专利名称：用于检测雷电的系统和方法
技术领域：
本发明一般而言涉及雷电检测系统，更特别地涉及用于风力涡轮 才几的雷电检测系统。
背景技术：
雷电是自然界中的一种随机现象。雷电参数根据地理条件以及雷
电在其强度和对对象的冲击(impact )方面的性质而变化。根据应用， 存在不同的雷电检测技术。特别地， 一般来说风力涡轮机遭受雷击的 风险高，因为它们被优先放置在高且多风的位置处以便实现高生产 率。
一般来说，存在两种可以与风力涡轮机一起在市场上买到的通常 使用的雷电检测系统。其中一种检测系统是基于磁化的原理。该检测 系统包括位于风力涡轮机叶片的不同部分中的磁卡，以便检测所通过 的雷电电流。在雷电冲击之后，利用一个读卡器单元人工地读出所述 磁卡，以便测量电流峰值。然而，该系统不能检测在两次磁卡读取的 周期之间闪击(strike)风力涡轮机的雷电序列的数目。
另 一种检测系统在风力涡轮机应用中包括固定在风力涡轮机塔的 主体上的小天线。所述天线被用来检测通过该风力涡轮机塔的雷电电 流和场。来自所述天线的信号从电信号被变换成光学信号，并且通过 光纤被传送到一个控制盒。该控制盒的输出表示雷电冲击。然而，在 大多数情况下，该系统必须由一个确认信号复位，并且无法自动识别 受到影响的叶片。
前面提到的雷电检测系统仅仅记录雷电事件的出现，而不记录雷 电事件参数或冲击的定位。因此，需要一种可以解决上面所述的一个 或多个问题的改进的雷电检测系统。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种雷电检测系统。该雷电检测系 统包括导体，该导体被配置成接收雷击并且传送由雷电引起的电流。
该系统还包括光纤电流传感器，该光纤电流传感器被配置成从所述由 雷电引起的电流中检测多个雷电参数，并且响应于其而调制辐射束。 该系统还包括电光模块，该电光模块被配置成接收来自该光纤电流传 感器的该辐射束，并且将该束转换成电信号。
根据本发明的另一方面，提供一种雷电检测方法。该方法包括通 过设置在对象表面上的导体来接收雷电。该方法还包括通过光纤电流 传感器检测所述雷电。该方法还包括通过电光模块把从该光纤电流传 感器接收到的辐射束转换成电信号。该方法还包括通过数据处理单元 测量多个雷电参数。
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其他的特 征、方面以及优点将变得更好理解，其中相同的附图标记在整个附图
中表示相同的部件，其中
图1是根据本发明一个实施例的示例性雷电检测系统的方框图表示。
图2是根据本发明一个实施例的包括光纤传感器网络的示例性雷 电检测系统配置的方框图表示。
图3是根据本发明一个实施例的安装有图1的雷电检测系统的风 力涡轮机叶片系统的示意图。
图4是表示在根据本发明一个实施例的用于检测雷电参数的示例 性方法当中所涉及的步骤的流程图。
具体实施例方式
如下面详细描述的那样，本发明的各实施例提供一种用于检测雷 电的系统以及 一 种用于检测雷电的方法。通过测量多个雷电参数来检 测雷电。在此使用的雷电参数的一些非限制性实例包括雷电电流、由 该雷电电流引起的磁场以及雷电在对象上的冲击点的定位。所述系统 包括用于检测所述雷电参数的传感器，其例如是基于入射在该传感器 上的辐射束的法拉第旋转。在此使用的术语"法拉第旋转"是基于被 称作法拉笫效应的原理，其中，在电磁场的影响下，在显示出磁光效 应的材料中传播的线性偏振光的偏振面经受一定角度的旋转。该旋转
角与平行于所述辐射束的传播方向的磁场分量成比例。
在如图1中所示的本发明的所示实施例中描绘了雷电检测系统10 的方框图表示。雷击12闪击对象14。通过该对象14的雷电电流16 经由该对象14内的导体18传导。光纤传感器22被设置成与导体18 相邻，以便检测该雷电电流16。该光纤传感器22被配置成接收来自电 光模块28的辐射束24。在一个非限制性的实例中，该辐射束24可以 包括其波长在可见光、红外和紫外范围内的辐射。在一个示例性实施 例中，所述电光模块28可以包括把辐射束24引导到光纤传感器22的 光源。在另一个示例性实施例中，该电光模块28可以包括增强对所述 辐射束24中的法拉第旋转的检测的一个或多个偏振器和分析器。随着 经由所述导体18传导的雷电电流20通过所述光纤传感器22，所述辐 射束24经受由于所引起的雷电电流20而导致的法拉笫旋转。来自该 光纤传感器22的所得到的辐射束26通过所述电光模块28被转换成电 信号30。该电信号30被进一步输入到数据处理单元32，该数据处理 单元32输出雷电参数。在一个非限制性的实例中，该数据处理单元32 可以具有至少约2MHz的采样率。
