用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统的状态监测

本发明涉及根据权利要求1的用于雷电保护系统的状态监测装置、根据权利要求14的状态监测系统以及根据权利要求17的用于对风力涡轮机进行操作监测的方法。背景技术：1、风力涡轮机叶片的雷电保护系统通常是嵌入叶片的结构中的物理电导体。这些导体通常布设在叶片的内部并且/或者结合在叶片的壳体中。2、风力涡轮机的雷电保护系统的完整性通常通过叶片的外部接收器与叶片根部之间的直流连续性测量来验证。这些测量通常在制造后、安装后完成，并且在涡轮机的操作期间通常每一到两年是重复的。3、然而，直流连续性测量仅检测电阻低于特定阈值的路径的存在。如果雷电保护系统的特征是几个平行的传导元件(例如，在碳纤维增强聚合物叶片中，或者对于具有与引下线等电位的附加传导部件的叶片，通常是这种情况)，则很可能没有检测到故障，并且叶片有被下一次雷电附着严重损坏的风险。4、此外，直流连续性测量需要大量的工作，受hse(健康、安全和/或环境)问题的影响并且相对较慢，因为直流连续性测量需要从风力涡轮机叶片的外部使用绳索作业。人员需要将叶片下降并且将直流测量设备在叶片的梢部处连接至接收器的外部，以验证lps的根端部是否存在电连续性。5、因此，这些测量被认为是相当耗时且复杂的、不灵活且昂贵的。另外，这些测量可能仅以离散的单一间隔发生，使得在最后一次测量之后短时间内发生的损坏可能会在更长的时间段内被忽视。技术实现思路1、鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种状态监测装置，该状态监测装置克服了上述缺点，并且允许对风力涡轮机叶片lps与其他传导部件的接口进行直接、可靠和操作者方便的状况监测。2、本发明的目的通过下述各者来解决：包括权利要求1的特征的状态监测装置；包括权利要求14的特征的状态监测系统；以及包括权利要求17的特征的用于对风力涡轮机进行操作监测的方法。3、其他的有利实施方式由从属权利要求产生。4、特别地，本发明的目的通过一种用于风力涡轮机叶片的雷电保护系统的状态监测装置来解决，其中，状态监测装置能够安装至风力涡轮机，该状态监测装置包括：5、·信号产生单元，该信号产生单元配置成产生探测信号并且将探测信号输入到风力涡轮机叶片的雷电保护系统的保护单元中并且/或者输入到至少一个塔架传导单元；以及6、·测量单元，该测量单元配置成通过风力涡轮机叶片的雷电保护系统与塔架传导单元之间的无线联接来检测响应信号，这些响应信号是探测信号的系统响应；7、·控制单元，该控制单元配置成对信号单元和测量单元进行控制并且配置成对响应信号进行处理。8、本发明的核心思想是通过将具有特定上升时间和在特定频率范围内的脉冲和/或重复信号注入到叶片的雷电保护系统的保护单元中来监测风力涡轮机叶片的雷电保护系统的状态。随后对响应信号执行信号处理(在装置中并且/或者在远程计算系统中)。由此确定雷电保护系统的状态。在可行性研究中，事实证明，用于响应信号的返回路径对于确保一致的结果很重要。因此，优选地在叶片与塔架对准从而在叶片的雷电保护系统与塔架之间提供无线联接(优选地电容联接)并且由此能够实现用于响应信号的返回路径时，执行测量。利用这种概念，可以在涡轮机的操作期间连续地验证雷电保护系统的状态。因此，在不需要技术人员实际在场的情况下也可以验证风力涡轮机的状态，以避免潜在危险的绳索作业操作。9、另外，随着时间推移而触发并逐渐发展的损坏可以通过本发明被早期识别，使得可以在适当的时间开始修复。