萬石林

（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司湖北分公司）

0 引言

風(fēng)力發(fā)電作為我國(guó)現(xiàn)階段大力發(fā)展的重要清潔能源之一，其具備靈活的安裝點(diǎn)以及極高的商業(yè)價(jià)值，截止到2022 年底，我國(guó)無論是風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量還是風(fēng)力發(fā)電量均位于世界第一，伴隨著風(fēng)電場(chǎng)集電線路高速發(fā)展的同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)安全性以及穩(wěn)定性成為了風(fēng)電場(chǎng)集電線路重要參考因素，風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選址時(shí)往往處于較為開闊或者山脊通風(fēng)口處，因此當(dāng)遭遇惡劣自然天氣時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片極易遭受到雷擊，而葉片中的避雷線結(jié)合風(fēng)機(jī)葉片頭部的接閃器配合，將雷電流引下至大地，從而降低風(fēng)機(jī)系統(tǒng)遭受雷擊損傷的概率，葉片中避雷線的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響了風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，葉片中避雷線在運(yùn)行過程中一方面受到機(jī)械拉力的影響，避雷線容易出現(xiàn)機(jī)械損傷，導(dǎo)致避雷線整體阻抗變大，從而影響了風(fēng)機(jī)泄流能力，另一方面，當(dāng)雷電流過大時(shí)，避雷線容易出現(xiàn)斷線的情況，當(dāng)葉片再次遭受雷擊時(shí)，由于避雷線泄流能力的不足，容易導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉片出現(xiàn)變形或者起火的現(xiàn)象，因此風(fēng)機(jī)葉片避雷線的狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯得尤為重要：

就葉片避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，我國(guó)學(xué)者對(duì)其做出了研究，現(xiàn)階段廣為應(yīng)用的為離線式避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，即定期對(duì)風(fēng)機(jī)葉片避雷線做出巡檢結(jié)合離線式故障排除法，采用登高機(jī)器人將葉片接閃器相連接，利用人工搖表，在葉片輪轂中測(cè)量避雷線引下電流大小從而判定避雷線狀態(tài)，該方法首先為離線式監(jiān)測(cè)方法，同時(shí)判定出葉片避雷線存在問題時(shí)，無法確定其故障點(diǎn)具體位置，從而消耗大量的人力物力。

國(guó)外對(duì)風(fēng)機(jī)避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法采用X射線的方法對(duì)葉片避雷線進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，該方法往往檢測(cè)葉片表面的大小以及受損程度，利用X射線垂直于葉片的方法檢測(cè)，該方法僅對(duì)葉片體積上存在的缺陷能夠良好的檢測(cè)，但對(duì)于葉片表面細(xì)微的裂紋難以檢測(cè)。我國(guó)風(fēng)機(jī)葉片長(zhǎng)短大小不一，外加X射線的高成本導(dǎo)致了該方法在葉片避雷線中無法得到廣泛的利用。

結(jié)合上述風(fēng)機(jī)葉片避雷線檢測(cè)中存在的問題，本文提出了一種在線式風(fēng)機(jī)葉片避雷線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過在線式方法檢測(cè)避雷線狀態(tài)，減少由于停電離線造成的風(fēng)電場(chǎng)電能損失。

1 葉片避雷線監(jiān)測(cè)必要性

近年來我國(guó)風(fēng)力發(fā)電成為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，其具備良好的碳中和效益以及極高的商業(yè)價(jià)值，正在全國(guó)范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用，從最初的的鼠籠式發(fā)電機(jī)演變成為雙饋式電力電機(jī)，無論是從生產(chǎn)制造方面還是從施工工藝以及運(yùn)行維護(hù)方面，其風(fēng)力發(fā)電技術(shù)都得到了極大的提升，伴隨著高速增長(zhǎng)的同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)集電線路無論是風(fēng)機(jī)機(jī)械故障還是電力系統(tǒng)故障都層出不窮，為實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)目標(biāo)，風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性顯得尤為重要。

風(fēng)電場(chǎng)集電線路往往鋪設(shè)在較為開闊或者山脊等通風(fēng)口處，為更好的采集風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，風(fēng)機(jī)架設(shè)位置往往遠(yuǎn)高于周圍建筑，這就難免在惡劣天氣下，風(fēng)機(jī)遭受雷擊侵害，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)在遭受雷擊時(shí)損傷概率依次為風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)電力系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)葉片系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，而風(fēng)機(jī)為動(dòng)態(tài)抗雷模型，不同于輸電線路避雷線，其只能夠通過風(fēng)機(jī)葉片中避雷線進(jìn)行泄流從而減小雷電對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的侵害，因此葉片中避雷線的狀態(tài)直接影響了風(fēng)電場(chǎng)集電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。

