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专利名称：用于结构体上的雷击检测系统、装置和方法
技术领域：
本发明涉及结构体的雷电检测技术，并且更具体地涉及用于估计由于此雷电引起的结构体状况的系统、装置和方法。
背景技术：
诸如但不限于风力涡轮机、航空器、船舶结构体、通信塔或其它高的结构体的各种结构体可能会遇到由于例如雷击造成的放电。例如，由于风力涡轮机叶片的尺寸增大，风力涡轮机叶片越来越易于遭到雷击。而且，风力涡轮机叶片在遇到雷击时可能会受到不利影响。结果，由于需要相对长的停机周期来检查并进一步维修和/或更换受到影响的叶片或组件，因此这可能导致生产率降低。过去已经提出了几种可应用于风力涡轮机的雷电检测系统。此类系统的基本方法·是提供沿风力涡轮机的转子叶片的长度分布的几个磁和/或电场传感器，并测量沿着转子叶片的磁和/或电场强度。连接到磁和/或电场传感器的评估单元接收其测量信号，并计算对风力涡轮机的损坏，并且具体地计算由雷击引起的对转子叶片的损坏。然而，基于测量的磁和/或电场强度的评估不一定能估计风力涡轮机的各组件或部分的状况。为了满足上述需求，一种通用的检测系统利用位于风力涡轮机的各个部分上的磁卡，其中由雷击产生的磁场在磁卡的磁条上标记痕迹。此技术能够读到叶片遭受的最大雷电流。然而，该读取过程需要中止风力涡轮机的工作来手动读取。同样，该技术不能以雷击发生的顺序和/或时间记录几次雷击。而且，由于假设与相对低幅度的雷击相比，高幅度的雷电流可能导致对结构造成损坏的更大可能性，所以只有具有最高幅度的最近的雷击登记在磁卡上。例如，在幅度低于第一阈值(例如30kA)的雷电流的雷击情况下,雷击可能并不登记在磁卡上。相反地，在幅度高于第二阈值(比如大约50kA)的雷电流的雷击情况下，雷击可能登记在磁卡上。然而，在一段时间内出现的一系列低幅度雷击也可能导致对结构体造成损坏的潜在风险，但即使如此也不记录。解决关于前述磁卡系统缺陷的一种尝试可包括使用电子存储介质来登记雷击。然而，需要连续供电以保持存储数据，这使其不能安装在诸如风力涡轮机的叶片的旋转组件上。虽然，可充电/可更换电池可提供此类存储介质所需的电力，但需要在一段时间里连续更换电池使他们不适于很少并隔很久才进行人工干预的远程、近海应用。因此，需要可以解决上述列出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，提供了一种用于检测结构体上的雷击的集成电路。该集成电路包括从入射到结构体上的多次雷击提取雷电感应电流的处理单元。该集成电路进一步包括用于连续存储多次雷击中每次雷击的雷电感应电流的一个或多个样本的非易失性存储器。根据本发明的另一方面，提供了一种用于结构体的雷电检测和损坏估计系统。该系统包括避雷装置，其用于接收多次雷击，并产生所述多次雷击中每次雷击的雷电感应电流。耦连到所述避雷装置并安装在所述结构体上的集成电路包括非易失性存储器和损坏估计单元。非易失性存储器被配置成连续存储所述多次雷击中每次雷击的雷电感应电流的一个或多个样本。损坏估计单元被配置成基于对来自于所述非易失性存储器的所述多次雷击的雷电感应电流的存储样本历史进行分析来估计结构体状况。雷电检测系统进一步包括能量收集单元，其被配置成从所述雷电感应电流中收集能量，以为所述集成电路供电。根据本发明的另一方面，提供了一种在集成电路中用于检测结构体上的雷击的方法。该方法包括从与所述集成电路耦连的避雷装置上接收由多次雷击中每次雷击感应的电流；将多次雷击中每次雷击的雷电感应电流的一个或多个样本连续存储在非易失性存储器上。所述方法进一步包括基于对来自于所述非易失性存储器的多次雷击的雷电感应电流的存储样本历史进行分析来估计结构体状况。


在参考附图阅读详细描述后，可以更好地理解本发明的这些及其它特征、方法和·优点，在所有附图中相同符号表示相同部件，在附图中图I为根据本发明的实施例的示例性雷电检测系统的示意图。图2为根据本发明的实施例的在图I中包括集成电路的示例性雷电检测系统的框图。图3为图2中所用的示例性处理单元的框图。图4为根据本发明的实施例由图I中雷电检测系统产生的示例性雷电流波形在时域上的示意图。图5为图4中的雷电流波形在频域上的示意图。图6为根据本发明的实施例图I和图2的雷电检测系统中所用的示例性能量收集单元的框图。图7为根据本发明的实施例的雷电检测系统的示例性实施例的示意图。图8为表示根据本发明的实施例检测雷电的示例性方法中包括的步骤流程图。附图标记列表
100 雷电检测系统 510X轴
110雷电接受器520Y$5
115 结构体530电流尖峰
120 WW605感应雷电流
125避雷装置610电压调节器
127拾波线圈620输出电容器
130集成电路no风力涡轮机140远程服务站 p720Hf*
