抗电弧、导热、导电性能良好的金属制备接闪区段10，具体可采用不锈钢等金属材料，如此，在雷击电弧过后，便可防止接闪区段10的表面留下伤痕，进而保证接闪区段10的使用寿命。
43.进一步地，在本发明风电叶片防雷系统100的一实施例中，所述导电材料网区段30为碳纤维网或金属网。
44.通过使导电材料网区段30覆盖部分高阻材料涂层区段20，以使接闪区段10通过导电材料网区段30电气连接于高阻材料涂层区段20，如此，由于导电材料网区段30为导体，电流在通过导电材料网区段30时的电压降落较小，便可通过导电材料网区段30以进一步均衡风电叶片尖部附近的电场，从而充分改善风电叶片表面的电场不均的问题。因此，便可在高阻材料涂层区段20与导电材料网区段30的双重作用下，以使风电叶片表面的电压均衡降落，如此，便充分均衡了风电叶片表面的电场，改善风电叶片表面的电场不均的问题，便可防止在雷击过程中击穿和电弧损伤风电叶片。
45.另外，由于风电叶片的主要材料为玻璃纤维、环氧树脂等，通过在风电叶片的表面设置有导电材料网区段30，还可防止在雷击时，雷击电弧由接闪区段10滑闪至风电叶片的表面，而对风电叶片造成损伤甚至击穿风电叶片。
46.并且，导电材料网区段30中的网孔大小的选择，以保证网孔中心的电场远低于空气击穿风电叶片的电场强度为依据，从而消除了风电叶片表面发生闪络的可能。
47.进一步地，结合参阅图1和图2，在本发明风电叶片防雷系统100的一实施例中，所述保护间隙43位于所述接地引下线40的中间，以减小在保护间隙43未动作时接地引下线40与风电叶片间的电位差值；如此设置，在雷击发生之前，保护间隙43处于断开状态，即接闪区段10无法通过接地引下线40直接接地，而只能通过高阻材料涂层区段20接地，由于高阻材料涂层区段20限制了向接闪区段10提供电荷，从而接闪区段10在预放电阶段缺乏后备电荷的支援，从而抑制了雷云临近风电叶片时接闪区段10电流的增长速度，弱化了接闪区段10向上先导的发展，如此，便降低了风电叶片的引雷作用，以减少对风电叶片的雷击次数；另外，当雷击发生在接闪区段10时，保护间隙43上端和下端间的电压将达到预设电压，保护间隙43导通，以使所述接地引下线40的上段41和下段42导通，如此，雷击电流便可通过接闪区段10和接地引下线40直接入地，以降低雷击时风电叶片电位的升高。
48.进一步地，护边导体50沿风电叶片叶沿的长度方向延伸设置，更好地保护叶沿。护边导体50可为不锈钢、合金铝等导电金属；护边导体50可采用粘接、螺钉连接等方式固定安装在风电叶片的叶沿。
49.在本发明风电叶片防雷系统100的一实施例中，使所述接闪区段10,护边导体50电气连接于所述导电材料网区段30，共同形成所谓法拉第笼对风电叶片进行屏蔽。如此，在雷击发生时便可使风电叶片表面和接地引下线40之间获得大致相等的电位，从而可以防止雷击穿过风电叶片击向接地引下线40，从而降低风电叶片的雷击损伤率。
50.结合参阅图1和图2，在本发明风电叶片防雷系统100的一实施例中，所述接闪区段10为金属构件，当雷击来临时接受雷击，用于保护风电叶片其它区段不受雷击，并通过与它
电气连接的接地引下线将巨大的雷击电流导入大地。在雷击未发生前受高阻材料涂层区段20的限制，只产生微弱的向上发展流注和先导放电。接闪区段10应能长期耐受电弧和电晕放电的侵蚀。
51.结合参阅图2，在本发明风电叶片防雷系统100的一实施例中，接闪区段10的长度为l，应满足接闪和各安装连接条件的要求,不能过大也不能过小，例如可以在1米到2米之间。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。