特開 2024-158348 風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置及び断線箇所検知方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158348

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置及び断線箇所検知方法

(51)【国際特許分類】

   G01R 31/08 20200101AFI20241031BHJP

   G01R 31/58 20200101ALI20241031BHJP

   G01R 31/54 20200101ALI20241031BHJP

   F03D 1/06 20060101ALI20241031BHJP

【ＦＩ】

G01R31/08

G01R31/58

G01R31/54

F03D1/06 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073480

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000123354

【氏名又は名称】音羽電機工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107423

【弁理士】

【氏名又は名称】城村 邦彦

(74)【代理人】

【識別番号】100120949

【弁理士】

【氏名又は名称】熊野 剛

(72)【発明者】

【氏名】廣岡 征紀

(72)【発明者】

【氏名】稲崎 弘次

(72)【発明者】

【氏名】阿部 毅人

(72)【発明者】

【氏名】篠村 和磨

【テーマコード（参考）】

2G014

2G033

3H178

【Ｆターム（参考）】

2G014AA02

2G014AB08

2G014AB33

2G033AA01

2G033AB01

2G033AC01

2G033AD19

2G033AD21

2G033AE06

2G033AF01

3H178AA03

3H178AA22

3H178AA43

3H178BB56

3H178CC02

3H178DD52X

3H178DD70X

(57)【要約】

【課題】比較的簡単な構成で風車ブレードの外部からダウンコンダクタの断線箇所を精度良く検知することができる断線箇所検知装置及び断線箇所検知方法を提供する。
【解決手段】電圧発生器５で所定周波数の交流電圧を発生させ、その交流電圧をレセプタ３ｂ１を介してダウンコンダクタ３ｂ２に印加する。この状態で、風車ブレード３ｂの外部に配置した電圧センサ６を風車ブレード３ｂの長手方向Ｌに沿って移動させながら、電圧センサ６により風車ブレード３ｂの外部からダウンコンダクタ３ｂ２の電圧を検出する。ダウンコンダクタ３ｂ２に断線箇所Ｘがある場合、断線箇所Ｘよりも先端部側の領域Ｌ１では、電圧センサ６により電圧が検出され、断線箇所Ｘよりも基端部側の領域Ｌ２では、電圧センサ６により電流が検出されない。領域Ｌ１と領域Ｌ２の境界から断線箇所Ｘを検知することができる。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

風車ブレードの内部に配置され、前記風車ブレードの長手方向に沿って延びるダウンコンダクタの断線箇所を検知するための断線箇所検知装置であって、
所定の周波数を持った電圧を発生させる電圧発生器と、前記風車ブレードの外部に配置され、前記風車ブレードの長手方向に沿って移動可能な非接触型の電圧センサとを備え、
前記電圧発生器で発生させた電圧を前記ダウンコンダクタの一端部の側又は他端部の側から前記ダウンコンダクタに印加し、前記電圧センサを前記風車ブレードの長手方向に沿って移動させながら、前記電圧センサにより前記風車ブレードの外部から前記ダウンコンダクタの電圧を検出し、前記風車ブレードの長手方向の一の領域で電圧が検出され、他の領域で電圧が検出されないとき、前記一の領域と前記他の領域との境界から前記ダウンコンダクタの断線箇所を検知することを特徴とする風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置。

【請求項2】

前記電圧発生器は、前記風車ブレードの先端側に位置する前記ダウンコンダクタの先端部の側から前記ダウンコンダクタに前記電圧を印加する請求項１に記載の風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置。

【請求項3】

前記電圧発生器は、前記風車ブレードの基端側に位置する前記ダウンコンダクタの基端部の側から前記ダウンコンダクタに前記電圧を印加する請求項１に記載の風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置。

【請求項4】

前記電圧発生器は、周波数が異なる電圧を発生可能であり、前記電圧センサは、前記周波数が異なる電圧を検出可能である請求項１から３の何れか一項に記載の風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置。

