引下线连接系统、风力涡轮机雷电防护系统和用于布置引下线连接系统的方法

技术领域

本发明涉及一种用于风力涡轮机叶片雷电防护系统的引下线连接系统，该引下线连接系统包括适于在风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸的叶片雷电引下线，其中，一定数量的接闪器电连接至所述叶片雷电引下线并沿所述叶片雷电引下线的长度分布。

背景技术

用于风力涡轮机叶片(WTG)的风力涡轮机雷电防护系统通常包括安装在叶片末梢端附近的一系列接闪器，其中这些接闪器连接在一起，并最终通过通常称为引下线的高压电缆连接到风力涡轮机叶片的根部端。从叶片末梢端到叶片根部，整个雷电防护系统都作为一个完整的系统进行制造和运输。采取这种做法是为了确保内部金属部件的电气连接和所有内部金属部件的电气隔离的最高质量。然而，由于风力涡轮机叶片的长度的增加、模块化叶片的引入、以及制造复杂性的增加，对运输、装卸和安装这种物理上较长的雷电防护系统的物流提出了重大挑战。

这种已知的防护系统例如从EP2420652A1中已知。

发明内容

本发明的目的是提供一种实际上可实现的且可靠的引下线连接系统，其将有助于以对应于模块化叶片的模块化形式制造雷电防护系统，同时保持雷电防护系统的所需电性能。该系统使制造商能够布置模块化的雷电防护系统，该雷电防护系统有助于在长度增加的风力涡轮机叶片中安装和进一步地拆卸该系统或该系统的各个部件。

鉴于此目的，引下线连接系统易于在风力涡轮机叶片工厂中安装，而无需专用工具，并且在进行电气连接时，引下线连接系统结合了锁定机构，该锁定机构在雷电防护系统的使用寿命内维持引下线连接系统的连接。

将从本发明的描述中显而易见的上述目的和优点以及众多其他目的和优点是根据本发明的一个方面的，该方面通过如下方式获得：

一种用于雷电防护系统的引下线连接系统，该雷电防护系统适于保护风力涡轮机叶片免受雷击，该雷电防护系统具有引下线电缆和一定数量的接闪器，该引下线电缆适于在风力涡轮机叶片的纵向方向上延伸并连接至风力涡轮机叶片的根部端，所述一定数量的接闪器电连接至引下线电缆并沿引下线电缆的长度分布，

该引下线连接系统具有模块化的引下线电缆，该模块化的引下线电缆具有第一引下线电缆部分和第二引下线电缆部分以及至少一个引下线连接器，所述引下线连接器布置在所述第一和第二引下线电缆部分之间并连接至所述第一和第二引下线电缆部分的端部，

该引下线连接器具有第一端子和第二端子，该第一端子连接至第一引下线电缆部分的一个端部，该第二端子连接至第二引下线电缆部分的一个端部，

该第一和第二端子适于相互连接，使得当被连接时，第一和第二引下线电缆部分至少部分地限定模块化的引下线电缆。

另外，鉴于该目的，将连接器添加到雷电防护系统不应降低电绝缘性。连接器安装在为高压结构的引下线电缆上。通常，这涉及：铜或铝芯导体、电阻性聚合物层、绝缘聚合物层聚合物(insulating polymer layer polymer)(称为半导电层)、和聚合物外部保护套。端子也由铝或铜制成，对应于电缆的芯材，使得铜电缆连接到铜端子，并且铝电缆连接到铝端子。

每个引下线电缆部分均可包括一定数量的接闪器，使得多个被连接的引下线电缆部分限定出雷电防护系统。

根据第一方面的又一实施例，第一和第二端子具有第一端部和第二端部，第一和第二端子的第一端部分别连接到第一和第二引下线电缆部分的端部，第一和第二端子的第二端部具有用于端子的相互互连的连接表面，所述连接表面基本上在模块化引下线电缆的纵向方向上延伸。

引下线电缆部分的芯导体优选地分别通过液压压接工艺或例如通过焊接而电连接至端子。

当将两个端子连接并安装在风力涡轮机叶片中时，需要两个端子之间的连接接口应对与雷击一致的高脉冲电流。根据WTG认证标准“IEC61400-24”，应按照本标准中定义的方法和测试级别对所有威胁承受接口进行测试和认证。根据本发明的连接器满足“IEC61400-24”的要求，并确保在风力涡轮机叶片雷电防护系统的使用寿命期间该连接能在无需维护或维修的情况下实现全部功能。

