一种风电叶片用避雷系统的制作方法

本技术涉及风力发电，涉及一种避雷系统，特别是一种风电叶片用避雷系统，能够有效避雷，实现了引雷的稳定性、导雷的安全性、避雷的有效性，避免了叶片受雷击破坏，提高了风力发电的可靠性和社会效益。

背景技术：

1、风电叶片是风力发电机组的关键部件，其性能和质量直接影响风力发电机组的发电效率和安全性。风电叶片通常安装在山地、高海拔区域、沿海区域等风能资源丰富的地区，这些区域通常发生雷电等极端天气，雷击是风电叶片的主要破坏因素之一，会导致风电叶片的结构损伤、功能失效、甚至起火。因此，避雷系统成为避免风电叶片免受雷击的解决方案。

2、目前，风电叶片的避雷系统通常包括引雷部件、导雷部件和接地部件。引雷部件用于吸引雷电并将其引入导雷部件，导雷部件用于将雷电导流至接地部件，接地部件用于将雷电释放至地面。现有的风电叶片的避雷系统中，通常使用接线端子、接闪器底座、线夹等配件连接电缆线与引雷部件(如：叶尖接闪器、叶中接闪器等)、导雷部件(如：金属法兰等)，这些连接部件的数量和种类的增加，增加了避雷系统的复杂度和成本，也导致连接区域的增加及同一区域因使用多个部件而增加了电阻及接触不良的风险，导致连接处在雷击过程中快速产生大量的热量，可能导致叶片内腔内残留水(如雨水、冷凝水等)汽化膨胀而破坏风电叶片的结构完整性，甚至导致风电叶片的起火或爆炸。此外，叶中接闪器通常为一定直径的铝柱，其引雷面积较小，通常导致雷击在铝柱附近的型面，而不是铝柱本身，这样会造成风电叶片的表面烧蚀或熔穿，影响风电叶片的强度和气动性能。另外，叶中接闪器通过接线端子、接闪器底座等部件固定连接，导致产生热量较多，可能损坏风电叶片的内部结构或材料。

3、同时，随着风电叶片长度的增加(目前陆上叶片已经达到百米级别)，叶尖区域内腔越来越小，而叶尖区域的避雷保护也越来越重要，因为叶尖区域是风电叶片最易受雷击的部位。叶尖内腔结构胶粘接情况也至关重要，因为内腔结构胶是风电叶片的主要承力结构之一，其粘接质量直接影响风电叶片的强度和耐久性。然而，从叶根区域使用无损检测装置很难检测到叶尖内腔的粘接情况，即使能够检测的话，检测成本也较高、检测难度也较大，而且检测结果也不一定准确。而实体结构的叶尖为避免叶片在高速转动的情况因离心力被甩出，通常在叶片合模过程中进行粘接以确保牢固性，导致也无法从叶尖区域使用无损检测装置进行叶尖内腔结构胶粘接情况的检测。

4、还需要指出的是，现有技术中，在叶片叶尖区域通常设有排水孔(也称排气孔)以使叶片内腔气流平衡并排除内腔聚集水，这样可以避免内腔气压过高或过低而导致风电叶片的变形或破裂。排水孔通常通过在叶片型面进行钻孔制备，但这样会对叶尖结构进行了一定的破坏，降低了叶尖的强度和刚度，也增加了叶尖的雷击风险，因为排水孔可能成为雷电的入口或出口，导致雷电在叶尖区域产生更大的破坏力。而在叶片尾缘区域，为降低叶片转动过程中产生的噪音对当地的影响，通常粘接塑料的降噪锯齿，但塑料材质易受风沙等冲击破坏、高温环境也易发生变形，影响降噪锯齿的效果和寿命。另外，降噪锯齿也可能增加叶片尾缘的雷击风险，因为降噪锯齿的形状和位置可能吸引雷电或干扰避雷系统的正常工作。

5、鉴于以上情况，开发一种更高效、可靠的风电叶片避雷系统，以应对当前技术中存在的问题和挑战，而提高风电叶片的避雷保护效果，降低风电叶片的雷击风险，提高风电叶片的安全性和可靠性，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、(一)实用新型所要解决的技术问题