在损坏恶化之前修复风力涡轮机(的叶片或雷电保护系统)将节省维修成本以及风力涡轮机的停机时间两者。10、系统响应特别地被认为是下述路径或系统中的阻抗或反射(信号)：该路径或系统包括叶片和/或叶片的雷电保护系统、塔架传导单元以及这些部件之间的无线(特别是电容)联接。优选的是，塔架传导单元电连接至风力涡轮机，特别是用作将信号返回至状态监测装置的导体。11、在优选实施方式中，无线联接包括叶片的雷电保护系统与塔架传导单元之间的电容联接。12、用于信号的返回路径对于确保测量的一致结果很重要。因此，通过叶片的雷电保护系统与塔架传导单元之间的电容联接来执行测量。由此能够实现用于信号的(可重现)返回路径。此外，通过由塔架传导单元和叶片的雷电保护系统组成的经使用的联接电极，测量不依赖于来自地面的测量。13、在替代实施方式中，还可以通过使用发送和接收装置来实现或支持雷电保护系统与塔架传导单元之间的无线联接，例如，该发送和接收装置包括连接至雷电保护系统的天线和连接至塔架传导单元的对应接收器。14、根据实施方式，雷电保护系统的保护单元包括引下线(或者是引下线)。由此，探测信号直接注入(输入)到(金属)引下线中能够实现对整个雷电保护系统的可靠分析，因为引下线电连接叶片的雷电保护系统的其他保护单元，例如梢部接收器和/或侧部接收器和/或一个或更多个cfrp结构元件。15、在一个实施方式中，塔架传导单元至少部分地由风力涡轮机的塔架的外部形成。16、因此，通过使用风力涡轮机的塔架，能够直接实现用于信号的可重现(返回)路径。使用塔架的外部具有成本效益，因为塔架的外部通常由金属(优选钢)和/或钢筋混凝土制成并且因此固有地提供了需要的导体，使得不需要安装单独的或额外的导体。此外，通过由塔架传导单元和叶片的雷电保护系统组成的经使用的联接电极，测量不依赖于来自地面的测量。替代性地或附加地，塔架传导单元包括诸如直传导元件之类的导体或布置在塔架的外部或内部的同轴电缆。17、根据另一实施方式，信号产生单元包括信号感应装置，该信号感应装置配置成将探测信号以感应的方式输入到保护单元中并且/或者以感应的方式输入到至少一个塔架传导单元中。18、通过探测信号感应地输入到保护单元和/或塔架传导单元中，避免了信号产生单元与保护单元之间的硬接线连接。在保护单元上(由于雷击)出现过电压或雷电脉冲电流的情况下，信号产生单元受到保护。19、根据另一实施方式，信号产生单元包括波导耦合器，该波导耦合器配置成将探测信号输入到保护单元中并且/或者输入到至少一个塔架传导单元中，并且波导耦合器优选地配置成限制状态监测装置上的过电压，特别是通过将雷电电流脉冲远离状态监测装置排放至地面来限制状态监测装置上的过电压。20、这使得以一种方式将探测信号能够以高信号传输质量注入至保护单元中并且/或者输入到塔架传导单元中，同时也以不同的方式提供保护以免受破坏性雷电脉冲电流的影响。通过这种技术，能够实现长期稳定、安全且可靠的测量。21、根据另一实施方式，信号产生单元配置成电连接至保护单元和/或至少一个塔架传导单元，优选地通过包括至少一个保护装置、特别是至少一个电涌保护装置的硬接线连接而电连接至保护单元和/或至少一个塔架传导单元。22、通过这种方式，能够实现相对便宜且直接的信号注入。另外，与信号的感应式注入相比需要更少的能量。保护装置如电涌保护装置的使用为信号产生单元和/或状态监测装置提供了保护以免受破坏性雷电电流的影响。23、根据另一实施方式，测量单元包括感应式测量装置，该感应式测量装置配置成以感应的方式检测保护单元处以及/或者至少一个塔架传导单元处的响应信号。24、通过感应式测量装置，避免了测量单元与保护单元(例如，叶片的lps的引下线)之间的硬接线连接。