风电机组新型直击雷检测技术研究

文 | 何灏

风电机组一般位于空旷的草原地区或者山区丘陵的山顶部位置，其中叶片较长又处在较高的位置上，因此遭受雷击的概率非常高。遭受雷击时，叶片可能会产生微小的裂纹，处理修复及时，则不会造成大的损失。但由于现有防雷系统没有在线检测及通信功能，导致业主及维护人员无法得到整个风电场叶片的雷击情况，不能够做针对性的检测和修复，导致受损的叶片经过几个月甚至几年的运行，持续遭受大自然的破坏，小问题发展成为大问题，最终导致长时间的停机并产生高昂的维修费，造成巨大的经济损失。

目前现有的直击雷监测方式为在塔基引下线处加装直击雷检测装置，大部分采用磁卡式的电流检测。由于风电机组的雷电泄放通道有很多路径，通过引下线泄放至大地的仅是其中的很小部分，所以此种方式根本无法测量叶片接闪的直击雷大小，故考虑在轮毂处加装直击雷检测仪，在总的泄放路径上检测直击雷的大小和波形。

本文设计了一种新型叶片直击雷检测装置，通过雷电流传感器对叶片遭受雷击情况进行检测和统计，并做实时显示，及时对损坏程度进行预警，避免损害扩大化，实现降低经济损失的目的。

雷电流介绍

雷电现象发生时会有雷电流产生，雷击放电释放出巨大的能量，使叶片结构温度急剧上升，分解气体高温膨胀，压力上升造成爆裂破坏。

雷电流指遭受直接雷击时，通过被击物体泄入大地的电流。雷电波形分为 8/20μs、10/350μs，10/350μs是典型雷电击穿大地的雷电流线，是雷电直接袭击电力线和避雷针的雷电流曲线，我们一般称直击雷波形。其中10μs（微秒）表示冲击脉冲到达90%电流峰值的时间，而350μs表示从电流峰值到半峰值的时间。8/20μs是典型雷电击穿大地（避雷针或临近接闪物）引起的电磁脉冲感应过电压击穿、烧毁设备时的电流曲线。

技术方案

雷电流检测模块功能是实现将风电机组每个叶片的防雷动作信息通过风电场网络传输到中央监控室。通过监控能够及时了解到叶片遭受雷击的实时信息，及时对叶片情况进行检查和维护，避免由于维护不及时导致叶片故障的扩大化，维护成本成倍增加。

检测雷电电流的技术模块包含：雷电电流检测传感器、信号采样和数据发送终端、信号收发终端、塔基数据采集器、中央监控系统。系统整体示意图如图3所示。

图1 风电机组部件故障停机时间统计图

图2 雷电流波形

当雷击发生时，雷电流被雷电流检测霍尔传感器感应到，信号采样与数据发送终端高频采样到雷电流信号。通过无线收发器，将采样的信号发送给机舱数据采集器，处理器对数据整理后，通过485总线将数据发送到塔基数据采集器，经过协议转换为RJ45网口的形式，再通过机组的环网交换机与中央监控连接，在中央监控上显示每台机组的雷电流情况。根据雷电流的大小对叶片的损坏程度的分析，给出状态预警。

如图4所示，模块功能实现主要包括以下几部分：雷电流传感器、信号采样处理模块、无线数据收发器、数据采集器、风电场环网系统、中央监控系统。轮毂和机舱之间通过无线数据收发器实现通信，机舱与塔基通过485总线通信实现连接，最后数据采集器通过风电场环网将数据传输给中央监控，实现数据的汇总和预警等。

图3 系统示意图

图4 模块功能实现框图

图5 雷电流传感器

图6 安装位置示意图

一、雷电流检测传感器

采用专用的雷电流传感器，能够准确检测到雷电流的大小和幅值。雷电流传感器采用无源积分器，采样精度为5%，最大可测100kA雷电流，能够满足雷电流的检测需求。安装方式，采用开口环形式结构。积分器可以选择外部积分器或者外置供电有源积分器，便于现场安装和调试。如图5所示。

二、信号采样与数据发送终端

信号采样和数据处理都需要通过CPU来处理，利用AD采样，最大采样频率能到14MSPS，最快采样周期小于0.1μs。采样数据能够正常还原雷电流波形。信号采样和数据发送终端实现以下功能：

（1）具备时钟功能，可保持连续5年以上准确运行，有效记录雷电流发生的时刻；（2）具备存储功能，可存储雷电流波形，包含电流的大小和正负。

三、无线信号收发器

无线信号发送和接收是一组通信方式，无线信号发送实现从轮毂到机舱的数据传输，数据是单向传输，即将轮毂的数据通过无线发送到机舱数据采集器，发送的数据是经过轮毂CPU处理后的雷击数据。比如电流等级（按照雷击电流划分等级），几号叶片遭受雷击、遭受雷击次数等数据。

四、机舱数据采集器与塔基数据采集器

机舱数据采集器与塔基数据采集器都需要通过CPU来处理，其中机舱数据采集器能够通过无线模块接收来自轮毂的雷电流的数据。经过处理器的转换，将无线数据信号转为485总线协议的数据格式，再与塔基数据采集器进行通信。

五、中央监控系统

中央监控系统是将每台风电机组的3个叶片的防雷信息进行收集和显示。如果一个风电场33台机组，那么需要显示99个叶片防雷动作信息。包括机组号、叶片号、防雷动作次数、时间、强度等级、风险预警等级，并且可以读取此叶片历史雷击情况记录。

风电机组安装应用

实际现场应用中，在轮毂的位置固定上信号采集板和无线发送终端。安装位置如图6所示。安装及供电需要注意：

（1）采集器和数据接收终端产品需要使用风电机组系统中的单相220V电源进行供电；

（2）供电电缆走线需要远离活动位置，做好导线固定。

结语

本文针对叶片直击雷检测提出了一种新的检测方式，在轮毂上安装直击雷检测装置相比于塔基，可以更加有效地检测到叶片雷击情况。将检测到的直击雷电流波形传输到中央监控系统上，通过监测数据和对叶片损坏情况的分析加强对叶片故障的早期预测，提高风电机组的利用时间，同时还可以提高风电场的经济效益，降低维护强度。