胡長鵬 黃國健 李中興 何振亞

技術(shù)應(yīng)用

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)*

胡長鵬1黃國健2李中興2何振亞3

（1.上海品研測控技術(shù)有限公司，上海 201108 2.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510515 3.華南理工大學(xué)，廣東 廣州 510640）

在雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組時，利用雷電流監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)測，可保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運行。首先，介紹雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組放電的全過程及雷電流在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳播路徑；然后，設(shè)計一套大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)；最后，第三方測試機(jī)構(gòu)對該監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行2類模擬典型雷電流特性的瞬態(tài)沖擊電流監(jiān)測性能測試，測試結(jié)果的相對誤差均小于5%。測試結(jié)果表明，該監(jiān)測系統(tǒng)適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遭受雷擊時的雷電流監(jiān)測，具有較高的工程實用價值。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；雷電流；監(jiān)測系統(tǒng)；羅氏線圈

0 引言

為扎實應(yīng)對“碳達(dá)峰”“碳中和”的各項工作，風(fēng)能作為一種永不枯竭的清潔能源，已成為全球推薦轉(zhuǎn)型的重要能源之一。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（以下簡稱風(fēng)機(jī)）功率不斷提高，尺寸也隨之增大。目前，大功率風(fēng)機(jī)葉片尖端最高點已接近300 m，惡劣天氣時易遭受雷擊。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計[1-3]：德國風(fēng)電場每百風(fēng)機(jī)?年的雷擊事故率約為10%；日本因雷電造成風(fēng)電停機(jī)的比例占10%～20%。風(fēng)機(jī)遭受雷擊后，葉片可能損壞，不僅檢修工藝復(fù)雜、費用高昂，還會造成電力損失，甚至可能導(dǎo)致整臺風(fēng)機(jī)報廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要對雷擊風(fēng)機(jī)時的雷電流進(jìn)行監(jiān)測，快速定位雷擊故障風(fēng)機(jī)位置、分析故障機(jī)理，為風(fēng)機(jī)雷擊防護(hù)措施提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)于風(fēng)機(jī)葉片等高建筑物遭受雷擊時的雷電流監(jiān)測，許多學(xué)者已開展廣泛研究。文獻(xiàn)[4]在電力桿塔這類高建筑物上實現(xiàn)了雷電流多通道監(jiān)測；文獻(xiàn)[5-10]主要從仿真分析和實驗測量，對風(fēng)機(jī)的雷電瞬態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行深入探究，為風(fēng)機(jī)雷電流監(jiān)測系統(tǒng)的研制提供理論支撐；還有學(xué)者專門針對雷電流監(jiān)測的傳感器理論入手，研制更適合于雷電流監(jiān)測的羅氏線圈傳感器[11-12]。

本文在前述學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，介紹雷擊風(fēng)機(jī)時的放電全過程及雷電流在風(fēng)機(jī)的傳播路徑；設(shè)計大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測風(fēng)機(jī)遭受雷擊時的雷電流。

1 雷擊風(fēng)機(jī)特性分析

1.1　雷擊風(fēng)機(jī)放電原理

雷云對地面放電通常是從下行先導(dǎo)放電階段開始。風(fēng)機(jī)是典型的高體結(jié)構(gòu)，在雷云下行先導(dǎo)（負(fù)電荷）的感應(yīng)下，出現(xiàn)感應(yīng)正電荷。如圖1(a)所示；當(dāng)下行先導(dǎo)通道頭部接近風(fēng)機(jī)時，葉片尖端發(fā)生畸變作用，如果電場強(qiáng)度快速擴(kuò)大，附近的空氣產(chǎn)生游離，葉片尖端出現(xiàn)上行先導(dǎo)；上行先導(dǎo)和下行先導(dǎo)在空氣中匯合產(chǎn)生回?fù)舴烹?，即發(fā)生雷擊風(fēng)機(jī)，如圖1(b)所示。

雷擊風(fēng)機(jī)時的雷電流主要包括預(yù)放電電流（上行先導(dǎo)）和主放電電流（回?fù)綦娏鳎?。因為對風(fēng)機(jī)造成損傷的主要是回?fù)綦娏鳎虼诵枰獙χ鞣烹婋娏鬟M(jìn)行重點監(jiān)測。

圖1 雷擊風(fēng)機(jī)發(fā)展過程

1.2　雷電流傳播路徑

根據(jù)現(xiàn)代風(fēng)電防雷技術(shù)，風(fēng)機(jī)避雷將被動引雷變?yōu)橹鲃右?，基本措施是提供一條雷電流能夠順利釋放的低阻抗通道，防止其隨機(jī)選擇放電路徑。主動引雷設(shè)施主要包括接閃器、引下線等，將雷電流通過通道接引，引導(dǎo)至地下釋放。雷電主放電電流在風(fēng)機(jī)中的傳播路徑如圖2所示。