替代性地或附加地，避免了测量单元与塔架传导单元之间的硬接线连接。因此，可以保护测量单元免受破坏性雷电电流的影响。25、根据另一实施方式，测量单元配置成电连接至保护单元和/或至少一个塔架传导单元，优选地通过包括至少一个保护装置、特别是至少一个电涌保护装置的硬接线连接而电连接至保护单元和/或至少一个塔架传导单元。26、通过这种方式，能够实现相对便宜且直接的测量。通过物理(硬接线电连接)，可以提高测量质量，同时需要的更少的能量(与感应式测量相比)。保护装置如电涌保护装置的使用为测量单元和/或状态监测装置提供了保护以免受破坏性雷电电流的影响。27、根据另一实施方式，可以由信号产生单元产生的探测信号是交流信号，特别地在0a与5a之间以及/或者在0v与50v之间。28、交流信号的使用使得能够通过雷电保护系统的阻抗特性来检测叶片的雷电保护系统的状况或状况变化。因此，对应的信号处理可以依赖于行波和反射理论以及共振点的分析。因此，与常见的直流测量技术相比，通过该技术能够获得的测量质量和信息显著增强。29、通过该技术，将探测信号作为具有特定上升时间且处于特定频率范围内的脉冲和/或重复信号进行注入是可行的。也可以注入电流或电压的单个陡梯度脉冲。因此，可以在雷电保护系统中检测到潜在的故障。特别地，可以估计故障的位置。可以确定故障的时间。可以确定明显的故障类型。30、根据另一实施方式，可以由信号产生单元产生的探测信号是高频信号，特别地在100khz至10ghz之间、优选地在500khz至5ghz之间的频率范围内。31、使用的频率范围可以取决于使用的雷电保护系统。在实施方式中，状态监测装置配置成特别是关于使用的雷电保护系统来设定频率。因此，可以满足共振点或最佳信号条件。因此，增强了测量性能并且可以获得更多的信息。32、根据另一实施方式，状态监测装置配置成每当包括雷电保护系统的相应风力涡轮机叶片与塔架对准时测量系统响应。33、如上所述，优选地当叶片与塔架对准从而在叶片与塔架之间提供无线(电容)联接并且因此能够实现用于信号的返回路径时，执行测量。因此，与连续地产生且输出探测信号相比，“仅”每当相应叶片与塔架对准时产生且输出探测器信号是更节能的。此外，数据产生将被减少并且信号处理可以因此被加强。34、在替代实施方式中，可以连续地注入探测信号，并且在相应叶片与塔架对准时(仅)触发响应信号的相应测量。35、塔架和叶片的对准可以通过响应信号本身或通过至少一个加速度计来确定。36、根据另一实施方式，控制单元配置成与至少一个数据存储及分析装置、特别是远程的数据存储及分析装置进行通信。在可能的实施方式中，由控制单元执行的对响应信号的处理包括将响应信号递送至数据存储及分析装置。37、利用数据存储及分析装置，通过存储大量响应信号、例如数天、数月或数年的响应信号来对雷电保护系统进行长期监测是可行的。特别地，响应信号被存储至数据存储及分析装置，以便能够实现对不同信号、例如对于不同的日子或在特定的天气条件下的不同信号进行数据评估和比较。可以在一组类似的叶片上对雷电保护系统的状况的定量评估进行比较，以使原始设备制造商(oem)更好地了解故障机制。38、通过对存储的探测信号和响应信号的分析，可以使用各种算法来检测雷电保护系统中的故障。优选地，该处理由控制单元并且/或者由数据存储及分析装置来执行。由此能够实现定位潜在故障或缓慢恶化的连接。此外，可以存储用于特定叶片的(例如，来自安装之日的)指纹信号，并且长期与其他响应信号进行比较。可以实施机器学习和人工智能分析方法来跟踪响应信号的显著变化，并且因此映射叶片的传导系统的变化。