風電機組新型直擊雷檢測技術(shù)研究

文 | 何灝

風電機組一般位于空曠的草原地區(qū)或者山區(qū)丘陵的山頂部位置，其中葉片較長又處在較高的位置上，因此遭受雷擊的概率非常高。遭受雷擊時，葉片可能會產(chǎn)生微小的裂紋，處理修復(fù)及時，則不會造成大的損失。但由于現(xiàn)有防雷系統(tǒng)沒有在線檢測及通信功能，導(dǎo)致業(yè)主及維護人員無法得到整個風電場葉片的雷擊情況，不能夠做針對性的檢測和修復(fù)，導(dǎo)致受損的葉片經(jīng)過幾個月甚至幾年的運行，持續(xù)遭受大自然的破壞，小問題發(fā)展成為大問題，最終導(dǎo)致長時間的停機并產(chǎn)生高昂的維修費，造成巨大的經(jīng)濟損失。

目前現(xiàn)有的直擊雷監(jiān)測方式為在塔基引下線處加裝直擊雷檢測裝置，大部分采用磁卡式的電流檢測。由于風電機組的雷電泄放通道有很多路徑，通過引下線泄放至大地的僅是其中的很小部分，所以此種方式根本無法測量葉片接閃的直擊雷大小，故考慮在輪轂處加裝直擊雷檢測儀，在總的泄放路徑上檢測直擊雷的大小和波形。

本文設(shè)計了一種新型葉片直擊雷檢測裝置，通過雷電流傳感器對葉片遭受雷擊情況進行檢測和統(tǒng)計，并做實時顯示，及時對損壞程度進行預(yù)警，避免損害擴大化，實現(xiàn)降低經(jīng)濟損失的目的。

雷電流介紹

雷電現(xiàn)象發(fā)生時會有雷電流產(chǎn)生，雷擊放電釋放出巨大的能量，使葉片結(jié)構(gòu)溫度急劇上升，分解氣體高溫膨脹，壓力上升造成爆裂破壞。

雷電流指遭受直接雷擊時，通過被擊物體泄入大地的電流。雷電波形分為 8/20μs、10/350μs，10/350μs是典型雷電擊穿大地的雷電流線，是雷電直接襲擊電力線和避雷針的雷電流曲線，我們一般稱直擊雷波形。其中10μs（微秒）表示沖擊脈沖到達90%電流峰值的時間，而350μs表示從電流峰值到半峰值的時間。8/20μs是典型雷電擊穿大地（避雷針或臨近接閃物）引起的電磁脈沖感應(yīng)過電壓擊穿、燒毀設(shè)備時的電流曲線。

技術(shù)方案

雷電流檢測模塊功能是實現(xiàn)將風電機組每個葉片的防雷動作信息通過風電場網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室。通過監(jiān)控能夠及時了解到葉片遭受雷擊的實時信息，及時對葉片情況進行檢查和維護，避免由于維護不及時導(dǎo)致葉片故障的擴大化，維護成本成倍增加。

檢測雷電電流的技術(shù)模塊包含：雷電電流檢測傳感器、信號采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送終端、信號收發(fā)終端、塔基數(shù)據(jù)采集器、中央監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體示意圖如圖3所示。

圖1 風電機組部件故障停機時間統(tǒng)計圖

圖2 雷電流波形

當雷擊發(fā)生時，雷電流被雷電流檢測霍爾傳感器感應(yīng)到，信號采樣與數(shù)據(jù)發(fā)送終端高頻采樣到雷電流信號。通過無線收發(fā)器，將采樣的信號發(fā)送給機艙數(shù)據(jù)采集器，處理器對數(shù)據(jù)整理后，通過485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到塔基數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換為RJ45網(wǎng)口的形式，再通過機組的環(huán)網(wǎng)交換機與中央監(jiān)控連接，在中央監(jiān)控上顯示每臺機組的雷電流情況。根據(jù)雷電流的大小對葉片的損壞程度的分析，給出狀態(tài)預(yù)警。