在本发明的一个示例性实施例中，所述光纤传感器22可以是光纤 晶体或光纤线團。在光纤晶体配置中，所述系统IO测量与通过该晶体 传播的辐射束24平行的由雷电引起的磁场。该光纤晶体被设置在所述 对象14中的导体18的附近。可以从所述入射的辐射束24的偏振面的 旋转来直接测量所述由雷电引起的磁场，所述偏振面旋转也被称作法 拉笫旋转并且由等式l给出
e>(A，7) = F(;i,r)J"iw/ (i)
其中，0表示法拉笫旋转的角度，A表示光的波长，T是温度，「是光 纤晶体的Verdet常数，以及^是沿传播路径/的磁场强度。在一个非 限制性的实例中，所述晶体可以由具有高Verdet常数的光学透明的铁 磁晶体材料制成，比如钇铁石榴石和钆铁石榴石。在此提到的材料的 术语"Verdet常数"被定义为作为对于相应材料的法拉第效应的强度 的量度的光学常数。测量的灵敏度随着Verdet常数的增大而提高。所 述光纤电流传感器22可以被配置成测量高达约150mT的磁场，并且可 以支持高达约lOOOmT的磁场而不会损坏。
在光纤线圈配置中，所述系统10测量由雷电引起的电流16。在此使用的术语"由雷电引起的电流"是指由雷击导致的电流。在该实施
例中，光纤线團22被缠绕在所述对象14的导体18周围。在线團22 中存在由雷电电流16引起的磁场的情况下，所述辐射束24的偏振面 在所述光纤线圈内旋转通过的角度由等式2给出 0 =離 (2 )
其中，V是Verdet常数，N是所述光纤线圏22中的匝数，以及I是雷 电电流16。为了在输出信号中获得期望的信噪比，需要所述线圏中的 匝数的最佳值。
图2示出另一个示例性雷电检测系统配置40的方框图表示。该雷 电检测系统40包括多个如在图1中所称的光纤传感器22,所述多个光 纤传感器形成光纤传感器网络52。该光纤传感器网络52允许检测雷击 在对象上的定位冲击。所述各光纤传感器22可以被设置成彼此相距最 佳距离。在一个示例性实施例中，所述各光纤传感器22可以被设置成 彼此相距10米左右。当雷电闪击如图1中所称的对象14上的冲击点 时，经由导体18传导通过该对象14的雷电电流可以通过所述各光纤 传感器22被检测到。所述检测的灵敏度随着所述各传感器与所述冲击 点的距离的减小而提高。所述雷电检测系统40还包括光源42，该光源 42发射入射在每一个光纤传感器22上的辐射束44。当雷电闪击对象 时，所述各光纤传感器22检测所述入射的辐射束44中的法拉第旋转。 来自每一个光纤传感器22的所得到的辐射束46被入射到多个电光模 块48或光电转换器48上，其把所述辐射束46转换成电信号50。然后 由图1中所称的数据处理单元32处理来自每个电光模块48的电信号 50，该数据处理单元输出雷电参数。
在如图3中所示的本发明的又一个实施例中描绘了安装有图1的 雷电检测系统40的风力涡轮机叶片系统60的示意图。通常假设对象 受到雷击的风险随着该对象的高度的平方而提高。在高度典型地是 110m左右的风力涡轮机的情况下，涉及到更高的雷击风险。如图3中 所示的风力涡轮机叶片系统60包括设置在每个风力涡轮机叶片62上 的如图2中所称的一系列光纤传感器22。所述各光纤传感器22被设置 成彼此相距某一距离，以便测量所述叶片62上的各冲击点。当雷电12 闪击该叶片62时，雷电电流通过该叶片62中的导体64，该导体传送 由雷电引起的电流。在一个实例中，所述导体64可以是铝线。在所述
风力涡轮机叶片系统60的中心68处的电磁隔离盒66中设置一个如图 2中所称的包括光源的电光模块28，其生成到所述各光纤传感器22上 的辐射束。所述各光纤传感器22检测所述雷电电流，并且把经受法拉 第旋转的相应的辐射束传送到电光模块28。该电光模块28把来自每个 光纤传感器22的辐射束转换成电信号，该电信号进一步由如图2中所 称的数据处理单元32处理。
为了提取雷电参数，在所述风力涡轮机叶片62底部的传感器可能 就足够了。然而，如图3所示，为了期望的测量可靠性和冲击点在该 叶片62上的定位，需要多个光纤传感器22。所述各光纤传感器22被 设置成彼此相距最佳距离，以便达到用于确定所述风力涡轮机叶片62 上的沖击点的所期望的分辨率。在一个示例性实施例中，所述各光纤 传感器22可以被设置成彼此相距大约10米。
为了确定相邻光纤传感器22之间的最佳距离以及获得定位分辨率 所依赖的不同参数，考虑下面的最坏情况。假设雷电闪击靠近一个光 纤传感器的所述叶片62的中部。在最坏的情况下，位于朝向该叶片62 的边缘的方向上的相邻光纤传感器将能够测量最小的由雷电引起的磁 场。各光纤传感器22之间的最大距离可以由等式3给出