来自信号的原始特征的显著变化(在短时间情况期间或在长时间变化期间)可以指示叶片中的不同故障模式。39、此外，本发明的目的还特别地通过一种用于对风力涡轮机进行操作监测的状态监测系统来解决，该状态监测系统包括至少一个状态监测装置，其中，所述至少一个状态监测装置包括：40、·信号产生单元，该信号产生单元配置成产生探测信号并且将探测信号输入到包括风力涡轮机叶片的雷电保护系统的保护单元的系统和/或至少一个塔架传导单元中；以及41、·测量单元，该测量单元配置成通过风力涡轮机叶片的雷电保护系统与塔架传导单元之间的电容联接来检测响应信号，这些响应信号是探测信号的系统响应；42、·控制单元，该控制单元配置成对信号单元和测量单元进行控制并且配置成对响应信号进行处理，并且43、其中，状态监测系统还包括至少一个数据存储装置、特别是远程的数据存储装置，该数据存储装置配置成与所述至少一个状态监测装置的控制单元进行通信，以便接收且存储探测信号和响应信号。44、结合状态监测装置所描述的优点也可以通过状态监测系统来实现。还应当注意，在状态监测装置的上下文中所描述的特征也适用于状态监测系统。45、通过使用状态检测系统可以在不同风力涡轮机的一组类似的叶片上对雷电保护系统的状况的定量评估进行比较，以使原始设备制造商和运营商更好地了解故障机制。46、此外，本发明的目的还特别通过包括至少一个如上所述的状态监测装置或如上所述的状态监测系统的风力涡轮机来解决。47、结合状态监测装置所描述的优点也可以通过所描述的风力涡轮机来实现。还应当注意的是，在状态监测装置的上下文中描述的特征也适用于所描述的风力涡轮机。48、根据风力涡轮机的一个实施方式，至少一个状态监测装置布置在风力涡轮机的一个或更多个或所有叶片中。49、通过这种布置，可以监测风力涡轮机的相应叶片以及相应叶片的雷电保护系统。50、另外，本发明的目的还特别地通过一种用于对风力涡轮机进行操作监测的方法来解决，优选地通过如上所述的状态监测装置来解决，其中，该方法包括以下步骤：51、a)产生探测信号；52、b)将探测信号输入到风力涡轮机叶片的雷电保护系统的至少一个保护单元、特别是引下线中，并且/或者输入到至少一个塔架传导单元中；53、c)通过叶片的雷电保护系统与塔架之间的无线联接、特别是电容联接来测量响应信号，该响应信号是探测信号的信号响应。54、利用根据本发明的用于对风力涡轮机进行操作监测的方法，可以实现与已经结合根据本发明的状态监测装置描述的优点相同的优点。还应当注意的是，在该装置的上下文中描述的特征也适用于该系统。根据本发明的方法的特征可以通过根据方法特征设计装置而转移至该装置。55、根据实施方式，探测信号是交流信号，特别地在0a与5a之间以及/或者0v与50v之间，并且/或者在100khz至10ghz之间、优选地在500khz至5ghz之间的频率范围内。56、根据另一实施方式，该方法还包括存储且分析探测信号和响应信号的步骤，其中，分析优选地基于叶片的雷电保护系统和/或至少一个塔架传导单元的阻抗的变化。57、通过该技术，可以检测雷电保护系统中的潜在故障。特别地，可以估计故障的位置。可以确定故障的时间。可以确定明显的故障类型。可以在一组类似的叶片上对雷电保护系统的状况的定量评估进行比较，以使原始设备制造商更好地了解故障机制。58、根据该方法的另一实施方式，在风力涡轮机的操作期间执行、特别是连续地执行步骤a)至步骤c)，并且/或者，其中，每当相应的风力涡轮机叶片与塔架对准时执行步骤b)。59、因此，可以在不需要技术人员实际在场的情况下确认雷电保护系统的状况(状态)，以避免潜在危险的绳索作业操作。