风机叶片引下线断裂故障检测与定位方法

张雁忠， 吴 寒， 董 超， 田 锰， 魏宏杰， 杨 林， 李宏博

(1. 国网新源张家口风光储示范电站有限公司， 张家口 075000； 2. 新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)， 北京 102206)

近年来，低碳清洁的可再生能源发电得到了世界各国的广泛关注，其中风力发电发展迅速，装机容量逐年稳定增加，且机组不断朝着大型化趋势发展，然而风力发电机的工作环境较为恶劣，由此引发的雷电灾害也逐渐增多[1]。雷击问题是制约风电发展的重要因素之一，对于大型风机而言，其遭受雷击的概率大大增加，同时雷击带来的危害也更为严重[2]。由叶片接闪器、引下线和接地网构成的风机直击雷防护系统，在风机防雷中扮演了十分重要的角色，减少了雷击事故的发生[3]。叶片引下线作为风机直接雷防护系统的重要组成之一，由于雷电流的多次冲击和老化问题，叶片引下线的断裂故障时有发生，引下线断裂将导致直击雷防护系统失效[4-9]，继而引发严重的雷击事故，故必须定期对叶片引下线进行检测，保证其良好。在日本，为了检查和维护防雷系统，风机公司通常每2年或3年就会停运风机[5]。因此，检测与定位叶片引下线断裂故障的方法有待研究，为风机的安全运行提供有力保障。

叶片引下线通常由主引下线和分支构成，叶尖接闪器与主引下线直接相连，而叶身接闪器与主引下线引出的分支相连，最终主引下线经风机轮毂和塔筒接至地网[10]。目前，对于检测与定位叶片引下线的断裂故障，只有少数国外学者进行了研究。Triruttanapiruk等[5]提出采用半波偶极天线理论和静电电容的方法检测叶片引下线的断裂位置，但其未考虑引下线的分支；Yamamoto等[6]提出基于X射线仪检测叶片引下线的断裂问题，但由于成本和安全问题未能得到推行。中国风电场多通过测量防雷通道电阻大小来判断其良好与否，但该方法不易实施且无法定位故障[7]。当前中外对于叶片引下线断裂故障的检测与定位方法研究尚处于初步阶段，现有的检测技术与方法较少，且存在种种问题，难以满足风电场现场检测的需求，亟需进一步提出更为有效可行的检测与定位技术。

在检测与定位叶片主引下线及其分支的断裂故障方面，具有分支结构的配电网中的故障检测与定位方法——注入脉冲法[11-12]提供了重要参考。基于注入脉冲法，以2.5 MW真机叶片引下线为研究对象，同时考虑叶片引下线特有的分支结构，搭建风机叶片引下线断裂故障仿真计算与模拟实验平台。通过仿真和实验模拟叶片引下线的典型故障，开展检测和定位方法研究，以期为风机叶片引下线断裂故障检测与定位提供新方法。

1 注入脉冲法

采用注入脉冲法定位叶片引下线的断裂故障，其原理如图1所示，利用脉冲发生装置产生高频纳秒脉冲信号，并于叶根处叶片引下线与风机轮毂的连接部位，将信号注入至叶片引下线中，同时在该处采集入射脉冲信号和故障点的反射信号，在已知脉冲信号传播速度的情况下，通过测量故障点反射信号与注入脉冲信号之间时间差，利用式(1)计算故障点距检测点的距离，即可确定故障的位置。

图1 注入脉冲法定位故障原理图

(1)

式(1)中:L为故障点距检测点的距离；v为脉冲信号在叶片引下线中的传播速度，经实测获得；Δt为故障反射信号与注入脉冲信号之间的时间差，此处取两信号波峰之间的时间差。

2 叶片引下线仿真模型搭建与故障模拟

2.1 叶片引下线仿真模型

采用某2.5 MW真机叶片引下线样品为研究对象，其叶片引下线结构与尺寸如图2所示。利用高频纳秒脉冲检测和定位叶片引下线故障时，叶片引下线需采用分布参数线路模拟，故本研究基于Simulink搭建了如图3所示的叶片引下线仿真模型。

图2 叶片引下线结构与尺寸图

图3 叶片引下线仿真模型

2.2 叶片引下线断裂故障模拟

叶片引下线具有分支结构，其分支点、分支末端、主引下线末端以及故障点均为阻抗不匹配点，脉冲信号在上述阻抗不匹配点处均会发生折反射。故采集的故障波形中反射波形较为复杂，反射波形由多个阻抗不匹配点的反射波形组成，导致故障点产生的反射波难以通过故障波形直接判断出来，所以仅依靠故障波形无法检测并定位故障。为解决故障点反射波难以识别的问题，在应用注入脉冲法时，首先获取叶片引下线在无故障情况下的波形，记为无故障波形。由于叶片引下线故障后，脉冲在故障处的传播路径不同于无故障情况，故对于发生故障的叶片引下线，利用故障波形与无故障波形作差，作差波形中率先出现变化的部分即是故障导致的。现将作差波形中首先发生变化的波形部分定义为故障反射波，计算出故障反射波与注入脉冲信号的传播时间差后，可根据式(1)确定故障位置。