【請求項5】

風車ブレードの内部に配置され、前記風車ブレードの長手方向に沿って延びるダウンコンダクタの断線箇所を検知するための断線箇所検知方法であって、
前記ダウンコンダクタの一端部の側又は他端部の側から前記ダウンコンダクタに所定の周波数を持った電圧を印加し、
前記風車ブレードの外部に配置した非接触型の電圧センサを前記風車ブレードの長手方向に沿って移動させながら、前記電圧センサにより前記風車ブレードの外部から前記ダウンコンダクタの電圧を検出し、前記風車ブレードの長手方向の一の領域で電圧が検出され、他の領域で電圧が検出されないとき、前記一の領域と前記他の領域との境界から前記ダウンコンダクタの断線箇所を検知することを特徴とする風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所を検知する断線箇所検知装置及び断線箇所検知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

風力発電装置の風車ブレードには、風車ブレードを落雷から保護するためにレセプタ（受雷部）が設けられている。レセプタは風車ブレードの先端部や中間部に設けられ、風車ブレードの内部に設けられたダウンコンダクタ（引き下げ導線）に電気的に接続されている。ダウンコンダクタは、風車タワーに電気的に接続され（風車タワーの内部に引き下げ導線を配置している場合は、当該引き下げ導線に電気的に接続されることがある。）、レセプタに着雷した際の雷電流は、レセプタ→ダウンコンダクタ→風車タワーという経路で大地へ放出される。

【0003】

経年劣化や落雷等により、風車ブレードのダウンコンダクタに断線が発生すると、落雷時にダウンコンダクタの断線箇所で放電が起こり、風車ブレードの破損に繋がる。このため、風力発電設備の定期点検指針が２０１７年４月に改訂され、風車ブレードのダウンコンダクタについて導通試験等を行い、健全性（断線の有無）を確認することが義務付けられた。

【0004】

ダウンコンダクタの断線及び断線箇所を検知するために様々な手法が提案されてきた。例えば、特許文献１では、ダウンコンダクタの基端から先端のレセプタに向けてステップ波形状の検査信号を注入し、ダウンコンダクタ側の電圧または電流波形を観測し、この波形を非断線時における波形と比較して断線を検知すると共に、上記の電圧または電流波形が変化する時刻と光速とを用いてダウンコンダクタの断線箇所を検知している。また、特許文献２では、ダウンコンダクタの基端と、ダウンコンダクタに沿って延在するように配置される計測線の基端を、それぞれＴＤＲ検査装置に接続し、ＴＤＲ検査装置から計測線及びダウンコンダクタの間にＴＤＲ信号を注入し、ＴＤＲ信号の反射結果に基づいてダウンコンダクタの断線を検知すると共に、ＴＤＲ信号の反射結果を示す波形において、ＴＤＲ信号の注入時からＴＤＲ信号の反射波が到達するまでの到達時間に基づいてダウンコンダクタの断線箇所を検知している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－２９３５１号公報

【特許文献2】特開２０２１－２５８５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１、２では、ダウンコンダクタの断線箇所を検知するにあたり、検査信号の発生時刻から、検査信号の電圧波形又は電流波形の変化点（断線箇所に対応）の時刻までの時間に基づいて、検査信号の印加点（検査信号発生装置の信号出力端子）からダウンコンダクタの断線箇所までの距離を算出している。この算出距離は、検査信号発生装置の信号出力端子から、検査信号が注入されるダウンコンダクタの端部に到る距離を含んでいるから、ダウンコンダクタの断線箇所を特定するためには、検査信号発生装置の信号出力端子とダウンコンダクタの端部との間の距離を計測して、上記の算出距離から差し引く必要がある。しかし、地上側に在る検査信号発生装置と高所に在る風車ブレードのダウンコンダクタとの間で正確な距離計測を行うことは難しい。そのため、計測誤差が生じ易く、この計測誤差により、ダウンコンダクタの断線箇所の検知精度が低下する。

【0007】

本発明の課題は、比較的簡単な構成で風車ブレードの外部からダウンコンダクタの断線箇所を精度良く検知することができる断線箇所検知装置及び断線箇所検知方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、本発明は、風車ブレードの内部に配置され、前記風車ブレードの長手方向に沿って延びるダウンコンダクタの断線箇所を検知するための断線箇所検知装置であって、所定の周波数を持った電圧を発生させる電圧発生器と、前記風車ブレードの外部に配置され、前記風車ブレードの長手方向に沿って移動可能な非接触型の電圧センサとを備え、前記電圧発生器で発生させた電圧を前記ダウンコンダクタの一端部の側又は他端部の側から前記ダウンコンダクタに印加し、前記電圧センサを前記風車ブレードの長手方向に沿って移動させながら、前記電圧センサにより前記風車ブレードの外部から前記ダウンコンダクタの電圧を検出し、前記風車ブレードの長手方向の一の領域で電圧が検出され、他の領域で電圧が検出されないとき、前記一の領域と前記他の領域との境界から前記ダウンコンダクタの断線箇所を検知することを特徴とする風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知装置を提供する。