150722机舱区域
~160IIS724,725,726
170~~l&g730雷电接受器
180~~735避雷装置
210输入保护电路737拾波线圈
212电压输出740集成电路
220~~能量收集单元742感应电流·
230电力储存745输入保护电路
240处理单元747电流输出
242采样波形750能量收集单元
250非易失性存储器 755电力储存介质
260损坏估计单元756电流输出
270无线接口760处理单元
272无线介质766数字波形
280输出接口770闪速存储器
310时间戳发生器780组件集
320波形采集单元790无线接口
330时钟发生器792无线介质
340模-数转换器795输出接口
~~410Tm797远程服务站
420y$5Eo方法步骤
4301 820方法步骤
"140峰值电流830方法步骤
具体实施例方式如下文的详细描述，本发明的实施例提供一种用于检测雷击并估计由雷击造成的损坏的系统，以及一种用于检测雷击并估计由雷击造成的损坏的装置和方法。雷电是通过测量许多个雷电参数来检测的，雷电参数诸如但不限于雷电流和由雷电流感应的磁场。所述系统包括传导雷电流并基于例如电磁感应在与其耦连的抬波线圈中生成雷电感应电流的避雷装置。拾波线圈或者电磁感应线圈将雷电感应电流引导到集成电路以用于进一步处理。所述系统包括损坏估计单元，其基于集成电路中处理的数据估计由于雷电造成的损坏。在如图I所示的本发明的示例性实施例中，描述了一种用于结构体115的雷电检测系统100的示意图。雷电检测系统包括设置于结构体115上并易于受到雷击120的雷电接受器110。结构体115的非限制性实例包括风力涡轮机、航空器、船舶结构体、高大建筑物、烟囱、天线、无线塔架、石碑设施和桥梁。为了便于理解，将参照风力涡轮机结构体115来描述本发明的实施例，但是本说明书中的教导可同样适用于其它此类结构体。风力涡轮机115由多个旋转或非旋转组件构成，包括叶片150、机舱170、轮毂160和塔架180。雷击可通过设置在叶片上并电连接到一个或多个避雷装置125的一个或多个雷电接受器110捕获。雷电接受器110是能够接收并传导击到避雷装置125上的雷电的元件。雷电接受器·还可以形成该结构其中一部分呢用于传导雷电流。在实施例中，雷电接受器110是空气终止系统(air termination system)。在一个实施例中，雷电接受器110是金属的。避雷装置125是一种用于将雷电流引向地以防止对风力涡轮机结构体115造成损坏的接地装置。在示例性实施例中，避雷装置125是双绞线，不过也可以使用其它接地机构。当雷击120击中诸如结构体的150、160、170或180组件时，入射到组件(150、160、170或180)上的雷电流通过组件(150、160、170或180)的避雷装置125传导。电耦连到避雷装置125的电磁线圈或电磁拾波线圈127响应由通过避雷装置125传导的雷电流感应的电磁场。在电磁拾波线圈127中产生与雷电流成比例的感应电流。在一个实施例中，电磁拾波线圈127可以是罗柯夫斯基线圈或分流电阻。集成电路(IC)130用于评估结构体115的状况，并且与避雷装置125相邻地设置在组件(150、160、170或180)上的。IC 130接收经由拾波线圈127通过避雷装置125流动的雷电感应电流，并登记雷击活动。本说明书中使用的表述“雷电感应电流”指由雷击120引起的电流。当接收到雷电感应电流时，IC 130处理雷电感应电流，并存储表示雷电活动的雷电感应电流的情况。IC130内或IC 130外的损坏估计单元(未示出)使用IC 130中存储的雷电感应电流的情况估计组件(150、160、170或180)的状况，并向远程服务站140无线发射估计数据。在一个实施例中，由损坏估计单元执行的功能可由处理单元240执行。图2示出了包括集成电路(IC) 130的示例性雷电检测系统100 (图I)的框图。雷电检测系统100可包括检测并记载多次雷击以及雷击对诸如但不限于图I中叶片150的组件的局部影响的多个IC 130。为了简洁，将参照单个IC来描述本发明的几个实施例。IC130可封装在任何对IC提供简洁性和便携性的IC载体上。IC载体的几个实例是双列直插式封装(DIP)、柔性芯片(COF)、芯片上引线(COL)、插针栅格阵列、凸点芯片载体(BCC)和陶瓷扁平包装(CFP)。一个或多个IC 130可以彼此相隔最佳距离安装在结构体115的一个或多个组件(150、160、170或180)中的每一个上。如本说明书中使用，最佳距离定义为两个避雷装置之间所需的最小距离，以便通过避雷装置中的至少一个检测雷击。最佳距离可以通过考虑其它因素，诸如雷电检测器的灵敏度、雷击的平均强度和其上设置避雷装置的组件的尺寸来确定。