2.2.1 分支断裂故障

分支点是主引下线与分支的连接处，易因雷电流和老化发生断裂故障，由于叶片引下线分支很短，故以分支点断裂故障代表分支上的可能出现的断裂故障。以图4(a)中的分支断裂故障为例，图4(b)为该故障情况下和无故障情况下的仿真波形，图4(c)为故障波形与无故障波形的作差结果。

据上述分析可知，作差波形[图4(c)]中最先出现突变的波形是由故障造成的，故根据故障反射波，可得到入射脉冲与故障反射波的传播时间差为448.80 ns，仿真模型中脉冲在引下线中的传播速度为1.56×108m/s，根据式(1)计算出故障反射波所对应的故障位置为35.01 m，与设定的故障位置(距叶根35 m处)基本相同，准确反映了分支点故障的位置。

图4 分支断裂故障及其仿真波形

2.2.2 主引下线断裂故障

在雷击发生并被接闪器接闪后，主引下线是雷电流的必经路径，一旦主引下线出现断裂故障，整个叶片防雷系统将有可能失效。图5(a)是某种主引下线断裂情况，其故障波形和无故障波形为图5(b)，故障波形与无故障波形作差得到图5(c)。

设定的故障位置在距叶根50 m处，图5(c)中的故障反射波与入射脉冲的传播时间差为655.60 ns，故计算出故障反射波对应的故障位置为51.14 m，较准确地定位了主引下线的断裂故障。

图5 主引下线断裂故障及其仿真波形

3 叶片引下线故障模拟实验

第2节中的仿真计算初步说明了该方法对于检测与定位叶片引下线断裂故障的有效性，为进一步探究该方法的实用性，在户外搭建了图6所示的风机叶片引下线实验平台，模拟风机运行时的外界环境，并基于该平台开展了多次叶片引下线分支断裂故障[图4(a)]以及主引下线断裂故障[图5(a)]模拟实验。选择脉宽为16 ns、上升沿为8.4 ns的脉冲信号，幅值取10 V。

图6 风机叶片引下线断裂故障模拟实验平台

由于实际中采集的信号往往带有噪声干扰，影响对故障反射信号的判断和故障定位精度，故首先对采集的信号进行了小波去噪[13-14]。小波去噪处理可让故障反射波易于确定，但测量本身及其他因素导致的波形差异同样会干扰故障反射波的判断，对信号进行光滑处理可让故障反射波更加明显，降低故障定位的难度[15]。

分支发生断裂故障[图4(a)]的实验波形如图7所示，其中图7(a)为故障波形与无故障波形，图7(a)中的两波形未经处理而直接作差的结果如图7(b)所示，对图7(a)中两波形进行小波去噪、光滑处理后作差得到图7(c)。依据图7(c)可得，故障反射波与入射脉冲的时间差为428.00 ns，而实测波速为1.56×108m/s，可由式(1)计算出故障的位置为33.38 m，而实际设定的分支断裂故障位置位于距叶根35 m处，故依据注入脉冲法定位分支断裂故障所产生的相对误差仅为4.63%。

图7 分支发生断裂故障时的波形

主引下线发生断裂故障[图5(a)]的实验波形如图8所示，图8(a)、图8 (b)和图8 (c)分别为故障波形与无故障波形、未经处理的故障波形与无故障波形的作差结果、故障波形与无故障波形经小波去噪和光滑处理后作差的结果。由图8(c)获得故障反射波与入射脉冲的时间差为676.00 ns，实测波速为1.56×108m/s，根据式(1)计算出故障位置为52.73 m，而实际设定的主引下线断裂故障位置位于距叶根50 m处，故依据注入脉冲法定位主引下线断裂故障所产生的相对误差仅为5.46%。

图8 主引下线发生断裂故障时的波形

两类断裂故障的实验结果与仿真模拟结果相呼应。实验研究表明，分支断裂故障与主引下线断裂故障的定位结果与实际故障位置十分接近，相对误差较小，可较准确地反映实际故障位置，在一定程度上可满足风电场的检测需求。

对实际中采集的信号进行的小波去噪和光滑处理，减小了外界因素带来的不利影响，降低了识别故障反射波的难度，同时也保证了定位的精确度。另外，提高入射脉冲的幅值可使故障反射波的幅值更大，更易于识别进而实现故障定位，风电场中可采用高幅值的脉冲信号，提高故障识别的成功率。

4 结论

(1)基于注入脉冲法，提出了一种检测和定位风机叶片引下线断裂故障的方法，在叶片根部向待检测叶片引下线注入脉冲信号，并采集其反射信号，通过对比采集的信号与无故障信号，即可判别叶片引下线有无断裂故障，并实现故障定位。

(2)该方法对于分支点断裂故障以及主引下线断裂故障均有效。实际中为提高故障检测和定位的成功率，建议采用高幅值的注入脉冲信号。

(3)根据本文方法的基本原理不难知道，对于不含分支的叶片引下线，本文方法同样有效，可以满足风电场对各类风机开展故障检测与定位工作的需求。