基于风力发电机桨叶避雷线断线检测系统研究

2020-06-15王金明马高晨

绿色科技 2020年6期

王金明，马高晨

(内蒙古科技大学，内蒙古包头 014000)

1 引言

当风电机组的桨叶在正常工作运行中，容易遭受到极端天气的影响，使风电机的桨叶中机械系统或电气系统遭到损害，严重时还会引发叶片的爆炸、起火等大型事故[1]。所以风电机桨叶避雷线的检测显得尤为重要。目前，传统测量避雷线断线的方法主要是欧姆定律检测法。完好的避雷线在外加电压作用下表现出极低的电阻值而彻底断裂的导线在外加电源作用下电阻则表现为无穷大。基于此,原理进行的避雷线测试必须将所测量的避雷线形成完整的闭合回路进行测试。但这样需要将叶尖处的接闪器进行连接，目前的检测方法都需要吊车或自爬机器人的辅助。这样的方法效率非常低下，测试一台风机的专业辅助器械会产生巨大的人工及机械使用费用。

本文根据以上提出的问题设计了一种风力发电机桨叶避雷线断线检测系统，该系统主要由信号发生器、高频电流传感器、高速信号采集卡构成。通过信号发生器给出脉冲信号经过高频电流传感器，根据行波法原理将测得的回波信号输入到高速信号采集卡中，通过软件检测入射波和反射波之间的时间差及电磁脉冲波在避雷线中的传播速度，依据S=V×T,确定入射脉冲信号在避雷线中传播的距离，再根据已知叶片长度和测试到避雷线的长度0.5 S进行对比判断，避雷线是否断线。

2 避雷线断线检测系统基本原理

2.1 行波检测法

行波法的基本原理就是当故障发生时，故障点产生的行波接近光速向线路两端传播，通过记录行波到达两端变电站的精确时间，计算故障点的位置(图1)[2]。

给出一个行波信号，当反射波到达故障点时，由于该点为金属性短路，发生全反射，这时反射系数为-1，入射波全部被反射，并改变了极性，返回检测端 M，在 t2时刻到达 M 点[3～5]。因此，测出的时间将决定定位的准确性。这就要求采样的频率高。

图1 行波检测原理示意

2.2 Rogowski线圈传感器原理

Rogowski线圈是一种空心环形线圈。

由安培环路定律得:

∮H·dl=I(t)

(1)

M=μ0Nhln(b/a)/2π

(2)

L=μ0N2hln(b/a)/2π

(3)

式(1～3)中H为线圈内部的磁场强度，B为线圈内部的磁感应强度，μ0为真空磁导率，N为线圈匝数，e(t)为线圈两端的感应电压，a,b分别为线圈横截面的内外径,h为截面高度。由此可见，线圈一定时，M为定值，线圈的输出电压与di/dt成正比。

2.3 新型高频传感器

在Rogowski线圈传感器的基础上对传感器线圈的结构进行改变，该系统中使用的传感器磁芯为铁氧体材料，将缠绕的铜线改成三层铜片叠加的结构[6]。

将传统传感器线圈改为使用铁氧体磁芯，铜带缠绕的传感器。铜带增加层数是使线圈增大电容，形成慢波传感器。慢波传感器有利于高速信号的采集。故该新型高速传感器可以精确定位避雷线断线的具体位置。

2.4 风机桨叶避雷线断线检测系统基本流程

利用脉冲信号发生器产生高频脉冲波，将脉冲入射波传导到叶片根部避雷线中，高频脉冲沿避雷线向叶尖传播，传输到叶片叶尖处产生反射波，反射波从叶尖处传回叶根处，利用高平电流传感器及高速采集装置，采集入射波和反射波，通过软件检测入射波和反射波之间的时间差，根据行波法原理，确定得出避雷线的实际断线位置[7]。

系统主要包括脉冲信号发生模块，高频电流传感器模块，信号采集模块及数据处理模块四部分。其中信号发生部分负责产生行波脉冲信号，高频电流传感器负责检测高速的回波信号，信号采集部分负责采集检测到的高频回波信号，数据处理部分负责分析回波信号，判断故障类型和故障点位置。该部分主要由系统分析部分获得的数学模型进行编程分析，并给出分析结果[8]。

2.5 高速数据采集卡

本系统的信号采集装置需用不小于2 Gs/s的采样率，带宽不小于500M的采集装置，以便准确定位断线位置和存储数据。本课题采用的M4I.22xx适合超高采样率和高输入带宽的应用。6个最快的型号有1 GHz的带宽，3个较慢的型号也有500 MHz。

M4I.22xx有多达4个数据通道和A/D转换器核心，每个输入通道可以适应各种各样的信号源。这些版本的采样率为1.25 Gs/s，最高可达5 Gs/s。还可以使用内部同步总线更新到多通道系统数据写入内部4 G示例大内存中。该存储器也可用作FIFO缓冲区。在FIFO模式下，数据将在线传输到PC RAM或硬盘中，M4I.22xx高速数据采集卡符合实际要求[9,10]。