風電機組新型直擊雷檢測技術研究

文 | 何灝

風電機組一般位于空曠的草原地區或者山區丘陵的山頂部位置，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，葉片可能會產生微小的裂紋，處理修復及時，則不會造成大的損失。但由于現有防雷系統沒有在線檢測及通信功能，導致業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，導致受損的葉片經過幾個月甚至幾年的運行，持續遭受大自然的破壞，小問題發展成為大問題，最終導致長時間的停機并產生高昂的維修費，造成巨大的經濟損失。

目前現有的直擊雷監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計，并做實時顯示，及時對損壞程度進行預警，避免損害擴大化，實現降低經濟損失的目的。

雷電流介紹

雷電現象發生時會有雷電流產生，雷擊放電釋放出巨大的能量，使葉片結構溫度急劇上升，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過電壓擊穿、燒毀設備時的電流曲線。

技術方案

雷電流檢測模塊功能是實現將風電機組每個葉片的防雷動作信息通過風電場網絡傳輸到中央監控室。通過監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模塊包含：雷電電流檢測傳感器、信號采樣和數據發送終端、信號收發終端、塔基數據采集器、中央監控系統。系統整體示意圖如圖3所示。

圖1 風電機組部件故障停機時間統計圖

圖2 雷電流波形

當雷擊發生時，雷電流被雷電流檢測霍爾傳感器感應到，信號采樣與數據發送終端高頻采樣到雷電流信號。通過無線收發器，將采樣的信號發送給機艙數據采集器，處理器對數據整理后，通過485總線將數據發送到塔基數據采集器，經過協議轉換為RJ45網口的形式，再通過機組的環網交換機與中央監控連接，在中央監控上顯示每臺機組的雷電流情況。根據雷電流的大小對葉片的損壞程度的分析，給出狀態預警。

如圖4所示，模塊功能實現主要包括以下幾部分：雷電流傳感器、信號采樣處理模塊、無線數據收發器、數據采集器、風電場環網系統、中央監控系統。輪轂和機艙之間通過無線數據收發器實現通信，機艙與塔基通過485總線通信實現連接，最后數據采集器通過風電場環網將數據傳輸給中央監控，實現數據的匯總和預警等。

圖3 系統示意圖

圖4 模塊功能實現框圖

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，采用開口環形式結構。積分器可以選擇外部積分器或者外置供電有源積分器，便于現場安裝和調試。如圖5所示。

二、信號采樣與數據發送終端

信號采樣和數據處理都需要通過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。采樣數據能夠正常還原雷電流波形。信號采樣和數據發送終端實現以下功能：

（1）具備時鐘功能，可保持連續5年以上準確運行，有效記錄雷電流發生的時刻；（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、無線信號收發器

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

四、機艙數據采集器與塔基數據采集器

機艙數據采集器與塔基數據采集器都需要通過CPU來處理，其中機艙數據采集器能夠通過無線模塊接收來自輪轂的雷電流的數據。經過處理器的轉換，將無線數據信號轉為485總線協議的數據格式，再與塔基數據采集器進行通信。

五、中央監控系統

中央監控系統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、時間、強度等級、風險預警等級，并且可以讀取此葉片歷史雷擊情況記錄。

風電機組安裝應用

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

（1）采集器和數據接收終端產品需要使用風電機組系統中的單相220V電源進行供電；

（2）供電電纜走線需要遠離活動位置，做好導線固定。

結語

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到中央監控系統上，通過監測數據和對葉片損壞情況的分析加強對葉片故障的早期預測，提高風電機組的利用時間，同時還可以提高風電場的經濟效益，降低維護強度。