基于高频暂态的风机避雷线状态在线监测系统研究

王永庆

（国家电投集团江西电力有限公司湖北分公司）

0 引言

随着“双碳”概念的提出，近年来我国大力发展清洁能源，旨在早日实现碳中和。清洁能源中主要能源主力为风力发电、光伏发电、水力发电，由于风力发电其具备灵活的安装施工地点以及成熟的商业价值，因此近年来，我国大力发展风力发电，截止到2023 年，我国无论是风力发电量还是风电场装机容量均为世界第一。无论是风机系统还是控制系统性能都得到了极大的提升。为了更好的收集风能，现阶段风机叶片以及底座设计的越来越高，在恶劣天气下其遭受雷击的概率越来越大，因此在设计的时候风机避雷线隐藏于风机扇叶中，与叶片顶端的接闪器相连接，在叶片遭受雷击时，将雷电流引下至大地中，从而减小雷击对风机叶片的侵害。由于避雷线长期处于恶劣的自然环境中，一方面受到动态风机叶片系统的影响，可能出现避雷线断股的情况，另一方面受到大雷电流的影响，可能出现断线的情况，无论避雷线出现断股还是断线的情况时，当雷再次击中风机扇叶时，在大电流的作用下，风机叶片可能出现叶片变形、开裂、炸裂的情况，影响集电线路的稳定运行，因此风机避雷线线路状态监测成为了风机系统稳定运行的参考因素。

就风机避雷线状态监测方面，大量学者做出了研究，首先从离线式监测方案着手，一部分学者利用登高机器人的形式将扇叶顶端利用导线进行连接，然后采用施加固定电压，通过测量流过避雷线电流的形式进行风机避雷线电阻的形式进行状态监测，当避雷线的阻抗小于4Ω 时，判定避雷线状态为正常，该检测方法首先需要停止风机，然后需要登高机器人作业，在耗费大量人力物力以及风力发电的同时无法准确判定扇叶中避雷线是否存在断股的情况。

另一方面，一部分学者利用在线式监测方法，通过RFID 技术结合小波变换的原理进行远程预警，在风机扇叶接闪器安装传感器，在底座中安装RFID，通过近端无源传输从而实现远程监测，该方案一方面RFID 射频技术存在不稳定性，存在无法上传传感器采集信息的情况从而导致无法实时监测传感器采集的波形数据情况。

鉴于上述风机避雷线监测中问题，本文提出了一种基于高频暂态信息的风机避雷线在线监测方案。

1 风机避雷线监测研究现状

为更好的实现风能捕获，第四代风机系统，其具备搞得风机底座以及更长的风机扇叶，而风电场集电线路系统一般假设在相对开阔的区域，周围无论是建筑物还是树木都相对较低，当遭遇恶劣雷雨天气时，风机扇叶及其控制系统难受遭受雷击侵害。目前为实现风机扇叶及其控制系统的保护，一般在风机扇叶中敷设多股40mm2左右的铜线，从而实现风机扇叶及其控制系统的保护，风机避雷线可从一定程度上实现风机整体系统的保护，避雷线受到扇叶拉力以及恶劣雷雨天气，难免出现断股或者断线的情况，当避雷线出现断线或者断股的情况时，当再次受到雷击侵害时，风机扇叶轻者出现变形，开裂的情况，重者避雷线绝缘不加出现起火、断裂的情况，从而严重影响了集电线路的稳定运行。

常规的风机扇叶避雷线监测方式采用，登高机器人利用导线将风机扇叶顶部接闪器相连，工作人员在风机轮毂中采用摇表进行测量扇叶阻抗的形式（测量等效原理如图1 所示），当测量阻抗低于4Ω 时判定系统正常，从而实现风机避雷线的监测，该方法需要经过停电的形式实现，期间需要风机停运、人员登上风机轮毂才能实现状态监测，该方案为现阶段广泛使用的方案，在确定了扇叶避雷线存在问题时，通过人工切割扇叶表皮的形式进行故障排查，当出现多次切割时，无疑需要大量人力物力同时对风机扇叶本体也会造成侵害。因此，本文基于现阶段风机避雷线监测中存在的问题，基于高频暂态特性进行风电场避雷线状态状态监测及在线精确定位。