避雷線分布于風(fēng)機(jī)葉片中，結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示，避雷線的健康狀態(tài)直接影響勒葉片的穩(wěn)定運(yùn)行，避雷線受到風(fēng)機(jī)拉力的影響以及雷擊的影響，容易出現(xiàn)避雷線斷股或者斷線的情況，從而影響其泄流能力，且無法通過人工巡檢直觀的實(shí)現(xiàn)避雷線排查，無論是斷線或者斷股在風(fēng)機(jī)葉片再次遭受雷擊時(shí)都會(huì)導(dǎo)致輕則葉片出現(xiàn)裂紋、變形的跡象，重則導(dǎo)致葉片出現(xiàn)斷裂的情況，這對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成了極大的困擾，因此，風(fēng)機(jī)扇葉避雷線狀態(tài)無論是在線監(jiān)測(cè)方法還是離線監(jiān)測(cè)方法都顯得尤為關(guān)鍵。

圖1 風(fēng)機(jī)葉片避雷線結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)測(cè)方法及原理

風(fēng)機(jī)避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)一般情況下是通過離線式監(jiān)測(cè)方法，同過測(cè)量阻抗的過程進(jìn)行葉片避雷線狀態(tài)監(jiān)，該方案需消耗大量的人力物力的同時(shí)，其測(cè)量效果不佳，本文提出了一種模塊化的葉片避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)方案，通過各個(gè)模塊相互配合，該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)采集終端以及后臺(tái)數(shù)據(jù)解析分析系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)采集監(jiān)測(cè)終端主要包括信號(hào)發(fā)生模塊、傳感采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、無線通信傳感器模塊，模塊與模塊之間相互獨(dú)立，共同組成避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)終端，如圖2 所示為避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置采集計(jì)算流程圖：

圖2 避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)流程圖

如上圖2 所示為風(fēng)機(jī)避雷線在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)流程圖，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端自主發(fā)生固定頻率的行波，通過多次來回行波進(jìn)行避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，采用羅氏線圈傳感器進(jìn)行發(fā)射行波以及回波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)分析模塊以及通訊模塊將監(jiān)測(cè)裝置采集的數(shù)據(jù)波形進(jìn)行濾波、分析處理從而進(jìn)行葉片避雷線狀態(tài)的預(yù)警。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

葉片避雷線狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括特定行波發(fā)生模塊，傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算模塊以及通訊模塊共同完成待監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片避雷線狀態(tài)。

3.1 行波發(fā)生模塊

行波發(fā)生模塊是避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置最重要的組成部分，該模塊主要通過模擬電路發(fā)出，為防止風(fēng)電場(chǎng)集電線中強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下出現(xiàn)誤測(cè)量以及風(fēng)機(jī)內(nèi)部供電和控制系統(tǒng)中出現(xiàn)的信號(hào)干擾，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)如下圖3 所示的特定頻率發(fā)生電路，該電路可連續(xù)多次發(fā)生固定頻率行波，監(jiān)測(cè)傳感裝置通過接受線路中的回波進(jìn)行風(fēng)機(jī)葉片避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行多次試驗(yàn)，最終選取試驗(yàn)放電頻率為4000kHz 的行波發(fā)射5 次，其避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)效果最佳。

圖3 特定頻率發(fā)射數(shù)字電路

特定頻率的行波可實(shí)現(xiàn)減小信號(hào)的迭代從而實(shí)現(xiàn)避雷線斷線處反射波的更好檢測(cè)，而多次的發(fā)射特定行波可以規(guī)律性的實(shí)現(xiàn)其回波規(guī)律監(jiān)測(cè)，從而更好的實(shí)現(xiàn)避雷線斷線點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

3.2 羅氏線圈采集模塊

羅氏線圈傳感具備良好的傳感采集特性，傳感器線圈具有良好的頻率響應(yīng)特性，同時(shí)由于羅氏線圈具備線性的輸出特性從而成為良好的信號(hào)采集傳感器，由于風(fēng)機(jī)葉片避雷線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不同于輸電線路故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)傳感采集模塊需要從傳感器匝數(shù)、屏蔽特性上進(jìn)行考量，對(duì)該傳感器進(jìn)行性能實(shí)現(xiàn)，通過橫向?qū)Ρ茸罱K確認(rèn)傳感器參數(shù)，首先對(duì)其傳感器匝數(shù)進(jìn)行衡量，研究了不同匝數(shù)下、不同積分電阻下、不同氣隙下傳感器的幅頻特性，如圖4所示。