其中，//表示所述光纤传感器的磁导率，/^表示将由相邻传感器检测 到以用于定位的最小雷电电流，以及ln是由该相邻传感器测量的最小 的由雷电引起的磁场。因此，在被称作ln的低雷电强度的情况下，相 邻光纤传感器22之间的距离更大，从而导致更大的传感器网络。
图4是表示在用于检测雷电参数的示例性方法70中所涉及的步骤 的流程图。该方法70包括在步骤72中通过导体接收雷电，该导体正
在引导来自对象的表面的雷电电流。通过该导体的雷电引起雷电电 流，该雷电电流在步骤74中通过各光纤传感器被检测到。所述各光纤
传感器基于对应于由雷电引起的电流的辐射束的法拉第旋转来调制所 述辐射束。在步骤76中，该辐射束通过电光模块被转换成电信号。该 方法70还包括在步骤78中通过数据处理单元来测量多个雷电参数。 在一个实例中，步骤78可以包括测量由雷电引起的电流和磁场。夸一 个特定实施例中，步骤78可以包括通过多个光纤电流传感器测量会电
冲击的定位。在另一个实施例中，步骤78中的测量可以包括在至少约 2MHz的速率下对数据进行采样。
虽然在此仅仅说明并描述了本发明的某些特征，但是本领域技术 人员将想到许多修改和改变。因此应当理解，所附权利要求书打算覆 盖落在本发明的真实精神内的所有的这种修改和改变。
附图标记列表
10 雷电检测系统
12 雷击
14 对象
16 雷电电流
18 导体
22 光纤传感器
24 辐射束
26 经过法拉第旋转的束
28 电光模块
30 电信号
32 数据处理单元
40 示例性雷电检测系统
42 光源
44 入射的辐射束
46 所得到的束
48 电光模块
50 电信号
52 光纤传感器网络
60 风力涡轮机叶片系统
62 风力涡轮机叶片
64 导体
66 电磁隔离盒
68 风力涡轮机叶片系统的中心
70 用于检测雷电的方法
72 接收雷电
74 检测雷电
76 把辐射束转换成电信号
78 测量雷电参数
权利要求
1、一种雷电检测系统(10)，包括导体(18)，其被配置成接收雷击(12)并且传送由雷电引起的电流(16)；光纤电流传感器(22)，其被配置成从所述由雷电引起的电流(16)中检测多个雷电参数，并且响应于其而调制辐射束(24)；以及电光模块(28)，其被配置成从该光纤电流传感器(22)接收所述辐射束(24)并且将其转换成电信号(30)。
2、 根据权利要求l所述的雷电检测系统(10),其中，所述多个 雷电参数包括电流和所引起的磁场的至少其中之一。
3、 根据权利要求l所述的雷电检测系统(10)，其中，所述光纤 电流传感器(22)被配置成测量高达约150mT的磁场。
4、 根据权利要求l所述的雷电检测系统(10),还包括数据处理 单元(32)，该数据处理单元被配置成输出表示雷电参数的信号。
5、 根据权利要求l所述的雷电检测系统(10)，还包括多个光纤 传感器(22)，所述光纤传感器被配置成测量雷电冲击的定位。
6、 一种雷电检测方法(70)，包括通过导体接收雷电(72)，该导体引导来自对象的表面的雷电电流；通过光纤电流传感器来检测所述雷电(74); 通过电光模块把从该光纤电流传感器接收到的辐射束转换成电信 号(76);以及通过数据处理单元测量多个雷电参数(78)。
7、 根据权利要求6所述的方法，其中，所述检测(74)包括测量 来自光源的入射光的偏振面的法拉笫旋转。
8、 根据权利要求6所述的方法，其中，所述测量(78)包括测量由雷电引起的磁场。
9、 根据权利要求6所述的方法，其中，所述测量(78)包括测量 由雷电引起的电流。
10、 根据权利要求6所述的方法，其中，所述测量(78)包括通过 多个光纤电流传感器(22)来测量雷电冲击的定位。
全文摘要
提供一种用于雷电检测的系统(10)。该雷电检测系统(10)包括导体(18)，该导体被配置成接收雷击(12)并且传送由雷电引起的电流(16)。该系统(10)还包括光纤电流传感器(22)，该光纤电流传感器被配置成从所述由雷电引起的电流(16)中检测多个雷电参数，并且响应于其而调制辐射束(24)。该系统(10)还包括电光模块(28)，该电光模块被配置成从该光纤电流传感器(22)接收所述辐射束(24)并且将其转换成电信号(30)。
文档编号G01R29/08GK101109778SQ20071013733
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月20日 优先权日2006年7月21日
发明者S·克雷默 申请人:通用电气公司