風機葉片引下線斷裂故障檢測與定位方法

張雁忠， 吳 寒， 董 超， 田 錳， 魏宏杰， 楊 林， 李宏博

(1. 國網新源張家口風光儲示范電站有限公司， 張家口 075000； 2. 新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)， 北京 102206)

近年來，低碳清潔的可再生能源發電得到了世界各國的廣泛關注，其中風力發電發展迅速，裝機容量逐年穩定增加，且機組不斷朝著大型化趨勢發展，然而風力發電機的工作環境較為惡劣，由此引發的雷電災害也逐漸增多[1]。雷擊問題是制約風電發展的重要因素之一，對于大型風機而言，其遭受雷擊的概率大大增加，同時雷擊帶來的危害也更為嚴重[2]。由葉片接閃器、引下線和接地網構成的風機直擊雷防護系統，在風機防雷中扮演了十分重要的角色，減少了雷擊事故的發生[3]。葉片引下線作為風機直接雷防護系統的重要組成之一，由于雷電流的多次沖擊和老化問題，葉片引下線的斷裂故障時有發生，引下線斷裂將導致直擊雷防護系統失效[4-9]，繼而引發嚴重的雷擊事故，故必須定期對葉片引下線進行檢測，保證其良好。在日本，為了檢查和維護防雷系統，風機公司通常每2年或3年就會停運風機[5]。因此，檢測與定位葉片引下線斷裂故障的方法有待研究，為風機的安全運行提供有力保障。

葉片引下線通常由主引下線和分支構成，葉尖接閃器與主引下線直接相連，而葉身接閃器與主引下線引出的分支相連，最終主引下線經風機輪轂和塔筒接至地網[10]。目前，對于檢測與定位葉片引下線的斷裂故障，只有少數國外學者進行了研究。Triruttanapiruk等[5]提出采用半波偶極天線理論和靜電電容的方法檢測葉片引下線的斷裂位置，但其未考慮引下線的分支；Yamamoto等[6]提出基于X射線儀檢測葉片引下線的斷裂問題，但由于成本和安全問題未能得到推行。中國風電場多通過測量防雷通道電阻大小來判斷其良好與否，但該方法不易實施且無法定位故障[7]。當前中外對于葉片引下線斷裂故障的檢測與定位方法研究尚處于初步階段，現有的檢測技術與方法較少，且存在種種問題，難以滿足風電場現場檢測的需求，亟需進一步提出更為有效可行的檢測與定位技術。

在檢測與定位葉片主引下線及其分支的斷裂故障方面，具有分支結構的配電網中的故障檢測與定位方法——注入脈沖法[11-12]提供了重要參考。基于注入脈沖法，以2.5 MW真機葉片引下線為研究對象，同時考慮葉片引下線特有的分支結構，搭建風機葉片引下線斷裂故障仿真計算與模擬實驗平臺。通過仿真和實驗模擬葉片引下線的典型故障，開展檢測和定位方法研究，以期為風機葉片引下線斷裂故障檢測與定位提供新方法。

1 注入脈沖法

采用注入脈沖法定位葉片引下線的斷裂故障，其原理如圖1所示，利用脈沖發生裝置產生高頻納秒脈沖信號，并于葉根處葉片引下線與風機輪轂的連接部位，將信號注入至葉片引下線中，同時在該處采集入射脈沖信號和故障點的反射信號，在已知脈沖信號傳播速度的情況下，通過測量故障點反射信號與注入脈沖信號之間時間差，利用式(1)計算故障點距檢測點的距離，即可確定故障的位置。

圖1 注入脈沖法定位故障原理圖

(1)

式(1)中:L為故障點距檢測點的距離；v為脈沖信號在葉片引下線中的傳播速度，經實測獲得；Δt為故障反射信號與注入脈沖信號之間的時間差，此處取兩信號波峰之間的時間差。

2 葉片引下線仿真模型搭建與故障模擬

2.1 葉片引下線仿真模型

采用某2.5 MW真機葉片引下線樣品為研究對象，其葉片引下線結構與尺寸如圖2所示。利用高頻納秒脈沖檢測和定位葉片引下線故障時，葉片引下線需采用分布參數線路模擬，故本研究基于Simulink搭建了如圖3所示的葉片引下線仿真模型。

圖2 葉片引下線結構與尺寸圖

圖3 葉片引下線仿真模型

2.2 葉片引下線斷裂故障模擬

葉片引下線具有分支結構，其分支點、分支末端、主引下線末端以及故障點均為阻抗不匹配點，脈沖信號在上述阻抗不匹配點處均會發生折反射。故采集的故障波形中反射波形較為復雜，反射波形由多個阻抗不匹配點的反射波形組成，導致故障點產生的反射波難以通過故障波形直接判斷出來，所以僅依靠故障波形無法檢測并定位故障。為解決故障點反射波難以識別的問題，在應用注入脈沖法時，首先獲取葉片引下線在無故障情況下的波形，記為無故障波形。由于葉片引下線故障后，脈沖在故障處的傳播路徑不同于無故障情況，故對于發生故障的葉片引下線，利用故障波形與無故障波形作差，作差波形中率先出現變化的部分即是故障導致的。現將作差波形中首先發生變化的波形部分定義為故障反射波，計算出故障反射波與注入脈沖信號的傳播時間差后，可根據式(1)確定故障位置。