2、为克服现有风电叶片用避雷系统所存在的上述技术问题，为解决风电叶片的避雷保护效果不佳、雷击风险较高、安全性和可靠性较低等问题，尤其是采用传统方法安装所存在的连接不可靠、雷击时多部件间产生过量热量导致的风险、叶尖内腔结构胶粘接情况难以检测、叶尖结构易受破坏以及叶片型面的潜在破坏等上述的缺陷和不足，本实用新型旨在提供一种风电叶片用避雷系统，通过电缆线与叶尖接闪器的直接连接以及螺柱与螺纹套的直接连接，显著减少了雷击时的热量生成。同时，框架的中空结构设计使得无损检测设备可以更容易且低成本地检测到叶尖内腔的粘接状况。叶尖设置的特定角度通孔，既防止了叶片型面的破坏，又能防止外界砂石等进入，并保持叶片内腔的气流平衡，有效排除内腔聚集的水分。此外，锯齿采用金属材质，具有较强的抗风沙冲击性能和较高的耐温性能，且内置电热丝可用于除冰，从而适应雷电频发、人群密集等区域安装的风电叶片的需求。本实用新型通过上述系统设置和结构安排，实现了风电叶片避雷系统引雷的稳定性、导雷的安全性、避雷的有效性，提高了风力发电的可靠性和社会效益。

3、(二)为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：

4、一种风电叶片用避雷系统，至少包括一叶尖部、一框架部、一尾缘锯齿部、一法兰部、一电缆线部，其中，

5、所述叶尖部，至少包括分体设置并采用相同金属材质制备的一叶尖接闪器和一翼型过渡部件，其中，

6、所述叶尖接闪器为一锥状结构体，其底面中心处设有一电缆线卡接凹槽，其外表面上至少设有两用于固定叶尖接闪器于翼型过渡部件的接闪器连接孔；

7、所述翼型过渡部件为一截头锥状结构体，其顶面与所述叶尖接闪器的底面相适配，且其顶面上至少设有两用于与所述叶尖接闪器连接孔相适配的过渡部连接孔，其中心处设有一螺柱安装通孔，所述螺柱安装通孔中设有一过渡部中空螺柱，所述过渡部中空螺柱的末端伸出于所述翼型过渡部件的底面，并且所述翼型过渡部件的锥形外表面的一侧区域设有若干排水通孔，且所述翼型过渡部件在各排水通孔延伸至其底面的部分加工形成为排水孔凹槽；

8、所述叶尖接闪器与翼型过渡部件通过各所述接闪器连接孔、过渡部连接孔并借助紧固件实现二者之间的固定连接；

9、所述框架部为一与所述叶尖部具有相同材质且两端开口的中空金属结构件，至少包括一框架壳体和一体成形在所述框架壳体内并设置在中心位置附近的一电缆连接腹板，其中，

10、所述框架壳体的顶部端面适配于所述翼型过渡部件的底面，其外形曲面适配于叶片主体部的叶尖内腔表面，并固定设置在所述叶片主体部的叶尖内腔中，且所述框架壳体的顶部端面与所述叶片主体部的叶尖端面平齐，

11、所述电缆连接腹板的中心处设有一螺纹通孔，所述翼型过渡部件基于该螺纹通孔及其过渡部中空螺柱实现与所述框架部之间的固定连接，并且设置在所述翼型过渡部件上的各排水通孔、排水孔凹槽与所述框架部的内腔连通；

12、所述尾缘锯齿部至少包括一锯齿段，其弦向自由端加工形成为呈波浪形分布的多个锯齿，其弦向根部固定设置在所述叶片主体部的弦向尾缘的外侧表面，且在其临近弦向根部的展向两端面上分别设有导雷线连接孔，所述导雷线连接孔用于将导雷金属线的一端固定连接于所述锯齿段，所述导雷金属线的另一端直接或间接与所述电缆线部连接；

13、所述法兰部为一固定安装在叶片主体部叶根区域内腔中的金属法兰结构件，其在展向上面向叶尖一侧的端面上加工设置有电缆线法兰连接孔；

14、所述电缆线部整体设置在所述叶片主体部的内腔中，并至少包括一主电缆线，所述主电缆线的一端大致沿叶片展向延伸并穿过所述框架部中电缆连接腹板的螺纹通孔后固定于所述叶尖部中翼型过渡部件的过渡部中空螺柱中，且其末端部分穿过所述过渡部中空螺柱延伸固定于所述叶尖接闪器底面的电缆线卡接凹槽，所述主电缆线的另一端大致沿叶片展向延伸并在其末端固定设置于所述法兰部的电缆线法兰连接孔中。

15、作为本实用新型的优选方案，所述尾缘锯齿部中，每一所述锯齿段的展向两端面上还分别设有至少一电热丝连接孔，且各所述电热丝连接孔在弦向上的设置位置位于各所述导雷线连接孔的外侧，所述电热丝连接孔用于将电热丝的一端固定连接于所述锯齿段，所述电热丝的另一端与设置在叶片主体内腔中的电源连接，用于在在寒冷条件下加热所述锯齿段以防止或消除叶片上的冰积，从而提高叶片的运行效率和安全性。

