風(fēng)電機(jī)組新型直擊雷檢測(cè)技術(shù)研究

文 | 何灝

風(fēng)電機(jī)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(zhǎng)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(shí)，葉片可能會(huì)產(chǎn)生微小的裂紋，處理修復(fù)及時(shí)，則不會(huì)造成大的損失。但由于現(xiàn)有防雷系統(tǒng)沒(méi)有在線檢測(cè)及通信功能，導(dǎo)致業(yè)主及維護(hù)人員無(wú)法得到整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)葉片的雷擊情況，不能夠做針對(duì)性的檢測(cè)和修復(fù)，導(dǎo)致受損的葉片經(jīng)過(guò)幾個(gè)月甚至幾年的運(yùn)行，持續(xù)遭受大自然的破壞，小問(wèn)題發(fā)展成為大問(wèn)題，最終導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)并產(chǎn)生高昂的維修費(fèi)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

目前現(xiàn)有的直擊雷監(jiān)測(cè)方式為在塔基引下線處加裝直擊雷檢測(cè)裝置，大部分采用磁卡式的電流檢測(cè)。由于風(fēng)電機(jī)組的雷電泄放通道有很多路徑，通過(guò)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(wú)法測(cè)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(cè)儀，在總的泄放路徑上檢測(cè)直擊雷的大小和波形。

本文設(shè)計(jì)了一種新型葉片直擊雷檢測(cè)裝置，通過(guò)雷電流傳感器對(duì)葉片遭受雷擊情況進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，并做實(shí)時(shí)顯示，及時(shí)對(duì)損壞程度進(jìn)行預(yù)警，避免損害擴(kuò)大化，實(shí)現(xiàn)降低經(jīng)濟(jì)損失的目的。

雷電流介紹

雷電現(xiàn)象發(fā)生時(shí)會(huì)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(shí)，通過(guò)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(dá)90%電流峰值的時(shí)間，而350μs表示從電流峰值到半峰值的時(shí)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(guò)電壓擊穿、燒毀設(shè)備時(shí)的電流曲線。

技術(shù)方案

雷電流檢測(cè)模塊功能是實(shí)現(xiàn)將風(fēng)電機(jī)組每個(gè)葉片的防雷動(dòng)作信息通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室。通過(guò)監(jiān)控能夠及時(shí)了解到葉片遭受雷擊的實(shí)時(shí)信息，及時(shí)對(duì)葉片情況進(jìn)行檢查和維護(hù)，避免由于維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致葉片故障的擴(kuò)大化，維護(hù)成本成倍增加。

檢測(cè)雷電電流的技術(shù)模塊包含：雷電電流檢測(cè)傳感器、信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送終端、信號(hào)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(fēng)電機(jī)組部件故障停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)圖

圖2 雷電流波形

當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，雷電流被雷電流檢測(cè)霍爾傳感器感應(yīng)到，信號(hào)采樣與數(shù)據(jù)發(fā)送終端高頻采樣到雷電流信號(hào)。通過(guò)無(wú)線收發(fā)器，將采樣的信號(hào)發(fā)送給機(jī)艙數(shù)據(jù)采集器，處理器對(duì)數(shù)據(jù)整理后，通過(guò)485總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到塔基數(shù)據(jù)采集器，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換為RJ45網(wǎng)口的形式，再通過(guò)機(jī)組的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)與中央監(jiān)控連接，在中央監(jiān)控上顯示每臺(tái)機(jī)組的雷電流情況。根據(jù)雷電流的大小對(duì)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(shí)現(xiàn)主要包括以下幾部分：雷電流傳感器、信號(hào)采樣處理模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器、數(shù)據(jù)采集器、風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)、中央監(jiān)控系統(tǒng)。輪轂和機(jī)艙之間通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)器實(shí)現(xiàn)通信，機(jī)艙與塔基通過(guò)485總線通信實(shí)現(xiàn)連接，最后數(shù)據(jù)采集器通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸給中央監(jiān)控，實(shí)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(shí)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(cè)傳感器

采用專用的雷電流傳感器，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到雷電流的大小和幅值。雷電流傳感器采用無(wú)源積分器，采樣精度為5%，最大可測(cè)100kA雷電流，能夠滿足雷電流的檢測(cè)需求。安裝方式，采用開(kāi)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(chǎng)安裝和調(diào)試。如圖5所示。

二、信號(hào)采樣與數(shù)據(jù)發(fā)送終端

信號(hào)采樣和數(shù)據(jù)處理都需要通過(guò)CPU來(lái)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(hào)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送終端實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）具備時(shí)鐘功能，可保持連續(xù)5年以上準(zhǔn)確運(yùn)行，有效記錄雷電流發(fā)生的時(shí)刻；（2）具備存儲(chǔ)功能，可存儲(chǔ)雷電流波形，包含電流的大小和正負(fù)。

三、無(wú)線信號(hào)收發(fā)器

無(wú)線信號(hào)發(fā)送和接收是一組通信方式，無(wú)線信號(hào)發(fā)送實(shí)現(xiàn)從輪轂到機(jī)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(guò)無(wú)線發(fā)送到機(jī)艙數(shù)據(jù)采集器，發(fā)送的數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)輪轂CPU處理后的雷擊數(shù)據(jù)。比如電流等級(jí)（按照雷擊電流劃分等級(jí)），幾號(hào)葉片遭受雷擊、遭受雷擊次數(shù)等數(shù)據(jù)。

四、機(jī)艙數(shù)據(jù)采集器與塔基數(shù)據(jù)采集器

機(jī)艙數(shù)據(jù)采集器與塔基數(shù)據(jù)采集器都需要通過(guò)CPU來(lái)處理，其中機(jī)艙數(shù)據(jù)采集器能夠通過(guò)無(wú)線模塊接收來(lái)自輪轂的雷電流的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)處理器的轉(zhuǎn)換，將無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)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(jìn)行通信。

五、中央監(jiān)控系統(tǒng)

中央監(jiān)控系統(tǒng)是將每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的3個(gè)葉片的防雷信息進(jìn)行收集和顯示。如果一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)33臺(tái)機(jī)組，那么需要顯示99個(gè)葉片防雷動(dòng)作信息。包括機(jī)組號(hào)、葉片號(hào)、防雷動(dòng)作次數(shù)、時(shí)間、強(qiáng)度等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)，并且可以讀取此葉片歷史雷擊情況記錄。

風(fēng)電機(jī)組安裝應(yīng)用

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，在輪轂的位置固定上信號(hào)采集板和無(wú)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(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中的單相220V電源進(jìn)行供電；

（2）供電電纜走線需要遠(yuǎn)離活動(dòng)位置，做好導(dǎo)線固定。

結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)葉片直擊雷檢測(cè)提出了一種新的檢測(cè)方式，在輪轂上安裝直擊雷檢測(cè)裝置相比于塔基，可以更加有效地檢測(cè)到葉片雷擊情況。將檢測(cè)到的直擊雷電流波形傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控系統(tǒng)上，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和對(duì)葉片損壞情況的分析加強(qiáng)對(duì)葉片故障的早期預(yù)測(cè)，提高風(fēng)電機(jī)組的利用時(shí)間，同時(shí)還可以提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，降低維護(hù)強(qiáng)度。