罗氏线圈型雷击电流采集器在风电系统的应用

摘要：风力发电机多处于高原、高山、海边等雷击多发区，因其自身特点，遭受雷击的概率较大。随着发电功率的增加、风电装机总量的快速增长，雷击对风力发电机造成的损失不容忽视。风电雷电监测系统专门针对风力发电机设计，能准确地掌握风力发电机遭受雷击的时间、次数、幅值等，为该区域进行防雷设计或改造、保险理赔等提供依据。
 
　　风电雷电监测系统安装在风力发电机的轮毂及塔基内部或外部，能够实时、准确的监测到风力发电机叶片、塔基遭受雷击时的雷电流信息。
 
　　关键字：罗氏线圈  雷电流采集器  风力发电机  雷电监测系统
 
　　0 引言
 
　　雷电是自然界中的一种放电现象。
 
　　雷电放电和一般电容器放电本质相同，所不同只是这个电容器两块极板，并不是人为制造的，而是自然形成的。两块极板有时是两块云块，有时一块是云块、另一块则是大地或地面上凸出的建筑物。并且这两块极板间的距离比电容器大得多，有时可达数公里。因此，可以说雷电是一种特殊的电容器放电现象。
 
　　大气中的饱和水蒸汽，由于气候的变化，发生上升或下降的对流，在对流过程中由于强烈的摩擦和碰撞，水蒸汽凝结成的水滴就被压分解成带有正负电荷的小水滴，大量的水滴聚积成带有不同电荷的雷云。随着电荷的积聚，雷云的电位逐渐升高。当带有不同电荷的两块雷云接近到一定程度时，两块雷云间的电场强度达到25-30kV/cm时，其间的空气绝缘被击穿，引起两块雷云间的击穿放电；当带电荷的云块接近地面时，由于静电感应，使大地感应出与雷云极性相反的电荷，当带电云块对地电场强度达到25-30kV/cm时，周围空气绝缘被击穿，雷云对大地发生击穿放电。放电时出现强烈耀眼的弧光，就是我们平时看到的闪电，闪电通道中大量的正负电荷瞬间中和，造成的雷电流高达数百千安，这一过程称为主放电，主放电时间仅有μs级，放电波陡度高达50KA/μs 。
 
　　雷电放电过程中，可能呈现出静电效应、电磁效应、热效应及机械效应，对建筑物或电气设备造成危害；雷电流泄入大地时，在地面产生很高的冲击电流可达几十至几百千安，使电气设备绝缘击穿，引起火灾或爆炸，造成设备损坏。
 
　　1 罗氏线圈型雷电流采集器的基本原理和简单结构
 
　　1.1 罗氏线圈基本原理
 
　　罗氏线圈不含铁磁性材料，故没有饱和现象，且频率范围宽，响应速度快，所以能够测量数千A到数十万A的大电流而不饱和，同时线圈的重量轻，柔韧性适合任何形状电极下安装，经过积分变送处理后几乎没有相位误差影响，同时也没有像普通互感器那要存在二次开路的危险等优点，根据这些特点，我们结合雷击电流产生的特性，从而设计了具有能够快速的捕捉到雷电信息的产品，保证雷电流的大小，波形，时间等能够实时的反馈给用户，从而为以后的设计做好预案。
 
　　1.2  罗氏线圈简单结构
 
　　罗氏线圈由于它具有柔韧性，可以定做到任意长度的线圈，所以在安装上可以形式多样且不占用空间，所以非常适用各种复杂空旷的装配。
 
　　罗氏线圈固定在支架上，再用扎带将罗氏线圈线缆固定好
 
 
       
       1.3  雷电流采集器的基本原理
 
　　雷电流采集器采用FPGA芯片作为核心处理器，ADC模数转换部分使用单独的高达5MHz采样率的ADC芯片作为采样单元，后续处理和转换使用高速的单片机进行数据的计算和相关数据的输出。该产品能够记录500个雷电流的各种参数，包括雷击次数、发生时间，峰值，极性，雷击波形等。该产品采用标准的RS485接口，能够很好的与各种设备之间进行通讯连接。
 
　　1.4 雷电监测系统的基本结构
 
　　监测系统用于监测遭受雷击的雷电流信息，该监测系统主要由雷电流传感器、雷电流采集器、中控屏、电源模块及报警继电器等组成。监测信息可在触摸屏上查看或系统无线传出相关数据。
 

监测系统框架图
 
　　2 罗氏线圈型雷电流采集器的几种采集实现方式
 
　　2.1 叶片式雷电流采集方式
 
　　叶片在整个风机中属于装配在最高的位置，极易遭受雷暴的袭击，长时间雷击不仅对叶片的使用寿命有一定的影响，还会通过叶片的传导从而容易导致整个风电系统的瘫痪或损坏，我们根据这种情况，从而设计了对三个叶片进行全方位的监控，把监测到的雷电信息及时的传送到监控室，让相关维护人员能够准确的判断到准确位置。
 

       2.2 塔式雷电流采集方式
 
　　被雷电击中，风力发电机组就成为雷电泄放的通道。从附着点到大地，雷电流将流过任何阻抗最低的路径泄放入地。因此，风力发电机组的入地引下线就布置在塔基的四个面，从而可以通过在塔基的四个面装上罗氏线圈来监测雷电流数据。
 

       3 结论
 
　　雷电能量巨大，雷击方式复杂，且高原地区、海上地区雷击频繁，风机高度较高，遭受雷击的概率较大，要阻止设备毁坏，只能迅速将雷电引到地下。对风电场的雷电进行准确的测量和监测，能够对风机遭雷击的过程开展分析，从而可以对以后风机的结构设计和安装方面给出具体防雷措施。
 
　　参考文献：
 
　　1、《IEC62305 雷电防护》
 
　　2、《IEC61400-24 风力发电系统防雷保护》
 
　　3、《GL指导文件 IV-1 风力发电系统》风力发电防雷设计方案
 
　　4、陈伟球、颜云、杜尊峰.海上风电事故分析及风险防范 上海人民出版社

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