风机避雷线状态在线监测系统设计

万石林

（国家电投集团江西电力有限公司湖北分公司）

0 引言

风力发电作为我国现阶段大力发展的重要清洁能源之一，其具备灵活的安装点以及极高的商业价值，截止到2022 年底，我国无论是风机装机容量还是风力发电量均位于世界第一，伴随着风电场集电线路高速发展的同时，风力发电并网安全性以及稳定性成为了风电场集电线路重要参考因素，风电场风机选址时往往处于较为开阔或者山脊通风口处，因此当遭遇恶劣自然天气时，风机叶片极易遭受到雷击，而叶片中的避雷线结合风机叶片头部的接闪器配合，将雷电流引下至大地，从而降低风机系统遭受雷击损伤的概率，叶片中避雷线的稳定运行直接影响了风机系统的稳定性，叶片中避雷线在运行过程中一方面受到机械拉力的影响，避雷线容易出现机械损伤，导致避雷线整体阻抗变大，从而影响了风机泄流能力，另一方面，当雷电流过大时，避雷线容易出现断线的情况，当叶片再次遭受雷击时，由于避雷线泄流能力的不足，容易导致风机叶片出现变形或者起火的现象，因此风机叶片避雷线的状态监测显得尤为重要：

就叶片避雷线状态监测，我国学者对其做出了研究，现阶段广为应用的为离线式避雷线状态监测，即定期对风机叶片避雷线做出巡检结合离线式故障排除法，采用登高机器人将叶片接闪器相连接，利用人工摇表，在叶片轮毂中测量避雷线引下电流大小从而判定避雷线状态，该方法首先为离线式监测方法，同时判定出叶片避雷线存在问题时，无法确定其故障点具体位置，从而消耗大量的人力物力。

国外对风机避雷线状态监测方法采用X射线的方法对叶片避雷线进行状态检测，该方法往往检测叶片表面的大小以及受损程度，利用X射线垂直于叶片的方法检测，该方法仅对叶片体积上存在的缺陷能够良好的检测，但对于叶片表面细微的裂纹难以检测。我国风机叶片长短大小不一，外加X射线的高成本导致了该方法在叶片避雷线中无法得到广泛的利用。

结合上述风机叶片避雷线检测中存在的问题，本文提出了一种在线式风机叶片避雷线监测系统，该系统可通过在线式方法检测避雷线状态，减少由于停电离线造成的风电场电能损失。

1 叶片避雷线监测必要性

近年来我国风力发电成为了实现“双碳”目标的重要环节，其具备良好的碳中和效益以及极高的商业价值，正在全国范围内被广泛应用，从最初的的鼠笼式发电机演变成为双馈式电力电机，无论是从生产制造方面还是从施工工艺以及运行维护方面，其风力发电技术都得到了极大的提升，伴随着高速增长的同时，风电场集电线路无论是风机机械故障还是电力系统故障都层出不穷，为实现平价上网目标，风力发电的稳定性显得尤为重要。

风电场集电线路往往铺设在较为开阔或者山脊等通风口处，为更好的采集风能进行发电，风机架设位置往往远高于周围建筑，这就难免在恶劣天气下，风机遭受雷击侵害，据相关数据统计，风机在遭受雷击时损伤概率依次为风机控制系统、风机电力系统、风机叶片系统、风机机械系统，而风机为动态抗雷模型，不同于输电线路避雷线，其只能够通过风机叶片中避雷线进行泄流从而减小雷电对风机系统的侵害，因此叶片中避雷线的状态直接影响了风电场集电线路的稳定运行。

避雷线分布于风机叶片中，结构示意图如下图1所示，避雷线的健康状态直接影响勒叶片的稳定运行，避雷线受到风机拉力的影响以及雷击的影响，容易出现避雷线断股或者断线的情况，从而影响其泄流能力，且无法通过人工巡检直观的实现避雷线排查，无论是断线或者断股在风机叶片再次遭受雷击时都会导致轻则叶片出现裂纹、变形的迹象，重则导致叶片出现断裂的情况，这对于风电场稳定运行造成了极大的困扰，因此，风机扇叶避雷线状态无论是在线监测方法还是离线监测方法都显得尤为关键。

图1 风机叶片避雷线结构图

2 监测方法及原理

风机避雷线状态监测一般情况下是通过离线式监测方法，同过测量阻抗的过程进行叶片避雷线状态监，该方案需消耗大量的人力物力的同时，其测量效果不佳，本文提出了一种模块化的叶片避雷线状态在线监测方案，通过各个模块相互配合，该在线监测系统主要包括现场采集终端以及后台数据解析分析系统，现场采集监测终端主要包括信号发生模块、传感采集模块、数据分析模块、无线通信传感器模块，模块与模块之间相互独立，共同组成避雷线状态在线监测终端，如图2 所示为避雷线状态在线监测系统装置采集计算流程图：