例如，IC 130可安装在彼此相隔约3-10米设置的相邻的避雷装置125上。当雷击120影响组件(150、160、170或180)时，位于影响点或最靠近影响点的避雷装置125通过雷电接受器110接收雷电流，并接着在电耦连到避雷装置125的电磁拾波线圈127中感应雷电流。在拾波线圈127中感应的雷电流根据线圈127的匝数来放大。耦连到拾波线圈127的IC 130接收雷电感应电流，并将所接收电流通过输入保护电路210的一系列电子组件传导。在拾波线圈127的输出端提供输入保护电路210，以便保护IC 130中下游电子器件不受过流和过压浪涌的影响。为了避免人工干预输入保护电路210，可以使用可重设保护装置以及浪涌抑制装置。来自于输入保护电路210的电压输出212通过处理单元240采样，采样的雷电感应电流的波形242被数字化并存储在IC 130中的非易失性存储器250中。处理单元240以由处理单元240内的时钟发生器的时钟速度确定的采样频率对雷电波形进行采样。所采样的波形被数字化并与时间和表示雷击发生时间的数据戳一起存储在非易失性存储器250中。在实施例中，IC 130包括能量收集单元220，能量收集单元220包括耦连到输入保护电路210的电压调节器。后面将参照图6更加详细地讨论能量收集单·元 220。非易失性存储器250是能够在不加电时也能保存存储信息的可移动固态存储装置。在示例性实施例中，非易失性存储器250是闪速存储器。通常，闪速存储器在存储单元的阵列中存储信息，并且有时每个单元可以存储超过I位的信息。当要更新闪速存储器时，闪速文件系统将变化数据的新副本写到新的块中，重新映射文件指针，然后擦除旧的块。由于闪速存储器扩展会在单元阵列上进行写操作，所以与诸如磁卡(其中新数据覆盖/代替老数据)的其它形式的非易失性存储器相反，它能够连续存储数据序列。因此，可以检测以短的时间序列或较长的时间周期入射的多次雷击并将其存储在闪存类型的非易失性存储器250中作为历史。例如，可以接连(例如，每0. I-IOii s)重复记录一连串雷击的数字化波形几次，直到检测到雷电活动结束。例如，当检测的雷电流值下降到低于预定水平时，可以确定雷电活动结束。在一个实施例中，IC 130包括损坏估计单元260，以估计雷击120入射到的组件(150，160，170或180)的状况。如之前提到的，一个或多个IC 130可安装在结构体115的每一个组件(150，160，170或180)上，例如在风力涡轮机115的每个叶片150上。此布置可以检测哪个相应叶片150已经受到雷击120的影响。耦连到雷电接受器110的最靠近冲击点的IC 130接收雷电感应电流，并将雷电感应电流存储在非易失性存储器250中，作为暂态波形。当最靠近冲击点的IC130接收最大量的雷电感应电流时，其它IC 130，例如其它叶片或机舱上的IC 130也可以检测到一部分雷电感应电流。因此，在给定的时间段上，多个IC 130中的每个记录此雷电事件的历史，如表I所示。例如，在几个月的周期中，入射到结构体115上的雷击可以在IC 130中每一个的非易失性/闪速存储器250上存储并作为“日志”保存。日志提供所有击中结构体115的每次雷击的准确表示，包括上一个最强的雷击。如表I所示，雷击表示为具有相关时间戳数据的采样波形。该日志还保存记录雷击的次数和每次雷击的持续时间，以帮助进行损坏估计。入射的雷击以发生次序一个一个地记录在日志中。日志可包括诸如冲击位置标识符、组件或结构标识符、集成电路标识符等的其它字段。可以想到该日志可以其它格式保存，如雷击强度的升序/降序，时间戳数据的升序/降序，事件的组成智能分类等。同样，可对一个或多个日志表项应用诸如高亮、文本效果、滚动线等的视觉效果，以吸引读者注意从而釆取补救措施。
权利要求
1.一种安装在结构体(115)上用于检测雷击(120)的集成电路(130)，该集成电路(130)包括 处理单元(240)，所述处理单元(240)用于从入射到所述结构体(115)上的多次雷击(120)中提取雷电感应电流；和 非易失性存储器(250)，所述非易失性存储器(250)用于连续存储所述多次雷击(120)中每次雷击的雷电感应电流的一个或多个样本。
能量收集单元(220)，所述能量收集单元被配置成从所述雷电感应电流中收集能量，以给所述集成电路(130)供电。
2.根据权利要求I所述的集成电路(130)，其特征在于，所述集成电路(130)安装在所述结构体(115)的多个组件(150，160，170，180)中的一个或多个组件上。
3.根据权利要求2所述的集成电路(130)，其特征在于，所述处理单元(240)包括时间戳发生器(310)，以生成表示雷击(120)在相应组件(150，160，170或180)上的入射时间的时间戳，并将所述时间戳存储在所述非易失性存储器(250)中。