16、作为本实用新型进一步优选的方案，所述电缆线部还包括若干分支电缆线，各所述分支电缆线的一端与所述主电缆线连接、另一端固定有螺纹套，各所述螺纹套一一适配固定连接于其对应的引雷螺柱中，各所述引雷螺柱通过结构胶粘接的方式固定且密封地设置在所述叶片主体部的弦向尾缘壳体的引雷螺柱安装孔中，各所述引雷螺柱安装孔一一对应于所述尾缘锯齿部中的各锯齿段，且每一所述锯齿段的弦向根部区域均加工设置有至少一与所述引雷螺柱安装孔相对应的引雷螺柱通孔，且各所述引雷螺柱通孔的孔径与引雷螺柱的外径相适配，各所述引雷螺柱以良性接触的方式穿过锯齿段上对应的引雷螺柱通孔后固定设置在叶片主体部壳体的引雷螺柱安装孔中，且每一所述锯齿段中的导雷金属线与其上的引雷螺柱连接，用于将雷击所产生的电流通过各所述引雷螺柱从锯齿段传导至对应的分支电缆线。

17、作为本实用新型进一步优选的方案，所述引雷螺柱的两侧以对称的方式设有两沿其长度方向延伸的缺口深槽，两所述缺口深槽的槽宽略大于电热丝直径，每一所述锯齿段展向两端的电热丝通过该锯齿段上对应设置的引雷螺柱两侧的缺口深槽进入叶片主体的内腔中，且每一所述缺口深槽的底部设有绝缘层，以隔离电热丝与所述引雷螺柱之间的电气接触，防止电热丝与所述引雷螺柱发生短路或产生电弧。

18、作为本实用新型进一步优选的方案，所述引雷螺柱在完成安装后，其顶面略高于所述锯齿段主体表面的高度且被加工形成为圆弧曲面，以增加所述引雷螺柱与锯齿段表面之间的接触面积并提高雷电能量的接收和传导效率。

19、作为本实用新型进一步优选的方案，各所述分支电缆线末端固定设置的螺纹套，其整体为柱状金属结构件并与所述引雷螺柱具有相同的金属材质，且沿其长度方向包括位于其上部的实心圆柱段和位于其下部的空心套接段，其中，所述实心圆柱段的外径与所述引雷螺柱底部中空内腔的内径相适配，且所述实心圆柱段的外表面加工设置有外螺纹，且外螺纹段距离实心圆柱段顶端的长度不小于实心圆柱段整体长度的三分之一，所述引雷螺柱底部中空内腔侧壁加工设置有内螺纹，所述实心圆柱段通过其外螺纹固定连接于所述引雷螺柱底部的中空内腔，所述空心套接部的内径与分支电缆线的末端外径相适配以实现二者之间的紧固连接。

20、作为本实用新型的优选方案，每一所述锯齿段展向两端的上表面设有大致呈“∞”型的榫槽并通过与所述榫槽相适配的榫头以实现相邻两锯齿段在展向上的连接和固定，且各所述榫槽的底部设有对称分布的螺纹孔，各相应榫头置于榫槽后通过螺纹紧固件实现二者之间的紧固连接。

21、作为本实用新型的优选方案，所述框架部中，其框架壳体表面上设有若干引雷螺柱螺纹孔，所述叶片主体部的壳体表面上设有若干与所述电缆线通孔一一对应的引雷螺柱安装孔，并通过所述引雷螺柱安装孔及对应的引雷螺柱螺纹孔固定设置有若干引雷螺柱，每一所述引雷螺柱的末端伸入所述框架壳体的内腔后与所述电缆线部中设置的与主电缆线连接的分支电缆线固定连接，用于将雷击产生的电流从叶片主体部壳体表面传导至所述电缆线部。

22、作为本实用新型进一步优选的方案，所述框架部中还设置有纵向腹板，所述纵向腹板上设置有与框架壳体表面上的引雷螺柱螺纹孔一一对应的电缆线过线孔，所述电缆线过线孔的孔径与所述分支电缆线的线径相适配，各所述分支电缆线穿过对应的电缆线过线孔后与框架壳体及叶片主体部壳体表面上设置的引雷螺柱相连接。

23、作为本实用新型的优选方案，所述框架部中，其框架壳体外表面通过喷涂金刚砂或制备波浪形浅槽的方式形成为框架外形粗糙面，且框架壳体整体呈前小后大的锥台结构以适配于叶片主体部的叶尖内腔表面，以利于增强框架壳体与叶片主体部的粘接强度和结构稳定性，防止框架壳体在雷击或风力作用下发生位移或脱落。

24、作为本实用新型进一步优选的方案，所述框架部中，其框架壳体的内侧上端面边缘设有斜角以利于叶片内部的空气流动和水分排出，且所述斜角的倾角与所述叶片主体部的叶尖内腔表面的倾角相一致，从而保证框架壳体与叶片主体部的紧密贴合和无缝连接。