【0009】

また、上記課題を解決するため、本発明は、風車ブレードの内部に配置され、前記風車ブレードの長手方向に沿って延びるダウンコンダクタの断線箇所を検知するための断線箇所検知方法であって、前記ダウンコンダクタの一端部の側又は他端部の側から前記ダウンコンダクタに所定の周波数を持った電圧を印加し、前記風車ブレードの外部に配置した非接触型の電圧センサを前記風車ブレードの長手方向に沿って移動させながら、前記電圧センサにより前記風車ブレードの外部から前記ダウンコンダクタの電圧を検出し、前記風車ブレードの長手方向の一の領域で電圧が検出され、他の領域で電圧が検出されないとき、前記一の領域と前記他の領域との境界から前記ダウンコンダクタの断線箇所を検知することを特徴とする風車ブレード用ダウンコンダクタの断線箇所検知方法を提供する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、比較的簡単な構成で風車ブレードの外部からダウンコンダクタの断線箇所を精度良く検知することができる断線検知装置及び断線検知方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】風力発電装置を模式的に示す図である。

【図2】第１の実施形態に係る断線箇所検知装置を概念的に示す図である。

【図3】電圧センサに含まれるＬＣ共振回路を示す図である。

【図4】電圧発生器の発生電圧の電圧波形と電圧センサの検出電圧の電圧波形を示す図である。

【図5】電圧発生器の発生電圧の電圧波形と電圧センサの検出電圧の電圧波形を示す図である。

【図6】第１の実施形態に係る断線箇所検知装置において、ダウンコンダクタに断線があった場合の状態を示す図である。

【図7】第２の実施形態に係る断線箇所検知装置を概念的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0013】

図１は、風力発電装置を模式的に示している。風力発電装置は、大地Ｇ上に立設された風車タワー１と、風車タワー１の上部に取り付けられたナセル２と、ナセル２の一端部に回転可能に取り付けられた風車ロータ３とを主要な要素として構成される。ナセル２の内部には、発電機、電気回路、制御盤等の所要の電気機器類が収容される。風車ロータ３は、ハブ３ａと、ハブ３ａに放射状に取り付けられた複数本、例えば回転方向に等間隔で取り付けられた３本の風車ブレード３ｂとで構成され、ハブ３ａがナセル２内の発電機の回転軸に連結される。風車ロータ３が風力を受けて回転すると、その回転がハブ３ａを介してナセル２内の発電機に入力され、これにより発電機が回転して発電が行われる。

【0014】

風車ブレード３ｂは、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の絶縁材料で中空状に形成される。また、各風車ブレード３ｂの先端部にレセプタ３ｂ１が設けられ、各風車ブレード３ｂの内部にダウンコンダクタ３ｂ２が配置される。レセプタ３ｂ１とダウンコンダクタ３ｂ２は金属等の導電材料で形成され、風車ブレード３ｂの先端側に位置するダウンコンダクタ３ｂ２の先端部はレセプタ３ｂ１に電気的に接続され、風車ブレード３ｂの基端側に位置するダウンコンダクタ３ｂ２の基端部は風車タワー１に電気的に接続される。風車ブレード３ｂのレセプタ３ｂ１に着雷した際の雷電流は、レセプタ３ｂ１→ダウンコンダクタ３ｂ２→風車タワー１という経路で大地Ｇへ放出される。