如圖4所示，模塊功能實現(xiàn)主要包括以下幾部分：雷電流傳感器、信號采樣處理模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)器、數(shù)據(jù)采集器、風電場環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)。輪轂和機艙之間通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)器實現(xiàn)通信，機艙與塔基通過485總線通信實現(xiàn)連接，最后數(shù)據(jù)采集器通過風電場環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給中央監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總和預(yù)警等。

圖3 系統(tǒng)示意圖

圖4 模塊功能實現(xiàn)框圖

圖5 雷電流傳感器

圖6 安裝位置示意圖

一、雷電流檢測傳感器

采用專用的雷電流傳感器，能夠準確檢測到雷電流的大小和幅值。雷電流傳感器采用無源積分器，采樣精度為5%，最大可測100kA雷電流，能夠滿足雷電流的檢測需求。安裝方式，采用開口環(huán)形式結(jié)構(gòu)。積分器可以選擇外部積分器或者外置供電有源積分器，便于現(xiàn)場安裝和調(diào)試。如圖5所示。

二、信號采樣與數(shù)據(jù)發(fā)送終端

信號采樣和數(shù)據(jù)處理都需要通過CPU來處理，利用AD采樣，最大采樣頻率能到14MSPS，最快采樣周期小于0.1μs。采樣數(shù)據(jù)能夠正常還原雷電流波形。信號采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送終端實現(xiàn)以下功能：

（1）具備時鐘功能，可保持連續(xù)5年以上準確運行，有效記錄雷電流發(fā)生的時刻；（2）具備存儲功能，可存儲雷電流波形，包含電流的大小和正負。

三、無線信號收發(fā)器

無線信號發(fā)送和接收是一組通信方式，無線信號發(fā)送實現(xiàn)從輪轂到機艙的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)是單向傳輸，即將輪轂的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到機艙數(shù)據(jù)采集器，發(fā)送的數(shù)據(jù)是經(jīng)過輪轂CPU處理后的雷擊數(shù)據(jù)。比如電流等級（按照雷擊電流劃分等級），幾號葉片遭受雷擊、遭受雷擊次數(shù)等數(shù)據(jù)。

四、機艙數(shù)據(jù)采集器與塔基數(shù)據(jù)采集器

機艙數(shù)據(jù)采集器與塔基數(shù)據(jù)采集器都需要通過CPU來處理，其中機艙數(shù)據(jù)采集器能夠通過無線模塊接收來自輪轂的雷電流的數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理器的轉(zhuǎn)換，將無線數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)為485總線協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，再與塔基數(shù)據(jù)采集器進行通信。

五、中央監(jiān)控系統(tǒng)

中央監(jiān)控系統(tǒng)是將每臺風電機組的3個葉片的防雷信息進行收集和顯示。如果一個風電場33臺機組，那么需要顯示99個葉片防雷動作信息。包括機組號、葉片號、防雷動作次數(shù)、時間、強度等級、風險預(yù)警等級，并且可以讀取此葉片歷史雷擊情況記錄。

風電機組安裝應(yīng)用

實際現(xiàn)場應(yīng)用中，在輪轂的位置固定上信號采集板和無線發(fā)送終端。安裝位置如圖6所示。安裝及供電需要注意：

（1）采集器和數(shù)據(jù)接收終端產(chǎn)品需要使用風電機組系統(tǒng)中的單相220V電源進行供電；

（2）供電電纜走線需要遠離活動位置，做好導(dǎo)線固定。

結(jié)語

本文針對葉片直擊雷檢測提出了一種新的檢測方式，在輪轂上安裝直擊雷檢測裝置相比于塔基，可以更加有效地檢測到葉片雷擊情況。將檢測到的直擊雷電流波形傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控系統(tǒng)上，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和對葉片損壞情況的分析加強對葉片故障的早期預(yù)測，提高風電機組的利用時間，同時還可以提高風電場的經(jīng)濟效益，降低維護強度。