根据第一方面的另一实施例，第一和第二端子具有用于确保将连接表面固定在相互锁定的连接中的能释放的锁定机构。

考虑到威胁电流方面的性能的目的，连接器接口优选地包括借助于可释放的锁定机构连接在一起的铜质或铝质的两个端子，从而确保该接口能够应对脉冲的威胁电流而不会产生电弧或火花。可释放的锁定机构优选地包括螺栓或螺钉，以确保两个端子之间的稳定连接。然而，可释放的锁定机构可以替代地包括能够将两个端子互连的其他合适的实施方式。其他类型的连接机构可以是锁爪或胶，或者端子本身可结合有/加入了锁定机构。

因此，每个端子均可形成有与相对端子的轮廓表面相配合的轮廓表面，使得端子相互锁定以进行移位。

根据第一方面的另一实施例，引下线连接器包括半导电层，每个半导电层分别围绕端子的第一端部和第一和第二引下线电缆部分的端部布置，从而部分地封装第一和第二端子以及引下线电缆部分的任何的非绝缘的端部部分。

半导电层确保从绝缘的引下线电缆的半导电层到连接器端子的平滑过渡。在一个优选的实施方案中，将半导电层注塑到端子和引下线电缆部分的端部上；然而，半导电层可以替代地是预制的插入件如管状的预模制部件或围绕电缆的端部和端子缠绕的半导电带。

根据第一方面的另一实施例，引下线连接器包括绝缘层，每个绝缘层围绕每个半导电层布置并封装每个半导电层，使得端子与引下线电缆部分之间的连接是绝缘的。

电缆、压接端子和连接器本体之间的接口优选地借助于绝缘层被电隔离，该绝缘层优选地是高介电聚合物。该接口还为连接器和电缆接口提供了机械强度和应变隔离。在一个优选的实施例中，绝缘层不封装半导电层的朝向端子的第二端部的部分，从而使该部分是非绝缘的。

该系统优选地构造成具有上述半导电层和上述绝缘层，每个绝缘层均围绕并完全封装每个半导电层。然而，在另一个可能的实施例中，引下线连接器仅包括绝缘层，而不包括首先提到的半导电层。

根据第一方面的另一实施例，引下线连接器包括预制的半导电插入件，其在半导电层之间围绕互连的端子布置。

引下线的半导电层提供的保护跨越引下线连接器，该引下线连接器借助于连接器的绝缘材料的内表面的与电缆的半导电材料接触的预制半导电插入件来保持。

插入件优选地由半导电聚合物制成。当端子互连并且预制的半导电插入件围绕互连的端子布置时，在两个分开的引下线电缆部分之间保持住这种连续性。据此，将引下线连接器的端子电连接。

当进行连接并且将预制的半导电插入件布置在端子上时，在整个连接器上/跨连接器完全地保持/含有电绝缘层并且将电绝缘层连接至相应的电缆，并且预制的半导电插入件用作电晕减小层。

电晕放电是由诸如带电导体周围的流体如空气的电离引起的放电。除非注意限制电场强度，否则高压系统中自然会发生自发电晕放电。

在一个优选的实施例中，预制的半导电插入件构造为管状插入件，该管状插入件具有纵向狭缝，从而使得该插入件能够被缠绕在互连的端子周围。在另一个可能的实施例中，插入件包括半导电带，该半导电带缠绕并完全封装互连的端子。在另一个优选的实施方式中，预制的半导电插入件与第一半导电层部分地重叠。这种重叠增强了端子的电绝缘，并使电晕放电最小化。

根据第一方面的另一个实施例，引下线连接器包括：

第一外部绝缘保护套，其连接至第一引下线电缆部分并围绕该第一引下电缆部分，该第一外部绝缘保护套布置为至少部分地封装预制的半导电插入件；

第二外部绝缘保护套，其连接至第二引下线电缆部分并围绕该第二引下线电缆部分，第二外部保护套布置为至少部分地封装预制的半导电插入件并与第一外部绝缘保护套匹配/配合。

内部金属部件、端子和电缆芯的电绝缘通过加入外部绝缘保护套得到进一步增强，外部绝缘保护套优选包括高介电材料如介电聚合物。第一外部绝缘保护套和第二外部绝缘保护套的配合确保了端子的保护性封装和电绝缘。

