Шина блискавковідводу вітролопаті

Реферат: Шина блискавковідводу вітролопаті з полімерного композиту вбудована у поверхню лопаті та електрично з'єднана з блискавкоприймачем. Вона являє собою еластичну стрічку, яка складена з 2-4 електрично зв'язаних шарів сітки із структурою трикотажу з пучка 2-5 мідних дротів діаметром 0,08-0,12 мм. UA 97496 U (12) UA 97496 U UA 97496 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до вітроенергетики та може бути використана для заземлення вітролопатей, що виготовлені з полімерних композиційних матеріалів. При ураженні розрядом блискавки матеріал лопаті отримує пошкодження у вигляді розшарування і наскрізного пробою. Зменшити руйнування можна за рахунок застосування системи блискавкозахисту, що сприймає навантаження дії блискавки та через шину блискавковідводу безпечно відводить заряд з лопаті на землю через систему заземлення вітроагрегату. Усі існуючі системи блискавкозахисту спрямовані на збільшення рівня поверхневої електро- та теплопровідності композиту, які треба реалізувати також в шині блискавковідводу вітролопаті. Існує спосіб ефективного відводу струму блискавки за допомогою кабелів. Так, наприклад, відвід струму блискавки з поверхні лопаті на землю може відбуватися за допомогою кабелю, внутрішня частина якого складається з мідного дроту (діаметром 4,5 мм), що покритий напівпровідниковим матеріалом, а зовні - шаром ізоляції [Патент US 2012/032 1468А1, МПК F03D 11/00, опубл. 20.12.2012]. Недоліком аналога є висока трудомісткість виготовлення такого кабелю. В іншій конструкції кабелю для відводу блискавки з лопаті на землю провідник складається з багатьох накладених один на одного мідних дротів, які через кілька напівпровідникових шарів оточені мідним екраном та покриті поліетиленом, що є зовнішньою електроізоляційною оболонкою [Патент ЕР 1112448В1, МПК F03D 11/00, опубл. 02.07.2003]. Недоліком аналога є складність конструкції кабелю, низька технологічність уведення його в матеріал лопаті та велика вартість. Найближчим аналогом до заявленої корисної моделі є застосування як струмовідводних шин плоских металевих стрічок. Так, наприклад, фірма DEHIN (www.dehin.de) виготовляє провідну стрічку у вигляді полоси із міді шириною 20 мм і товщиною 2,5 мм. Такі стрічки заземлення можуть бути прокладені на поверхні лопаті. Вони електрично з'єднані з блискавкоприймачем, таким чином забезпечуючи стікання заряду через шину блискавковідводу в землю. Недоліком цього аналога є те, що перетин такої полоси невеликий, а це недостатньо для ефективного струмовідводу. Крім цього полоса при з'єднанні її з полімерним матеріалом не має достатньої адгезії і при дії блискавки можливе розшарування композиту. Також виготовлення шини з незахищеного від корозії матеріалу зменшує термін її експлуатації. В основу корисної моделі поставлена задача створення такої шини заземлення вітролопаті, що забезпечує підвищений струмовідвід по її перерізу, меншу масу, технологічність при виготовленні, підвищені адгезію до полімерного композиту та корозійну стійкість. Суть корисної моделі шини блискавковідводу вітролопаті полягає в тому, що вона являє собою еластичну стрічку з трикотажного матеріалу, яка складається з 2-4 електрично зв'язаних шарів сітки із структурою трикотажу. Сітка виготовлена з пучка 2-5 мідних дротів діаметром 0,08-0,12 мм. При цьому поверхні зовнішніх шарів сітки мають профіль із виступів дротових петель, а петлі кожного шару нероз'ємно контактують між собою і з петлями суміжних шарів. Це створює пористий каркас на поверхні дротів, з яких він виготовлений. В зазорах між петлями трикотажної структури та на поверхні дротів присутній легкоплавкий припій. Шар легкоплавкого припою надає можливість в процесі його розплавлення та випаровування при перегріві зменшити термічне навантаження, полегшити деформаційну релаксацію шини в композиті та забезпечити її цілісність. Шина блискавковідводу вітролопаті має ширину від 30 до 400 мм. Слід зазначити, що особливістю трикотажної петельної структури сітки є дволицьовий трикотаж. Він має розташування короткозамкнених, електрично зв'язаних між собою петельних чарунок сітки в двох площинах - лицевій та виворітній, що забезпечує наявність індуктивної складової струму в сітці. Ця складова збільшується при зростанні кількості шарів сітки в шині блискавковідводу, що сприяє блискавкозахисту. При ударі блискавки в лопать вітроагрегату максимальне значення імпульсу струму може досягати 200±10 % кА, яке він набирає за час менше, ніж 50 мкс. При цьому загальна тривалість імпульсу не перевищує 500 мкс. При проходженні такого імпульсу струму по шині блискавковідводу теплове навантаження шини (активний опір) дорівнює: t2 Q   i 2 t dt  R , t1 1 UA 97496 U t2 де R - активний електричний опір шини, Ом;  i 2 t dt - інтеграл дії імпульсу струму, A 2  c ; t1 t 2  t 1 - час дії імпульсу струму, сек. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При проходженні імпульсу струму блискавки по шині блискавковідводу, що заявляється, в ній індукується струм, магнітне поле якого протидіє напряму струму, що його визиває (правило Ленца). При цьому збільшується час проходження заряду блискавки і її струм не досягає свого максимуму. Це знижує інтеграл дії струму блискавки, призводить до зменшення активних теплових навантажень та захищає шину блискавковідводу від руйнування при менших значеннях площі її перетину. Трикотажна петельна структура дозволяє зменшити масу шини порівняно з суцільною металевою стрічкою, а за рахунок зовнішнього профілю та пористості шини зростає площа її поверхні і підвищується адгезія до зв'язуючого полімерного композиту лопаті. Покриття дротів сітки припоєм на основі олова та присутність цього припою між шарами сприяє покращенню електропровідності шини і підвищує її корозійну стійкість. Запропонована шина блискавковідводу вітролопаті дозволяє підвищити надійність струмовідводу до системи заземлення вітроагрегату за рахунок підвищення струмопровідності по перетину шини, площа якого може регулюватися числом шарів сітки (від 2 до 4). Ширина шини блискавковідводу вітролопаті обумовлена типом та розміром вітролопаті, що коливається від 30 до 400 мм. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 зображений загальний вигляд шини блискавковідводу вітролопаті. На фіг. 2 зображено фрагмент структури трикотажної сітки (а) і фрагмент структури шини (б). Шина блискавковідводу вітролопаті (фіг. 1) виготовлена на основі трикотажної металевої сітки, що являє собою дволицьовий трикотаж, в якому кожна лицева петля 1 розміщена між двох виворітних петель 2 (фіг. 2а). Особливістю вибраної структури сітки є те, що шина з цієї сітки стає еластичною, а в проміжках між спаяними петлями в шині розміщується зв'язуюче. Така еластична шина блискавковідводу спроможна повторювати форму поверхні лопаті зі складною конфігурацією її профілю. Сітка для шини блискавковідводу вітролопаті складається з пучка мідних дротів в кількості від 2 до 5 діаметром 0,08-0,12 мм, що покриті олов'яно-свинцевим припоєм. В шині блискавкопроводу в'язану сітку складено в декілька шарів, причому виступи петель одного шару входять до впадин суміжного шару. Таким чином, шина блискавковідводу є пористим каркасом шириною від 30 до 400 мм що додатково має прошарок сплаву припою 3 (фіг. 2б). При пропайці забезпечується електричне з'єднання шарів сітки та її петель. Запропонована шина блискавковідводу вітролопаті вітроагрегату дозволяє забезпечити надійність заземлення по довжині лопаті, забезпечити підвищений струмовідвід по перерізу шини. Пориста структура шини дозволяє знизити вагу в порівнянні з суцільною металевою шиною та поліпшити зв'язок з полімерним матеріалом лопаті. Покриття дроту олов'яносвинцевим припоєм та присутність цього припою в складеній в декілька шарів сітці забезпечує надійне електричне з'єднання петель трикотажної структури між собою та надає шині стійкість до корозії. Порівняно з металевою полосою при введенні еластичної шини в поверхню складної конфігурації не виникають труднощі, що пов'язані із щільним контактуванням сітки з полімерним композитом, який має криволінійну поверхню (навіть подвійної кривизни). Встановлення запропонованих шин блискавковідводів в конструкцію лопаті не призводить до зниження працездатності вітроагрегату та не підвищує рівень шуму. Ефективність запропонованої шини блискавковідводу вітролопаті для системи блискавкозахисту перевірялась при проведенні порівняльних розрядних випробувань з найближчим аналогом на сертифікованому розрядному стенді за режимом, який відтворює безпосереднє протікання струму блискавки по шині блискавковідводу від місця враження до комлевої частини вітролопаті і наближений до першого рівня захисту за стандартом ІEC 6140024. "Wind turbines - Part 24: Lightning protection", June 2010. Цей режим включав найбільш 6 2 напружену імпульсну компоненту з амплітудою 200±10 кА та інтегралом дії 2·10 ±20 % А ·с. Для випробувань були виготовлені склопластикові панелі розміром 350×350 мм, до верхнього шару яких були приформовані різні варіанти конструкції шин блискавковідводів тих же розмірів, що і панель - 350×350 мм. Результати випробувань наведені в таблиці. 