【0015】

図２は、第１の実施形態に係る断線箇所検知装置を概念的に示している。この実施形態の断線箇所検知装置は、所定の周波数（例えば数百ｋＨｚ）を持った電圧、例えば所定周波数の交流電圧を発生させる電圧発生器５と、風車ブレード３ｂの外部に配置され、風車ブレード３ｂの長手方向Ｌに沿って移動可能な非接触型の電圧センサ６とを備えている。電圧発生器５の出力端子はレセプタ３ｂ１に電気的に接続され、電圧発生器５の接地端子は風車タワー１に電気的に接続される。電圧発生器５で発生させた電圧は、レセプタ３ｂ１を介してダウンコンダクタ３ｂ２の先端部の側からダウンコンダクタ３ｂ２に印加される。

【0016】

電圧センサ６は、例えば、図３に示すようなＬＣ共振回路（インダクタＬとコンデンサＣを並列接続した回路等）を含んでおり、共振周波数と同じ又は近接した周波数を持つ電圧が印加された電圧印加線の電圧を、電圧印加線と非接触で検出する機能を有している。電圧の検出精度を高める観点から、電圧センサ６の共振周波数（検知周波数）と、電圧発生器５で発生させる電圧（ダウンコンダクタ３ｂ２に印加する電圧）の周波数を同じにするのが望ましい。

【0017】

ダウンコンダクタ３ｂ２の断線および断線箇所の検知は以下の態様で行う。

【0018】

まず、電圧発生器５で所定周波数の交流電圧を発生させ、その交流電圧をレセプタ３ｂ１を介してダウンコンダクタ３ｂ２に印加する。この状態で、風車ブレード３ｂの外部に配置した電圧センサ６を風車ブレード３ｂの長手方向Ｌに沿って移動させながら、電圧センサ６により風車ブレード３ｂの外部からダウンコンダクタ３ｂ２の電圧を検出する。尚、電圧センサ６は、風車ブレード３ｂの外面に接触するように配置してもよいし、風車ブレード３ｂの外面から所定距離だけ離間するように配置してもよい。

【0019】

図４、図５（ａ）及び（ｂ）は、電圧発生器５の発生電圧を２０Ｖ、５０ｋＨｚ、電圧センサ６の検知周波数を５０ｋＨｚに設定した場合に観測される電圧発生器５の発生電圧の電圧波形Ｗ１と電圧センサ６の検出電圧の電圧波形Ｗ２を示している。図４は、図２に示すように、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線がない場合の電圧波形、図５（ａ）及び（ｂ）は、図６に示すように、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線箇所Ｘがある場合の電圧波形である。

【0020】

ダウンコンダクタ３ｂ２に断線がない場合（図２）、電圧発生器５から出力した電流はダウンコンダクタ３ｂ２を通って風車タワー１に流れ、風車タワー１を経由して大地Ｇへ放出される。そのため、図４に示すように、電圧発生器５の発生電圧は電圧降下して、その電圧波形Ｗ１はほぼ平坦な形状になる。この電圧波形Ｗ１の形状から、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線がないことが確認できる。ダウンコンダクタ３ｂ２に断線がないことが確認できれば、電圧センサ６による電圧検出は行わなくてもよい。

【0021】

一方、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線箇所Ｘがある場合（図６）、電圧発生器５から出力した電流はダウンコンダクタ３ｂ２に流れないため、電圧発生器５の発生電圧の電圧降下は発生しない。そのため、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、電圧発生器５の発生電圧の電圧波形Ｗ１は交流電圧の波形（正弦波形）になる。また、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘよりも先端部側の領域Ｌ１では、ダウンコンダクタ３ｂ２に電圧が発生するため、図５（ｂ）に示すように、電圧センサ６の検出電圧の電圧波形Ｗ２も交流電圧の波形（正弦波形）になる。これに対して、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘよりも基端部側の領域Ｌ２では、ダウンコンダクタ３ｂ２に電圧が発生しないため、図５（ａ）に示すように、電圧センサ６の検出電圧の電圧波形Ｗ２はほぼ平坦な形状になる。従って、図５（ａ）及び（ｂ）に示す電圧波形から、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線があることを検知することができると共に、領域Ｌ１と領域Ｌ２の境界から断線箇所Ｘを検知することができる。