圖4 不同變量下傳感器幅頻特性曲線

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下設(shè)計(jì)了不同類型的試驗(yàn)，采用單一變量的原則進(jìn)行傳感器幅頻特性的試驗(yàn)，首先驗(yàn)證了傳感器匝數(shù)對(duì)其性能的影響，下限頻率隨線圈匝數(shù)增多而降低。積分電阻50Ω 時(shí)，10 匝時(shí)下限頻率低于100kHz，上限截止頻率高于30MHz。滿足工程要求，靈敏度達(dá)到了13dB，有利于提取線路缺陷放電信號(hào)；其次進(jìn)行了測(cè)量回路的積分電阻設(shè)定，比較25Ω、50Ω、100Ω 積分電阻下傳感器的幅頻特性，線圈均為10 匝，氣隙均為紙氣隙。選擇50Ω 積分電阻能獲得較寬的帶寬和高的靈敏度；最后選取了不同氣隙下傳感器幅頻特性試驗(yàn)，氣隙提高了高頻電流傳感器下限頻率。在1MHz頻率以上，氣隙對(duì)傳感器靈敏度影響較小。為降低高頻電流傳感器下限頻率，需嚴(yán)格控制氣隙的長(zhǎng)度，最終選取1mm 氣隙下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

另一方面由于風(fēng)電場(chǎng)集電線路處于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，因此需對(duì)傳感器屏蔽進(jìn)行試驗(yàn)，選取了多種屏蔽情況進(jìn)行試驗(yàn)，從而進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋诓粠帘握智闆r、帶半圈鋁制屏蔽罩情況、帶整圈屏蔽罩情況下進(jìn)行試驗(yàn)，其輸出結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同屏蔽情況下傳感器輸出結(jié)果

最終選取了帶半圈鋁制屏蔽罩情況進(jìn)行傳感器試制，其輸出電壓值隨干擾源距離的變化影響不大，滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

3.3 數(shù)據(jù)分析計(jì)算模塊

由于我國(guó)葉片避雷線長(zhǎng)度絕大部分分布在35—70m 的區(qū)間內(nèi)，而行波在葉片避雷線中傳輸速度接近300m/us，因此當(dāng)入射行波遇到避雷線中出現(xiàn)斷線的情況時(shí)，其反射點(diǎn)與主波位置疊加相對(duì)較為明顯，因此需要采用適當(dāng)?shù)臑V波處理算法以及分解層數(shù)，才能夠?qū)崿F(xiàn)斷線出反射波的波頭計(jì)算，其斷線處發(fā)射波處理、計(jì)算流程如下：

在對(duì)風(fēng)機(jī)扇葉進(jìn)行斷線或者斷股監(jiān)測(cè)時(shí)，采用高頻暫態(tài)波形進(jìn)行扇葉避雷線單端定位，對(duì)于其數(shù)據(jù)處理方法，首先對(duì)監(jiān)測(cè)終端采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波處理，該處濾波可能導(dǎo)致避雷線斷線處反射波波頭時(shí)刻信息丟失，從而無法進(jìn)行斷線點(diǎn)的精確定位，因此在選取濾波函數(shù)時(shí)需充分保留反射波特征，經(jīng)過多次試驗(yàn)對(duì)比，選取切比雪夫?yàn)V波法進(jìn)行濾波，可保留其發(fā)射波特征，其次采取求解濾波之后信號(hào)的模極大值的方法進(jìn)行求解，基本能夠?qū)崿F(xiàn)避雷線葉片斷線處反射波波頭求解，具體求解波頭過程如下圖6所示：

圖6 求解反射波波頭時(shí)刻流程

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)機(jī)葉片避雷線斷線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先對(duì)信號(hào)發(fā)生模塊進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其次，綜合考量傳感器采集模塊可能出現(xiàn)的影響傳感器幅頻特性輸出的因素，選取了合適的傳感器輸出參數(shù)，最終對(duì)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行選取，設(shè)定了合理了的數(shù)據(jù)濾波方法，減小了系統(tǒng)中可能無法計(jì)算葉片避雷線斷線位置的可能性。不足之處，該系統(tǒng)尚未在葉片避雷線現(xiàn)場(chǎng)投入使用，無法獲取現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)際數(shù)據(jù)。