4.根据权利要求2所述的集成电路(130)，其特征在于，所述集成电路进一步包括损坏估计单元(260)，所述损坏估计单元被配置成基于对来自于所述非易失性存储器(250)的多次雷击(120)的雷电流的存储样本历史进行分析来估计组件(150，160，170，180)状况。
5.根据权利要求4所述的集成电路(130)，其特征在于，所述损坏估计单元(260)被配置成在组件(150，160，170，180)的估计状况表示需要维修时实时地发送警告信号。
6.根据权利要求I所述的集成电路，其特征在于，所述集成电路(130)进一步包括无线接口(270)，用以无线方式将所述非易失性存储器(250)中存储的数据发送到远程服务站(140)。
7.根据权利要求I所述的集成电路(130)，其特征在于，所述雷电感应电流的样本系列用来提取所述多次雷击(120)中每次雷击的雷电感应电流的暂态波形。
8.根据权利要求I所述的集成电路(130)，其特征在于，所述非易失性存储器(250)是闪速存储器。
9.根据权利要求I所述的集成电路(130)，其特征在于，所述集成电路进一步包括输入保护电路(210)，用以保护所述集成电路(130)不受过流和过压浪涌的影响。
10.一种用于结构体(115)的雷电检测和损坏估计系统(100)，该系统(100)包括 避雷装置(125)，用于接收多次雷击(120)，并产生所述多次雷击(120)中每次雷击的雷电感应电流； 集成电路(130)，所述集成电路耦连到所述避雷装置(125)，并安装在所述结构体(115)上，所述集成电路(130)包括 非易失性存储器(250)，用于连续存储所述多次雷击(120)中每次雷击的雷电感应电流的一个或多个样本；和 损坏估计单元(260)，用于基于对来自于所述非易失性存储器(250)的所述多次雷击(120)的雷电感应电流的存储样本历史进行分析来估计所述结构体(115)的状况。
能量收集单元(220)，所述能量收集单元被配置成从所述雷电感应电流中收集能量，以给所述集成电路(130)供电。
11.根据权利要求10所述的系统(100)，其特征在于，所述避雷装置(125)包括电磁线圈(127),所述电磁线圈响应于由所述多次雷击(120)产生的雷电流感应的电磁场。
12.根据权利要求10所述的系统(100)，其特征在于，所述结构体(115)为风力涡轮机、航空器结构体、船舶结构体和塔架中的至少一个。
13.—种在集成电路中用于检测结构体上的雷击的方法，该方法包括 接收从与所述集成电路耦连的避雷装置上由多次雷击中每次雷击感应的电流(810)； 取样由多次雷击中每次雷击感应的电流； 非易失性存储器上(820)连续存储多次雷击中每次雷击的雷电感应电流的一个或多个样本； 测量结构体上多次雷击的总入射能量； 基于对来自于所述非易失性存储器的多次雷击的雷电感应电流的存储样本历史进行分析来估计所述结构体的状况(830)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，估计所述结构体的状况包括 确定入射到所述结构体上的雷击次数；和 将雷击次数的值与阈值进行比较。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，估计所述结构体的状况包括 累加多次雷击中每次雷击的雷电感应电流的存储样本值；和 将累加值与阈值进行比较。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在结构体工作时，将非易失性存储器中存储的数据无线发送到远程现场服务点。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括从雷电感应电流中收集能量以为雷电检测系统供电。
全文摘要
本发明为“用于结构体上的雷击检测系统、装置和方法”。本发明涉及并公开了一种用于结构体(115)的雷电检测和损坏估计系统(100)。该系统(100)包括耦连到避雷装置(125)的雷电接受器(110)，其被配置成接收多次雷击(120)，并在耦连到避雷装置(125)的拾波线圈(127)中感应雷电流。通过拾波线圈(127)耦连到避雷装置(125)的集成电路(130)包括非易失性存储器(250)，用于连续存储多次雷击(120)的雷电感应电流的一个或多个样本。损坏估计单元(260)被配置成基于对来自于非易失性存储器(250)的多次雷击(120)的雷电感应电流的存储样本历史进行分析来估计结构体(115)状况。
文档编号G01R19/00GK102788893SQ20121016525
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者M·K·鲍勒, T·F·鲍姆海因里希, Y·N·M·埃尔南德斯 申请人:通用电气公司