【0022】

この実施形態の断線箇所検知は、電圧発生器５で発生させた電圧をダウンコンダクタ３ｂ２に印加し、電圧センサ６を風車ブレード３ｂの長手方向Ｌに沿って移動させながら、電圧センサ６により風車ブレード３ｂの外部からダウンコンダクタ３ｂ２の電圧を検出して、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線の有無および断線箇所Ｘの位置を検知するものである。これにより、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘを風車ブレード３ｂの外部から精度良く検知することができる。また、ダウンコンダクタ３ｂ２に電圧を印加するに際し、ダウンコンダクタ３ｂ２の基端部の側を風車タワー１から取り外す必要がないので、検知作業も容易である。

【0023】

図７は、第２の実施形態に係る断線箇所検知装置を概念的に示している。この実施形態の断線箇所検知装置では、ダウンコンダクタ３ｂ２の基端部の側を風車タワー１から一時的に取り外して、電圧発生器５の出力端子に接続し、電圧発生器５の接地端子に接地線を接続している。電圧発生器５で発生させた電圧は、ダウンコンダクタ３ｂ２の基端部の側からダウンコンダクタ３ｂ２に印加される。

【0024】

この実施形態の断線箇所検知装置では、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線の有無に係らず、電圧発生器５の発生電圧に電圧降下が発生しないため、電圧発生器５の発生電圧の電圧波形Ｗ１は、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような交流電圧の波形（正弦波形）になる。一方、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線箇所Ｘがある場合、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘよりも基端部側の領域Ｌ３では、ダウンコンダクタ３ｂ２に電圧が発生するため、電圧センサ６の検出電圧の電圧波形Ｗ２は、図５（ｂ）に示すような交流電圧の波形（正弦波形）になる。これに対して、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘよりも先端部側の領域Ｌ４では、ダウンコンダクタ３ｂ２に電圧が発生しないため、電圧センサ６の検出電圧の電圧波形Ｗ２は、図５（ａ）に示すようなほぼ平坦な形状になる。従って、図５（ａ）及び（ｂ）に示すような電圧波形から、ダウンコンダクタ３ｂ２に断線があることを検知することができると共に、領域Ｌ３と領域Ｌ４の境界から断線箇所Ｘを検知することができる。その他の事項は第１の実施形態に準じるので、重複する説明を省略する。

【0025】

以上に説明した実施形態の断線箇所検知装置において、周波数が異なる電圧（例えば数百ｋＨｚの電圧と数百Ｈｚの電圧）を発生可能な電圧発生器５と、電圧発生器５で発生させた周波数が異なる電圧を検出可能な電圧センサ６とを用いてもよい。ダウンコンダクタ３ｂ２に印加する電圧の周波数を高くすると、電圧を非接触で検出できる距離が大きくなるため、風車ブレード３ｂの材料厚み等による、ダウンコンダクタ３ｂ２と電圧センサ６との離間距離の影響を小さくすることができる。また、周波数の小さい電圧（例えば数十ｋＨｚ）を印加する場合に比べて、印加電圧を小さくすることができる。一方、電圧の周波数を高くし過ぎると、静電誘導の影響により、検出距離が広がりすぎて、電圧センサ６の検出精度が粗くなり、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘの検知精度が低下する。ダウンコンダクタ３ｂ２に印加する電圧の周波数を状況に応じて適宜に選択することにより、ダウンコンダクタ３ｂ２の断線箇所Ｘを非接触で精度良く検知することができる。

【0026】

また、風車ブレード３ｂの回転周波数に合わせたロックインアンプを電圧センサ６に取り付けるようにしてもよい。これにより、検出電圧に含まれるノイズを除去して、断線箇所Ｘの検知精度を高めることができる。

【0027】

電圧センサ６の長手方向Ｌへの移動は作業者が手動で行ってもよいし、あるいは、電圧センサ６を自動的に移動させる機構を風車ブレード３ｂに装着して、電圧センサ６を遠隔操作で長手方向Ｌに移動させるようにしてもよい。

【0028】

また、断線箇所Ｘの検知を簡易的に行う場合は、電圧センサ６として、市販されている非接触型の検電器を用いてもよい。

【符号の説明】

【0029】

１ 風車タワー
２ ナセル
３ 風車ロータ
３ａ ハブ
３ｂ 風車ブレード
３ｂ１ レセプタ
３ｂ２ ダウンコンダクタ
５ 電圧発生器
６ 電圧センサ
Ｌ 風車ブレードの長手方向
Ｘ 断線箇所

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】