根据第一方面的又一实施例，第二外部绝缘保护套与第一外部绝缘保护套部分重叠，

第一和第二外部绝缘保护套具有互锁机构，该互锁机构布置用于将外部保护套互锁，从而将端子和预制的半导电插入件完全地封装。

通过使外部绝缘保护套具有重叠部分并使其加入用于将外部绝缘保护套互锁的锁定机构，能甚至进一步地增强所有内部金属部件的电绝缘性。

这种重叠和互连导致引下线连接器具有的介电强度等于或大于引下线本身的介电强度。

根据第一方面的另一实施例，绝缘层的外表面包括与外部保护套的内部阶梯状轮廓相对应的阶梯状轮廓，从而限制外部保护套在每个引下线电缆部分上的、朝端子的方向的运动。

外部绝缘保护套的内部阶梯状轮廓与绝缘层的外部阶梯状轮廓的配合限制了外部绝缘保护套在引下线电缆部分的纵向方向上的朝端子方向的运动，从而增强了外部绝缘保护套的锁定和电绝缘。

根据第一方面的另一实施例，连接系统包括可滑动的端部密封件如密封环，用于将外部保护套布置成与电缆部分不透水地连接，该端部密封件布置在引下线电缆部分的端部中的每一者上并且分别布置在电缆与第一和第二外部保护套之间。

引下线连接系统优选结合有集成的环境端密封件，以防止水分和污染物进入电缆接口和两个互连的端子。

根据第一方面的又一实施例，连接系统包括用于将连接系统固定在风力涡轮机叶片上的夹持元件，

夹持元件具有结合表面和一定数量的夹持元件，该结合表面用于与所述风力涡轮机叶片的一部分结合，该一定数量的夹持元件用于至少部分地封装/包围外部保护套并将连接系统夹持在风力涡轮机叶片上。

引下线连接系统结合有单独的夹持系统，该夹持系统可通过粘合剂或其他合适的连接手段结合到风力涡轮机叶片结构上。该夹具具有通过夹持元件实现的锁定特征，该夹持元件在雷电防护系统的使用寿命内将引下线连接系统保持在适当的位置。因此，就快速和可靠地安装雷电防护系统而言，这些特征为风力涡轮机制造商提供了显著的优势。在另一替代实施例中，夹具可集成到外部绝缘保护套中的一者或两者中。

根据本发明的第二方面，上述目的和优点是通过以下方式获得的：

一种适于保护风力涡轮机叶片免受雷击的雷电防护系统，该防护系统包括引下线电缆，该引下线电缆适于沿风力涡轮机叶片的纵向方向延伸并连接至风力涡轮机叶片的根部端，该雷电防护系统具有一定数量的接闪器，该一定数量的接闪器电连接至所述引下线电缆并沿所述引下线电缆的长度分布，其中，引下线电缆是具有引下线连接系统的模块化的引下线电缆。