2 UA 97496 U 5 10 15 Дані, які розміщені в таблиці, свідчать, що запропонована шина блискавковідводу завдяки наявності індуктивної складової при протіканні імпульсного струму імітованої блискавки не досягає максимального значення порівняно з найближчим аналогом (218 кА). Це зменшує теплове навантаження на шину блискавковідводу та запобігає її руйнуванню. Результати випробувань показують, що мінімальна кількість дротів в пучку сіток шини блискавковідводу та кількість шарів сіток в складі шини блискавковідводу повинні бути не менше двох. Якщо менше - це призводить в обох випадках до часткових ушкоджень шини. Збільшення кількості шарів вище 4-х недоцільно, тому що ускладнюється конструкція шини, зростає її вага та вартість. Збільшення кількості дротів в пучку вище 5-ти також недоцільно, тому що зменшення опору пучка дротів суттєво вже не впливає на рівень теплового навантаження шини блискавковідводу, при цьому її вага та вартість зростають. Таким чином, запропонована шина блискавковідводу вітролопаті, маючи зменшену масу, підвищену блискавкостійкість, високу технологічність при виготовленні, покращену адгезію до полімерного композиту та високу корозійну стійкість зможе забезпечити надійну експлуатацію системи блискавкозахисту вітролопатей протягом всього ресурсу роботи вітроустановок. Таблиця Результати випробувань на блискавкостійкість панелей розрядом, який відтворює пряме протікання струму блискавки вздовж шини блискавковідводу Устрій та властивості блискавковідводів ефекти кількіс кількіс вна № ть ть маса площа пан будова та склад дротів шарів шини, перети елі в сітки в г ну пучку шині шини, 2 мм 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Сітка в'язанопаяна з мідних дротів діаметром 0,08 мм, що вкриті припоєм ПОС61 Сітка в'язанопаяна з мідних дротів діаметром 0,12 мм, що вкриті припоєм ПОС61 Найближчий аналог: полоса з 11 міді розміром 20×2,5 мм 6 1 75 24,0 2 4 100 32,0 3 5 3 2 113 125 36,2 40,0 1 5 62 19,8 6 1 110 35,2 2 4 147 47,0 3 5 3 2 165 184 52,8 58,9 1 5 92 29,4 155 Характерис тики Результати випробувань електричний опір, розрядних мОм імпульсів розрахунко ефективн питомий ве ий наявність 6 поверхне Imax, ∫дії·10 , значення об'ємний ушкоджень 2 вий опір кА А ·с тепловиділ опір шини сітки ення на шини шині, Дж часткове 0,59 0,248 207 2,28 565 ушкодженн я без 0,44 0,186 187 1,45 269 ушкоджень 0,39 0,164 195 1,56 256 –"– 0,35 0,149 203 1,62 241 –"– часткове 0,70 0,300 182 1,43 429 ушкодженн я часткове 0,46 0,169 208 2,31 390 ушкодженн я без 0,34 0,127 185 1,52 193 ушкоджень 0,30 0,113 193 1,55 175 –"– 0,27 0,100 202 1,64 164 –"– часткове 0,55 0,200 180 1,51 302 ушкодженн я 50,0 0,126 218 2,41 303 часткове ушкодженн я ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 1. Шина блискавковідводу вітролопаті з полімерного композиту, що вбудована у поверхню лопаті та електрично з'єднана з блискавкоприймачем, яка відрізняється тим, що являє собою еластичну стрічку, яка складена з 2-4 електрично зв'язаних шарів сітки із структурою трикотажу з пучка 2-5 мідних дротів діаметром 0,08-0,12 мм. 3 UA 97496 U 5 2. Шина блискавковідводу вітролопаті за п. 1, яка відрізняється тим, що поверхні зовнішніх шарів сітки мають профіль із виступів дротових петель, а петлі кожного шару нероз'ємно контактують між собою і з петлями суміжних шарів. 3. Шина блискавковідводу вітролопаті за пп. 1, 2, яка відрізняється тим, що на поверхні дротів і в зазорах між петлями присутній легкоплавкий припій. 4. Шина блискавковідводу вітролопаті за пп. 1, 2, 3, яка відрізняється тим, що має ширину від 30 до 400 мм. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4