25、作为本实用新型的优选方案，所述翼型过渡部件中，其过渡部中空螺柱的内腔尺寸与主电缆线的线芯直径相适配，且主电缆线线芯在叶尖接闪器位置处处理为椭圆形，所述叶尖接闪器底面中心处的电缆线卡接凹槽处理为与椭圆形电缆线线芯相适配。

26、作为本实用新型的替代方案，所述叶尖部中的翼型过渡部件与叶尖接闪器加工形成为一体结构，所述电缆线部中设置的分支电缆线线芯的末端通过框架壳体表面上的引雷螺柱与框架部固定连接，其主电缆线线芯与设置在所述翼型过渡部件底面的中空螺柱固定连接并充分接触。

27、作为本实用新型的优选方案，所述法兰部中，其电缆线法兰连接孔设置为半圆形或方形孔，且所述半圆形或方形孔沿深度方向呈由大到小的结构。

28、作为本实用新型的优选方案，所述叶尖部、框架部、锯齿部以及用于引雷的各螺柱部件均为相同金属材质。

29、(三)同现有技术相比，实用新型所能达到的技术效果

30、(1)本实用新型的风电叶片用避雷系统，由叶尖、框架、锯齿、法兰、电缆线、螺柱等结构和部件组成，通过叶尖、锯齿、螺柱引雷，法兰、电缆线导雷。相比现有技术，通过电缆线与叶尖接闪器直接相连、螺柱与螺纹套直接连接，减少雷击时多部件产生的热量，降低了由于雷电引起的叶片损害风险。相比之下，现有技术中电缆线与叶尖接闪器之间需要通过多个连接件进行连接，螺柱与螺纹套之间也需要通过多个连接件进行连接，这些连接件在雷击时会产生大量的热量，导致防雷系统的温升和热应力增加，影响防雷系统的稳定性和可靠性。

31、(2)本实用新型的风电叶片用避雷系统中，框架设置为中空结构，无损装置可以较容易、低成本检测到叶尖内腔粘接情况，及时发现并处理叶尖内腔的脱胶、裂纹等问题，保证叶尖内腔的完整性和密封性，防止雷击时的电弧或火花对叶尖内腔造成损伤。相比之下，现有技术中框架设置为实心结构，无损装置难以检测到叶尖内腔粘接情况，无法及时发现并处理叶尖内腔的脱胶、裂纹等问题，导致叶尖内腔的完整性和密封性降低，增加雷击时的电弧或火花对叶尖内腔造成损伤的风险。此外，本实用新型的框架部作为中空金属结构件，一方面提供了叶片内部的结构支撑，另一方面，其设计中的电缆连接腹板和电缆线通孔，为电缆线的安装和连接提供了便利。这种设计相比现有技术，大幅度降低了叶片内部电缆线的安装难度，简化了制造和维护过程。特别是框架壳体表面的粗糙处理，提高了与叶片其他部分的粘接效果，提升了整体结构的稳定性和耐久性。

32、(3)本实用新型的风电叶片用避雷系统中，叶尖设有一定角度的排水通孔，避免叶片型面的破坏，防止外界砂石等进入，同时可使叶片内腔气流保持平衡并排除内腔聚集水，从而保证叶片的流线型设计和防雷系统的导电性能。相比之下，现有技术中的排水孔一般设置在叶片型面上，破坏了叶片型面的平滑性，增加空气阻力，降低叶片的效率，同时容易让外界砂石等进入，影响防雷系统的导电性能，还容易使叶片内腔气流不平衡并积聚水分，增加叶片的重量和腐蚀风险。

33、(4)本实用新型的风电叶片用避雷系统中，锯齿为金属材质，具有较强的抗风沙冲击性能及较高的耐温性能，同时金属锯齿还增加了引雷的面积，提高了防雷系统的接闪能力。此外，锯齿内设电热丝，可以通过加热进行除冰，防止锯齿表面积累冰雪，影响防雷系统的导电性能和接闪能力，同时也保证了叶片的流线型设计和效率，这在寒冷或多雪的地区尤为重要，确保叶片在恶劣天气条件下的正常运行。相比之下，现有技术中锯齿段内一般无引雷线及电热丝，无法进行除冰，容易在低温环境下积累冰雪，导致防雷系统的导电性能和接闪能力降低，同时也破坏了叶片的流线型设计和效率。

34、(5)本实用新型的风电叶片用避雷系统，特别适用于雷电较多、人群密集等区域安装的风电叶片。这些地区通常对风电叶片的安全性和可靠性要求更高，本实用新型的设计特点使得它特别适合这些环境，提供了更高的安全保障和更好的经济效益。