根据第二方面的另一实施例，雷电防护系统包括多个引下线连接系统。

为了以快速和可靠的方式将雷电防护系统布置在各种长度的风力涡轮机叶片中，该系统可包括任何合适数量的引下线连接器，以便连接雷电防护系统的多个模块。

根据本发明的第三方面，上述目的和优点是通过以下方式获得的：

一种用于布置引下线连接系统的方法，该方法包括以下步骤：

·提供一定数量的端子；

·提供一定数量的引下线电缆部分；

·将这些端子的第一端部连接至相应引下线电缆部分的一个端部；

·围绕这些端子的第一端部和这些电缆部分的端部分别布置半导电层；

·沿所述风力涡轮机叶片的纵向方向将各自均带有端子的所述一定数量的引下线电缆部分布置在所述风力涡轮机叶片的内部；和

·通过使端子的第二端部连接而使至少两个相邻的电缆部分互连。

根据第三方面的另一个实施例，该方法进一步包括：

围绕半导电层布置绝缘层，以使端子和引下线电缆部分之间的连接是绝缘的。

根据第三方面的另一实施例，该方法进一步包括：

在半导电层之间或绝缘层之间，围绕被连接的端子布置预制的半导电插入件。

根据第三方面的另一实施例，该方法进一步包括：

将第一和第二外部绝缘保护套布置在相邻的电缆部分上；通过相互锁定而将第一和第二外部绝缘保护套互锁，从而封装/包围所述端子。

根据第三方面的另一个实施例，该方法进一步包括：

提供用于结合至所述风力涡轮机叶片的一部分的夹具；和将所述连接系统夹持到所述夹具。

在一个替代实施例中，引下线连接系统可通过使用其他合适的固定构件连接至风力涡轮机叶片的内部。该系统可通过使用例如合适的托架而被结合到叶片的内部或者引下线电缆部分的一部分可层压到叶片的内部部件/内部部分/内部上。

完整的连接器由此安装在风力涡轮机叶片中。根据特定安装要求，该系统可以实现包含任何数量的连接系统的雷电防护系统。

附图说明

现在将通过实施例的示例并参考非常示意性的附图来更详细地解释本发明，其中：

图1示出了引下线连接系统的透视图。

图2A-2D示出处于部分组装状态的引下线连接系统的透视图。

图3A-3B示出了组装的引下线连接系统的透视图。

图4示出了外部绝缘保护套的组装的透视图。

图5显示了引下线连接系统的透视图。

图6示出了引下线连接系统的横截面。

图7示出了具有雷电防护系统的风力涡轮机叶片的透视图，该雷电防护系统包括引下线连接系统。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以不同的形式实施，并且不应解释为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。贯穿全文，相似的附图标记指代相似的元件。因此，将不再关于每个附图的描述来详细描述相似的元件。

图1示出了引下线连接系统10的透视图。尽管未示出夹具，但图示的引下线连接系统10已充分组装。所示的引下线连接系统10包括两个引下线电缆部分12，该两个引下线电缆部分12的一个端部相互互连，并且示出具有相对的自由端，该自由端在图示的实施例中是非绝缘的。引下线电缆部分12的非绝缘的端部部分30(未示出)布置为经由另一引下线连接系统10连接至另一相对的引下线电缆部分或者其适于连接至接闪器。

引下线电缆12被示出为通过第一和第二外部绝缘保护套26、28互连，从而完全封装内部的互连端子14(未示出)。此外，示出了绝缘层22，该绝缘层22从连接系统的内部延伸至外部，并且与引下线电缆部分的外表面部分地重叠。在优选的替代实施例中，第一和第二外部绝缘保护套26、28还封装所述绝缘层的端部。在图中，第一和第二外部绝缘保护套26、28之间的连接由示出为卡口式锁的集成的锁定机构38建立。替代地，可将外部绝缘保护套26，28制造成不具有集成的锁定机构38，并且因此，其可通过其他合适的锁定机构如螺钉机构、外部机械锁定元件、或缠绕在邻接的外部绝缘保护套26、28上的半导电条带来实现这两个绝缘保护套26、28之间的相互连接。

图2A-2D示出处于部分组装状态的引下线连接系统10的透视图。这些图示出了在引下线部分12互连之前的引下线连接系统10的部分。

图2A示出了引下线电缆部分12的非绝缘的端部部分30上的端子14的连接。每个端子14均包括第一端部和第二端部，该第一端部用于连接至相对的端子14，该第二端部包括用于接纳引下线电缆部分12的非绝缘的端部部分30的开口。引下线部分的端部优选地通过压接工艺或例如通过焊接连接至端子14的开口端。

图2B示出端子14布置在引下线电缆部分12的端部上，并且示出非绝缘的端部部分30的剩余部分仍暴露在端子14和绝缘的电缆部分12之间。被暴露的非绝缘的端部部分30可能会根据生产公差而有所不同，但要求剩余的被暴露的非绝缘的端部部分30尽可能少。

图2C示出半导电层20布置在绝缘的引下线电缆部分12和端子14的过渡区域上。半导电层20与端子14部分地重叠，从而完全覆盖任何被暴露的非绝缘的端部部分30，并且优选地还与绝缘的引下线电缆部分12的一部分重叠。在基本实施例中，半导电层20不与绝缘的电缆部分12重叠，而仅罩住非绝缘的电缆部分30，并且部分地罩住端子14。

