基于風力發電機槳葉避雷線斷線檢測系統研究

王金明，馬高晨

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014000)

1 引言

當風電機組的槳葉在正常工作運行中，容易遭受到極端天氣的影響，使風電機的槳葉中機械系統或電氣系統遭到損害，嚴重時還會引發葉片的爆炸、起火等大型事故[1]。所以風電機槳葉避雷線的檢測顯得尤為重要。目前，傳統測量避雷線斷線的方法主要是歐姆定律檢測法。完好的避雷線在外加電壓作用下表現出極低的電阻值而徹底斷裂的導線在外加電源作用下電阻則表現為無窮大。基于此,原理進行的避雷線測試必須將所測量的避雷線形成完整的閉合回路進行測試。但這樣需要將葉尖處的接閃器進行連接，目前的檢測方法都需要吊車或自爬機器人的輔助。這樣的方法效率非常低下，測試一臺風機的專業輔助器械會產生巨大的人工及機械使用費用。

本文根據以上提出的問題設計了一種風力發電機槳葉避雷線斷線檢測系統，該系統主要由信號發生器、高頻電流傳感器、高速信號采集卡構成。通過信號發生器給出脈沖信號經過高頻電流傳感器，根據行波法原理將測得的回波信號輸入到高速信號采集卡中，通過軟件檢測入射波和反射波之間的時間差及電磁脈沖波在避雷線中的傳播速度，依據S=V×T,確定入射脈沖信號在避雷線中傳播的距離，再根據已知葉片長度和測試到避雷線的長度0.5 S進行對比判斷，避雷線是否斷線。

2 避雷線斷線檢測系統基本原理

2.1 行波檢測法

行波法的基本原理就是當故障發生時，故障點產生的行波接近光速向線路兩端傳播，通過記錄行波到達兩端變電站的精確時間，計算故障點的位置(圖1)[2]。

給出一個行波信號，當反射波到達故障點時，由于該點為金屬性短路，發生全反射，這時反射系數為-1，入射波全部被反射，并改變了極性，返回檢測端 M，在 t2時刻到達 M 點[3～5]。因此，測出的時間將決定定位的準確性。這就要求采樣的頻率高。

圖1 行波檢測原理示意

2.2 Rogowski線圈傳感器原理

Rogowski線圈是一種空心環形線圈。

由安培環路定律得:

∮H·dl=I(t)

(1)

M=μ0Nhln(b/a)/2π

(2)

L=μ0N2hln(b/a)/2π

(3)

式(1～3)中H為線圈內部的磁場強度，B為線圈內部的磁感應強度，μ0為真空磁導率，N為線圈匝數，e(t)為線圈兩端的感應電壓，a,b分別為線圈橫截面的內外徑,h為截面高度。由此可見，線圈一定時，M為定值，線圈的輸出電壓與di/dt成正比。

2.3 新型高頻傳感器

在Rogowski線圈傳感器的基礎上對傳感器線圈的結構進行改變，該系統中使用的傳感器磁芯為鐵氧體材料，將纏繞的銅線改成三層銅片疊加的結構[6]。

將傳統傳感器線圈改為使用鐵氧體磁芯，銅帶纏繞的傳感器。銅帶增加層數是使線圈增大電容，形成慢波傳感器。慢波傳感器有利于高速信號的采集。故該新型高速傳感器可以精確定位避雷線斷線的具體位置。

2.4 風機槳葉避雷線斷線檢測系統基本流程

利用脈沖信號發生器產生高頻脈沖波，將脈沖入射波傳導到葉片根部避雷線中，高頻脈沖沿避雷線向葉尖傳播，傳輸到葉片葉尖處產生反射波，反射波從葉尖處傳回葉根處，利用高平電流傳感器及高速采集裝置，采集入射波和反射波，通過軟件檢測入射波和反射波之間的時間差，根據行波法原理，確定得出避雷線的實際斷線位置[7]。

系統主要包括脈沖信號發生模塊，高頻電流傳感器模塊，信號采集模塊及數據處理模塊四部分。其中信號發生部分負責產生行波脈沖信號，高頻電流傳感器負責檢測高速的回波信號，信號采集部分負責采集檢測到的高頻回波信號，數據處理部分負責分析回波信號，判斷故障類型和故障點位置。該部分主要由系統分析部分獲得的數學模型進行編程分析，并給出分析結果[8]。

2.5 高速數據采集卡

本系統的信號采集裝置需用不小于2 Gs/s的采樣率，帶寬不小于500M的采集裝置，以便準確定位斷線位置和存儲數據。本課題采用的M4I.22xx適合超高采樣率和高輸入帶寬的應用。6個最快的型號有1 GHz的帶寬，3個較慢的型號也有500 MHz。

M4I.22xx有多達4個數據通道和A/D轉換器核心，每個輸入通道可以適應各種各樣的信號源。這些版本的采樣率為1.25 Gs/s，最高可達5 Gs/s。還可以使用內部同步總線更新到多通道系統數據寫入內部4 G示例大內存中。該存儲器也可用作FIFO緩沖區。在FIFO模式下，數據將在線傳輸到PC RAM或硬盤中，M4I.22xx高速數據采集卡符合實際要求[9,10]。

3 實驗分析

實驗平臺硬件由信號發生器，示波器，高頻傳感器組成。將高頻電流傳感器套在被檢測的電線上，通過信號發生器給一定的脈沖信號，信號經過高頻傳感器將得到的回波信號顯示在示波器上，完成一次檢測。

3.1 傳統傳感器與高頻傳感器測試結果對比

信號發生器給10Vpp，50kHz的方波信號。對比傳統傳感器和高頻傳感器信號采集的效果。其中兩個傳感器線圈匝數，橫截面積，磁芯都相同。高頻傳感器的回波信號幅值比傳統傳感器大4倍左右。同時傳統傳感器的信號滯后，雜波較多，上升時間較慢。

3.2 避雷線斷點處測試結果

將一根長38 m的電線從前8m處剪斷，把剪斷處作為斷點，將高頻電流傳感器套在前8 m長的電線上時測得一個回波信號。

將測出的回波信號用上位機系統分析，上位機系統可以在LabView開發環境下進行單次或連續的測量，根據參數設置選取想要的峰值點。測量結果由數個點組成，在測量結果的上升沿和下降沿分別選取一個點，根據其差值可以得出斷線的具體位置[11]。

測試避雷線的長度為38 m，根據信號發生器，高頻電流傳感器，高速數據采集卡等整個避雷線斷線測試系統，測量到斷點位置為正向8.46 m，實際斷點在正向8 m，準確率在0.5 m左右。

4 結論

本文通過高頻電流傳感器的實驗可以得出：銅線纏繞的傳統傳感器在測量回波信號的實驗中，信號幅值及響應速度都小于高頻電流傳感器，高頻電流傳感器的信號采集能力具有明顯技術優勢；根據本文設計的避雷線斷線測試系統，通過實驗可以說明測試斷點的準確度在0.5 m以內，符合實驗要求。