圖2 雷電流在風(fēng)機(jī)中的傳播路徑

即使通過主動引雷，雷擊時風(fēng)機(jī)仍可能處于未知的危險中。為此，本文設(shè)計一套雷電流監(jiān)測系統(tǒng)，對風(fēng)機(jī)遭受雷擊時持續(xù)保護(hù)設(shè)備安全具有重要作用。

2 雷電流監(jiān)測系統(tǒng)

雷電流監(jiān)測系統(tǒng)主要用于監(jiān)測雷擊次數(shù)、雷電流強(qiáng)度、雷擊電壓特性以及避雷裝置是否發(fā)生損壞等。

2.1　雷電流監(jiān)測系統(tǒng)組成架構(gòu)

雷電流監(jiān)測系統(tǒng)由雷電流傳感器、雷電監(jiān)測箱、上位機(jī)等組成，框圖如圖3所示。

圖3 雷電流監(jiān)測系統(tǒng)框圖

首先，雷電流傳感器測量流經(jīng)避雷裝置的雷電流信號，雷電流信號通過二次電纜進(jìn)入雷電監(jiān)測箱的前端處理器；然后，雷電流信號經(jīng)前端處理器變換處理后，送入由DSP和CPLD組成的控制器，分析雷電流波形與峰值電流等；輸出設(shè)備是一塊7英寸的觸摸屏，用于監(jiān)測現(xiàn)場指令輸入和顯示測量數(shù)據(jù)；調(diào)制解調(diào)器對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼解調(diào)，實現(xiàn)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)距離傳輸；上位機(jī)通過5G信號與雷電監(jiān)測箱進(jìn)行雙向通信。風(fēng)機(jī)遭受雷擊后，會觸發(fā)雷電監(jiān)測箱內(nèi)置的計數(shù)器動作，累加統(tǒng)計遭受雷擊的次數(shù)。

2.1.1雷電流傳感器

風(fēng)機(jī)遭受雷擊時，利用接閃器主動引雷，此時主放電電流持續(xù)時間為μs級，幅值為10～200 kA。該電流是一個持續(xù)時間短、能量大的非周期性瞬態(tài)電流信號，直接采集該信號有一定難度，本文考慮通過間接方法進(jìn)行測量采集。

羅氏線圈是一種非接觸、無鐵心、絕緣良好的傳感元件，具有測量范圍大、頻率響應(yīng)范圍寬、無鐵磁振蕩和磁飽和等特點，適合作為雷電流傳感器來測量雷電流。羅氏線圈傳感模型如圖4所示。當(dāng)一次導(dǎo)線流經(jīng)電流()時，對外會感應(yīng)磁場()，根據(jù)電磁感應(yīng)定理，磁場中組成羅氏線圈的各匝小線圈均會感應(yīng)出電勢d()，那么通過測量流經(jīng)整個羅氏線圈的總電勢()即可得知()。

圖4 羅氏線圈傳感模型[13]

本文雷電流監(jiān)測系統(tǒng)采用7個羅氏線圈作為傳感單元，其中3個安裝在風(fēng)機(jī)避雷裝置下面的葉片引下線處，另外4個安裝在塔基的東南西北4個方向。7個羅氏線圈傳感器協(xié)同作業(yè)，將流經(jīng)風(fēng)機(jī)的雷擊電流感應(yīng)變換成小電勢，作為雷電流監(jiān)測系統(tǒng)輸入信號。

2.1.2 雷電監(jiān)測箱

雷電流監(jiān)測箱是雷電監(jiān)測系統(tǒng)的核心部分，布置于風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)房內(nèi)。因為羅氏線圈采集的是一個微弱的電壓信號，即雷電流對時間的微分，所以雷電監(jiān)測箱設(shè)置了前端處理器（積分器）還原前端信號；控制器對經(jīng)積分還原后的信號進(jìn)行調(diào)理分析，分析結(jié)果實時顯示在觸摸屏上，同時通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送。

2.1.3 上位機(jī)

上位機(jī)布置在遠(yuǎn)程控制端，一般采用穩(wěn)定性較好的工控機(jī)，通過5G移動通信，實時接收雷電監(jiān)測箱傳來的監(jiān)測信號。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求，一個上位機(jī)可同時對多個雷電監(jiān)測箱進(jìn)行管控。

2.2　雷電流監(jiān)測系統(tǒng)實物

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)如圖5所示，包含雷電監(jiān)測箱及4個羅氏線圈。主界面如圖6所示，通過點擊界面上各個羅氏線圈傳感器監(jiān)測點的鏈接，可對當(dāng)前傳感器的狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)查詢。

圖5 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)

圖6 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)主界面

3 試驗分析

本文研制的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)在第三方檢測機(jī)構(gòu)——上海某防雷產(chǎn)品測試中心進(jìn)行檢測。采用的儀器有SSGA 200-180沖擊電流發(fā)生器、EXTECH數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)字示波器、組合波發(fā)生器等，所有儀器均在計量校準(zhǔn)有效周期內(nèi)。

