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风电机组叶片雷电在线监测预警的研究

日期:2023-01-10    来源:找防雷  作者:袁振强 刘壮

国际风力发电网

2023
01/10
14:14
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关键词: 风力发电机组 海上风 风机雷电防护

摘要:在风力发电机组日常运行中,雷电时刻威胁着风机的安全。风机高度较高,不论是山地风电、陆地风电还是海上风电,机组通常分布在雷电自然聚集区,因此雷电的高发率对于风机的安全来说成为至关重要的一个危害源。本文设计了一种新型雷电在线监测预警装置,可对叶片遭受雷击情况进行实时数据监测和统计,为后续风机雷电防护的研究和寻找合理的雷击防护解决方案提供数据理论基础。

1 引言

随着全国新能源装机容量的不断增大,其中风力发电机组的容量也在逐年递增,轮毂高度也从原来的50m左右升高到目前的150m多,一般的叶片的高度就长达30m,由于一般的风力发电机都安装在比较开阔的区域,所以,风力发电机组遭受雷击的风险和概率就比较的高,在一般的雷击事件中,因为雷电的巨大功率而释放的能量能够使得风机的叶片发生爆裂、风电机组的自动化控制和通信原件被烧坏以及电气绝缘被击穿等现象。

2 监测系统实施目的

在风电机组遭受雷击的事件中,一般风机遭受损害最严重的是控制系统,占50%左右,叶片被损害的概率将近20%,电气系统的占有25%左右,其他的发电机身等占有5%左右。目前我国在控制系统等的防护方面已经取得一定的进展,但是在叶片的雷击防护方面却比较的落后。现有叶片雷击检测装置功能单一,不能及时有效的收集到相关叶片雷击数据,开展风机发电机组叶片雷击在线检测研究尤为重要。

3 现有风电系统雷击监测现状及问题

3.1 现状分析

目前,我国风机雷电监测技术主要采用雷电峰值记录卡,捆绑安装在扇叶避雷针引下线位置,检测记录雷击电流的峰值,并通过定期拆卸峰值记录卡后,通过专用读卡仪器进行数据的读取和记录。

3.2 存在的问题

使用峰值记录卡方法进行雷电流峰值监测存在的缺点也很明显,主要有以下几点:

3.2.1 雷电流记录卡不能反馈叶片遭雷击的确切位置,只有当叶片损坏,维护人员才能确定损害的确切位置。

3.2.2 雷电记录卡只能记录多次雷击的最大值,不能记录单次雷击的雷电流峰值、雷击时间、雷击次数等数据。

3.2.3 雷电流记录卡监测的雷电流数据不可实时在线查询,只能由维护人员定期拆卸后送设备厂家进行读取和数据登记。

3.2.4 没有在线检测及通信功能,导致现场维检人员无法及时得到整个风电场叶片的雷击情况。

4 实现的目标和达成的效果

4.1 目标和效果

本文设计了一种雷电在线检测装置,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,及时对叶片损坏程度进行预警,即为后续叶片雷电防护的研究和寻找合理的雷击防护解决方案提供数据理论基础。通过雷击数据的监测和分析,提供防护解决方案和预防防护研究理论支撑,最终实现降低经济损失的目的。

4.2 监测系统实施依据

通过上述现状的了解和分析,有必要提出一种风电机组叶片雷电流实时监测系统,以方便实时检测雷击发生的时刻、雷电流峰值和雷击次数,同时对整个风场的风机叶片雷击监测数据进行汇总和系统数据分析。为后续雷击防护系统的研究和风机雷击安全管理提出目标和理论依据。

表 实现的功能和目标

5 监测方案的设计

本设计方案通过在在叶片接闪器引下线上安装传感器,并将雷电流信号记录下来,通过进一步转换并传输至雷电监控管理系统,雷电监控管理系统对数据监测、分析、研究。主要分为数据采集、数据监测、数据转换、数据传输及数据分析等模块,采用USART收发模块相连。防雷测控单元、雷电测控单元、雷电预警分析单元和智慧雷电预警防护单元采用一块STM32F103VCT6单片机来实现。

5.1 数据采集

在风机顶部轮毂内安装3套雷电监测记录仪,监测仪所需AC220V电源取自轮毂内变桨电机控制电源。在每个叶片接闪器引下线上分别安装霍尔传感器和温度传感器,并连接至监测记录仪。

5.2 监测模块

LM系统监测仪是专门用于原始数据信息的采集和监测,主要包括SPD监测和雷电流监测。

SPD监测模块包含一路开关量状态监测、一路温度测量和一路泄漏电流监测,可对SPD的工作状态、后备断路状态的SPD的工作温升进行监测,不但可实时了解设备的劣化、电压、漏流、温湿度等参数,还可通过温度测量初步的了解SPD的老化情况。防雷测控模块可采用采用PowerSA-SUNm16-L。

雷电流监测模块具备雷击次数记录、一路波形监测,具有时间记录、强度、极性、变化率、能量监测功能。可将雷电流发生时间、次数、幅值等参数,空开工作状态,接地电阻值等现场实时连续监测。雷电流测控模块采用AT4182型号,计数器可采用RKSPD-MLT30;雷击定位模块采用ADTD-F;直击雷检测模块采用兆宇ZYFL-120K;雷电传感器采用TSS928,闪电定位仪采用ADTD-A,场强电压测控模块采用RJ-2型高频。

图 监测模块示意图

5.3 数据传输和转换

雷电监测数据的传输需要通过6芯屏蔽双绞线自轮毂内通过主轴通道引出至风机顶部机舱内。再通过串口服务器(实现RS485转以太网)将转换为网线,通过屏蔽网线连接到风机底部的传输控制箱内,借助备用传输光纤传输数据到场站监控室。无线数据传输模块支持NB-IOT/4G网络传输,通过无线传输方式把接收到的数据终端的数据传到服务器。

5.4 电源模块

监测仪使用220V交流电源,引自叶片机舱内的照明电源。串口服务器使用5V直流电,电源模块将机舱控制内的220V交流电整流为5V直流电,连接串口服务器。

5.5 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。

场站监控室安装接收主机,各风机监测单元的数据均上传至采集终端,监控室内任意电脑安装监控系统,通过接收主机上传至电脑客户端,实现监测数据的历史查询和数据记录,并形成不同形式的报表供数据分析使用。

可实时监控各防雷设备,雷电环境,接地状态等运行状况,集中统一的运维管理。基于MS Windows操作系统,具有故障定位报警,确保了雷电监测系统完全可靠稳定运行,也可通过web浏览器访问管理中心数据,可实现安全预警管理,紧急事件响应等智能化管理业务和数据分析等功能。结构使用简单,B/S架构(也可以选用C/S架构),IE方式管理和浏览,多级联网权限,用户分组管理,稳定强大的后台数据库业务,日志管理和统计报表管理,可实时自动巡检告警。具备统计、导出、打印等功能,为维保以及定期巡检提供便利。

6 结语

本文针对叶片雷电检测提出了一种新的检测方式,并申请了实用新型专利,在叶片接闪器引下线上安装直击雷监测装置,可以在线实时检测到叶片雷击情况,并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率,同时还可以提高风电场的经济效益,降低维护强度。

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