图2D示出了布置在半导电层20的顶部并封装半导电层20的另外的绝缘层22。可替代地，绝缘层22仅部分地封装半导电层20。绝缘层22优选地与绝缘的引下线电缆部分12的一部分重叠，从而在引下线电缆部分12与端子14之间布置过渡部，以增强电绝缘。

图3A-3B示出了正在组装的引下线连接系统的透视图。

图3A示出了两个相对的端子14之间的可能的连接。每个端子14均可包括一定数量的孔(示出为两个孔)，其中每个孔均与相对的端子14的对应的孔对准，使得当两个端子14相对于彼此正确地布置时，锁定机构18、19如螺栓18能布置成穿过所述孔并且通过配合螺母19固定在适当的位置。为螺栓18和螺母19的锁定机构18、19的所示实施例仅示出了将两个端子互连的若干可能的实施方式中的一种。其他合适的实施例包括螺钉、锁爪、胶、或其中每个端子14的连接表面均包括与相对的端子14的突出元件互锁的突出元件的另一替代实施例。

图3B示出了被连接的两个端子14，并且示出了准备好围绕连接的端子14插入的预制的半导电插入件24。预制的半导电插入件24被示出为具有贯通的纵向狭缝的管状元件，使得预制的半导电插入件24能围绕互连的端子14包裹/包封/缠绕。

图4示出了外部绝缘保护套26、28的组装的透视图。

该图示出了将相对的引下线电缆部分12互连的可能的最终步骤。预制的半导电插入件24被示出布置在互连的端子14(未示出)上方。端部密封件32和第一或第二外部绝缘保护套布置在预制的半导电插入件24的每一侧/两侧上。在所示的实施例中，每个端部密封件32移动至与绝缘层22的阶梯状轮廓邻接，并且第一和第二外部绝缘保护套26、28移动至彼此互锁连接，从而将预制的半导电插入件24完全封装。

图5示出了布置在夹具34中的引下线连接系统10的透视图。示出了引下线连接系统10处于其中连接系统10布置在夹具34中的位置。在该实施例中，夹具34设置有平坦的基部，该平坦的基部用于通过适当的连接机构连接至风力涡轮机叶片的内部。该基部包括一定数量的突出元件36，用于围绕第一和第二外部绝缘保护套26、28的一部分进行夹持。夹具34可包括适当数量的夹持元件36，用于夹持绝缘保护套26、28和/或引下线电缆部分12。或者，夹具34可与绝缘保护套之一集成在一起。

图6示出了引下线连接系统的剖视图，并且清楚地示出了各个元件之间的相互关系。该图示仅仅是基本的可能的实施例，因此各个部分的布置可以变化。

图7示出了具有风力涡轮机叶片的风力涡轮机的透视图，该风力涡轮机叶片具有包括引下线连接系统的雷电防护系统。该图是风力涡轮机叶片的可能实施例的示意图，该风力涡轮机叶片具有在风力涡轮机叶片的纵向方向上从末梢端延伸到根部端46的引下线40。雷电防护系统包括布置在引下线40的端部处的末梢端接闪器42和一定数量的侧面接闪器44，所述多个侧面接闪器电连接至引下线40并沿引下线40的长度分布。图中所示的实施例示出了具有两个引下线连接系统10的雷电防护系统；然而，在雷电防护系统中可采用任何更多数量的连接系统10，或者仅采用一个连接系统10。

在下文中给出了在本发明的详细描述中以及在本发明的详细描述中所参考的附图中使用的附图标记的列表。

10.引下线连接系统

12.引下线电缆部分

14.端子

16.连接表面

18.锁定机构

19.锁定机构

20.半导电层

22.绝缘层

24.预制的半导电插入件

26.第一外部绝缘保护套

28.第二外部绝缘保护套

30.非绝缘的电缆部分的端部

32.端部密封件

34.夹具

36.夹持元件

38.外部绝缘保护套的锁定机构

40.引下线

42.末梢端接闪器

44.侧面接闪器

46.叶片的根部端