3.1　模擬直擊雷電流檢測性能試驗（10/350 μs）

根據(jù)GB/T 18802標(biāo)準(zhǔn)，使用模擬直擊雷波形（一般一級防護(hù)）10/350 μs沖擊電流進(jìn)行測試。通過SSGA 200-180沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的模擬直擊雷電流信號與本文雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)測出的電流峰值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示，對應(yīng)的電流波形如圖7所示。

表1 10/350 μs沖擊電流測試結(jié)果

由表1可知：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)在模擬直擊雷波形10/350 μs沖擊電流下，102.300kA和7.639 kA時測試結(jié)果的最大相對誤差分別為3.2%和4.9%，說明該系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地測出直擊雷電流。

圖7 10/350 μs波形下的電流波形

由圖7可以讀出：在模擬直擊雷波形10/350 μs沖擊電流下，12.282 μs時電流達(dá)到峰值的90%，446.700 μs時電流下降到峰值的50%，說明大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)能較好地實時監(jiān)測直擊雷電流的大小。

3.2　模擬感應(yīng)雷電流檢測性能試驗（8/20 μs）

根據(jù)GB/T 18802標(biāo)準(zhǔn)，使用模擬感應(yīng)雷波形（一般二級防護(hù)）8/20 μs沖擊電流進(jìn)行測試。通過SSGA 200-180沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的模擬感應(yīng)雷電流信號與本文雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)測出的電流峰值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示，對應(yīng)的電流波形如圖8所示。

由表2可知：大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)在模擬感應(yīng)雷波形8/20 μs沖擊電流條件下，76.690kA和3.765 kA時測試結(jié)果的最大相對誤差分別為4.5%和4.4%，說明該系統(tǒng)可以較準(zhǔn)確地測出感應(yīng)雷電流。

圖8 8/20 μs波形下的電流波形

由圖8可以讀出：在模擬感應(yīng)雷波形8/20 μs沖擊電流下，8.120 μs時電流達(dá)到峰值的90%；21.684 μs時電流下降到峰值的50%，說明大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)能實時監(jiān)測感應(yīng)雷電流的大小。

4 結(jié)語

本文通過分析雷擊風(fēng)力發(fā)電機(jī)組放電的全過程及雷電流在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳播路徑，研制了適用于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的雷電流監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)測試結(jié)果表明：在10/350 μs和8/20 μs沖擊電流下，均能實時監(jiān)測雷擊電流的大小等信息，且測試結(jié)果的相對誤差均小于5%。該系統(tǒng)可推廣到其他瞬態(tài)大電流監(jiān)測場合。

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Lightning Current Monitoring System for Giant Wind Turbine

HU Changpeng1HUANG Guojian2LI Zhongxing2HE Zhenya3

(1.Rogowski Technology(Shanghai) Co., Ltd. Shanghai 201108, China 2.Guangdong Mechanical & Electrical Polytechnic, Guangzhou 510515, China 3.South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

When the wind turbine is struck by lightning, the lightning current monitoring system is used for real-time monitoring, which can ensure the normal operation of the wind turbine. Firstly, the whole discharge process of lightning struck wind turbine and the propagation path of lightning current in wind turbine are introduced; Then, a set of lightning current monitoring system for giant wind turbine is designed; Finally, the third-party testing organization carries out two types of transient impulse current monitoring performance tests simulating typical lightning current characteristics of the monitoring system, and the relative errors of the test results are less than 5%. The test results show that the monitoring system is suitable for the monitoring of lightning current when the wind turbine is struck by lightning, and has high engineering practical value.

wind turbine; lightning current; monitoring system; Rogowski coil

廣東省普通高校重點科研平臺和科研項目（科技類）（2021ZDZX1108）；上海市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新項目（1804H175500）。

胡長鵬,黃國健,李中興,等.大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雷電流監(jiān)測系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2022,43(1):38-42.

HU Changpeng, HUANG Guojian, LI Zhongxing, et al. Lightning current monitoring system for giant wind turbine[J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(1):38-42.

胡長鵬，男，1982年生，碩士，工程師，主要研究方向：智能傳感、智能電氣技術(shù)。E-mail: 89415704@qq.com

黃國健，男，1981年生，博士，教授，主要研究方向：機(jī)電一體化技術(shù)。E-mail: Guojian.huang@gmail.com

李中興，男，1985年生，碩士，高工，主要研究方向：電氣自動化技術(shù)。E-mail: 285669644@qq.com

何振亞，女，1985年生，博士，副教授，主要研究方向：機(jī)器人技術(shù)。E-mail: mezhyhe@scut.edu.cn

TP249

A

1674-2605(2022)01-0007-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.01.007