2.2.1 分支斷裂故障

分支點是主引下線與分支的連接處，易因雷電流和老化發生斷裂故障，由于葉片引下線分支很短，故以分支點斷裂故障代表分支上的可能出現的斷裂故障。以圖4(a)中的分支斷裂故障為例，圖4(b)為該故障情況下和無故障情況下的仿真波形，圖4(c)為故障波形與無故障波形的作差結果。

據上述分析可知，作差波形[圖4(c)]中最先出現突變的波形是由故障造成的，故根據故障反射波，可得到入射脈沖與故障反射波的傳播時間差為448.80 ns，仿真模型中脈沖在引下線中的傳播速度為1.56×108m/s，根據式(1)計算出故障反射波所對應的故障位置為35.01 m，與設定的故障位置(距葉根35 m處)基本相同，準確反映了分支點故障的位置。

圖4 分支斷裂故障及其仿真波形

2.2.2 主引下線斷裂故障

在雷擊發生并被接閃器接閃后，主引下線是雷電流的必經路徑，一旦主引下線出現斷裂故障，整個葉片防雷系統將有可能失效。圖5(a)是某種主引下線斷裂情況，其故障波形和無故障波形為圖5(b)，故障波形與無故障波形作差得到圖5(c)。

設定的故障位置在距葉根50 m處，圖5(c)中的故障反射波與入射脈沖的傳播時間差為655.60 ns，故計算出故障反射波對應的故障位置為51.14 m，較準確地定位了主引下線的斷裂故障。

圖5 主引下線斷裂故障及其仿真波形

3 葉片引下線故障模擬實驗

第2節中的仿真計算初步說明了該方法對于檢測與定位葉片引下線斷裂故障的有效性，為進一步探究該方法的實用性，在戶外搭建了圖6所示的風機葉片引下線實驗平臺，模擬風機運行時的外界環境，并基于該平臺開展了多次葉片引下線分支斷裂故障[圖4(a)]以及主引下線斷裂故障[圖5(a)]模擬實驗。選擇脈寬為16 ns、上升沿為8.4 ns的脈沖信號，幅值取10 V。

圖6 風機葉片引下線斷裂故障模擬實驗平臺

由于實際中采集的信號往往帶有噪聲干擾，影響對故障反射信號的判斷和故障定位精度，故首先對采集的信號進行了小波去噪[13-14]。小波去噪處理可讓故障反射波易于確定，但測量本身及其他因素導致的波形差異同樣會干擾故障反射波的判斷，對信號進行光滑處理可讓故障反射波更加明顯，降低故障定位的難度[15]。

分支發生斷裂故障[圖4(a)]的實驗波形如圖7所示，其中圖7(a)為故障波形與無故障波形，圖7(a)中的兩波形未經處理而直接作差的結果如圖7(b)所示，對圖7(a)中兩波形進行小波去噪、光滑處理后作差得到圖7(c)。依據圖7(c)可得，故障反射波與入射脈沖的時間差為428.00 ns，而實測波速為1.56×108m/s，可由式(1)計算出故障的位置為33.38 m，而實際設定的分支斷裂故障位置位于距葉根35 m處，故依據注入脈沖法定位分支斷裂故障所產生的相對誤差僅為4.63%。

圖7 分支發生斷裂故障時的波形

主引下線發生斷裂故障[圖5(a)]的實驗波形如圖8所示，圖8(a)、圖8 (b)和圖8 (c)分別為故障波形與無故障波形、未經處理的故障波形與無故障波形的作差結果、故障波形與無故障波形經小波去噪和光滑處理后作差的結果。由圖8(c)獲得故障反射波與入射脈沖的時間差為676.00 ns，實測波速為1.56×108m/s，根據式(1)計算出故障位置為52.73 m，而實際設定的主引下線斷裂故障位置位于距葉根50 m處，故依據注入脈沖法定位主引下線斷裂故障所產生的相對誤差僅為5.46%。

圖8 主引下線發生斷裂故障時的波形

兩類斷裂故障的實驗結果與仿真模擬結果相呼應。實驗研究表明，分支斷裂故障與主引下線斷裂故障的定位結果與實際故障位置十分接近，相對誤差較小，可較準確地反映實際故障位置，在一定程度上可滿足風電場的檢測需求。

對實際中采集的信號進行的小波去噪和光滑處理，減小了外界因素帶來的不利影響，降低了識別故障反射波的難度，同時也保證了定位的精確度。另外，提高入射脈沖的幅值可使故障反射波的幅值更大，更易于識別進而實現故障定位，風電場中可采用高幅值的脈沖信號，提高故障識別的成功率。

4 結論

(1)基于注入脈沖法，提出了一種檢測和定位風機葉片引下線斷裂故障的方法，在葉片根部向待檢測葉片引下線注入脈沖信號，并采集其反射信號，通過對比采集的信號與無故障信號，即可判別葉片引下線有無斷裂故障，并實現故障定位。

(2)該方法對于分支點斷裂故障以及主引下線斷裂故障均有效。實際中為提高故障檢測和定位的成功率，建議采用高幅值的注入脈沖信號。

(3)根據本文方法的基本原理不難知道，對于不含分支的葉片引下線，本文方法同樣有效，可以滿足風電場對各類風機開展故障檢測與定位工作的需求。