图2 避雷线状态在线监测流程图

如上图2 所示为风机避雷线在线监测系统在线监测流程图，现场监测终端自主发生固定频率的行波，通过多次来回行波进行避雷线状态监测，采用罗氏线圈传感器进行发射行波以及回波进行监测，数据分析模块以及通讯模块将监测装置采集的数据波形进行滤波、分析处理从而进行叶片避雷线状态的预警。

3 监测系统构成

叶片避雷线状态在线监测系统主要包括特定行波发生模块，传感器采集模块、数据分析处理计算模块以及通讯模块共同完成待监测风机叶片避雷线状态。

3.1 行波发生模块

行波发生模块是避雷线状态监测装置最重要的组成部分，该模块主要通过模拟电路发出，为防止风电场集电线中强电磁干扰环境下出现误测量以及风机内部供电和控制系统中出现的信号干扰，本系统中设计如下图3 所示的特定频率发生电路，该电路可连续多次发生固定频率行波，监测传感装置通过接受线路中的回波进行风机叶片避雷线状态监测，在实验室环境下进行多次试验，最终选取试验放电频率为4000kHz 的行波发射5 次，其避雷线状态监测效果最佳。

图3 特定频率发射数字电路

特定频率的行波可实现减小信号的迭代从而实现避雷线断线处反射波的更好检测，而多次的发射特定行波可以规律性的实现其回波规律监测，从而更好的实现避雷线断线点监测。

3.2 罗氏线圈采集模块

罗氏线圈传感具备良好的传感采集特性，传感器线圈具有良好的频率响应特性，同时由于罗氏线圈具备线性的输出特性从而成为良好的信号采集传感器，由于风机叶片避雷线状态监测系统不同于输电线路故障监测系统，该系统传感采集模块需要从传感器匝数、屏蔽特性上进行考量，对该传感器进行性能实现，通过横向对比最终确认传感器参数，首先对其传感器匝数进行衡量，研究了不同匝数下、不同积分电阻下、不同气隙下传感器的幅频特性，如图4所示。

图4 不同变量下传感器幅频特性曲线

在实验室环境下设计了不同类型的试验，采用单一变量的原则进行传感器幅频特性的试验，首先验证了传感器匝数对其性能的影响，下限频率随线圈匝数增多而降低。积分电阻50Ω 时，10 匝时下限频率低于100kHz，上限截止频率高于30MHz。满足工程要求，灵敏度达到了13dB，有利于提取线路缺陷放电信号；其次进行了测量回路的积分电阻设定，比较25Ω、50Ω、100Ω 积分电阻下传感器的幅频特性，线圈均为10 匝，气隙均为纸气隙。选择50Ω 积分电阻能获得较宽的带宽和高的灵敏度；最后选取了不同气隙下传感器幅频特性试验，气隙提高了高频电流传感器下限频率。在1MHz频率以上，气隙对传感器灵敏度影响较小。为降低高频电流传感器下限频率，需严格控制气隙的长度，最终选取1mm 气隙下进行数据采集。

另一方面由于风电场集电线路处于强电磁干扰环境下，因此需对传感器屏蔽进行试验，选取了多种屏蔽情况进行试验，从而进行纵向对比，在不带屏蔽罩情况、带半圈铝制屏蔽罩情况、带整圈屏蔽罩情况下进行试验，其输出结果如图5所示。

图5 不同屏蔽情况下传感器输出结果

最终选取了带半圈铝制屏蔽罩情况进行传感器试制，其输出电压值随干扰源距离的变化影响不大，满足实际工程应用需求。

3.3 数据分析计算模块

由于我国叶片避雷线长度绝大部分分布在35—70m 的区间内，而行波在叶片避雷线中传输速度接近300m/us，因此当入射行波遇到避雷线中出现断线的情况时，其反射点与主波位置叠加相对较为明显，因此需要采用适当的滤波处理算法以及分解层数，才能够实现断线出反射波的波头计算，其断线处发射波处理、计算流程如下：

在对风机扇叶进行断线或者断股监测时，采用高频暂态波形进行扇叶避雷线单端定位，对于其数据处理方法，首先对监测终端采集的原始数据进行平滑滤波处理，该处滤波可能导致避雷线断线处反射波波头时刻信息丢失，从而无法进行断线点的精确定位，因此在选取滤波函数时需充分保留反射波特征，经过多次试验对比，选取切比雪夫滤波法进行滤波，可保留其发射波特征，其次采取求解滤波之后信号的模极大值的方法进行求解，基本能够实现避雷线叶片断线处反射波波头求解，具体求解波头过程如下图6所示：

图6 求解反射波波头时刻流程

4 结束语

风机叶片避雷线断线监测系统首先对信号发生模块进行了系统设计，其次，综合考量传感器采集模块可能出现的影响传感器幅频特性输出的因素，选取了合适的传感器输出参数，最终对数据处理模块进行选取，设定了合理了的数据滤波方法，减小了系统中可能无法计算叶片避雷线断线位置的可能性。不足之处，该系统尚未在叶片避雷线现场投入使用，无法获取现场采集实际数据。