图1 等效阻抗测量示意图

图2 在线监测方案示意图

2 在线监测方案

2.1 系统构成

本文提出了一种在线式风机扇叶避雷线状态监测系统，监测终端安装于风机轮毂内，传感器安装于风机扇叶避雷线引下线中，监测装置包括主动发射特定频率的高频电流模块、传感采集模块、通讯模块，当监测装置上传异常信号时，系统自动判定风机避雷线是否存在问题，从而进行主动预警。

2.2 在线监测装置

风电场扇叶避雷线在线监测装置，安装于风机轮毂避雷线引下线内，负责主动发出高频暂态信号，同时采集折反射信号，由于风机避雷线长度一般在35m—70m之间，信号的折反射间隔时间短，为充分捕捉避雷线中可能存在的断股或者断线的情况，采用高采样率的在线监测装置，其高频采样率为10 MHz，因此该监测装置采用220 V稳定市电的形式进行供电，当监测装置采集到现场数据后，采用无线通讯的方式进行数据传输，监测装置将数据传输至远端服务器从而实现避雷线断线或者断股状态预警。

2.3 通讯主站

风电场扇叶状态监测系统主站主要用于远程操控现场监测终端，在监测终端安装后，无需工作人员登高对监测终端进行反复操作，在周期性主动发射行波，计算其避雷线中存在的可能性故障点后从而进行主动预警，将风机叶片避雷线存在的可能性断股以及断线预警发送至指定路径，系统采用无线通讯的方式实现数据交互，从而实现风机避雷线状态的全方位监测。

3 风机避雷线状态在线监测主要技术

风电场扇叶状态监测系统主要技术分为两个方面，一方面为叶片状态在线监测技术，该技术需要通过现场监测终端主动对避雷线施加高频暂态行波，同时采集其折反射行波可能存在的故障情况。另一方面为在线监测技术主动预警技术研究，该技术主要包括对现场监测终端采集的波形数据情况进行滤波、分析、处理、同时对避雷线存在的断股、断线位置进行精确定位。

3.1 在线监测采集技术

风机扇叶在线监测装置系统模块可通过主动发送高频暂态行波沿扇叶避雷线传输，此时系统会率先记录行波发生的初始行波时刻，由于风机扇叶长度的影响，因此其在断股或者断线点发生的折反射时刻与行波初始时刻较为接近，因此其波形数据处理时，需要采用较为精确的滤波算法进行实现，在进行确认了避雷线中存在故障点时，系统会进行主动计算以及预警，图3为风机扇叶在线监测系统采集处理系统流程图。

图3 风机扇叶在线监测系统采集流程

当监测系统判定该系统存在故障时，系统主动进行预警，对可能存在的故障点进行系统性排查，利用多次主动放电的过程进行判定故障，当后台服务器判定该风机避雷线存在断股或者断线的可能性时，系统主动推送预警以及告警信息至指定手机端，同时将故障计算方法以及计算的故障点信息上传至后台web中，共展示查看其具体故障信息。

3.2 在线监测算法研究

3.2.1 在线监测精确定位方法

鉴于风机扇叶避雷线特殊的运行环境，在进行高频暂态进行断股或者断线状态监测时，系统采用单端故障点精确定位的形式进行，监测装置主动发出行波，同时监测装置高频采集传感器记录故障时发出的行波，然后记录避雷线中存在的断股或者断线点的反射波进行故障精确定位，其装置监测原理如图4所示，其断股或者断线点精确定位原理公式如式（1）所示。

图4 风机扇叶避雷线高频暂态监测装置测量原理图

图4 中，A 端为风机扇叶靠近风机轮毂端，m为风机扇叶避雷线状态监测装置，F 为避雷线中可能存在的断线或者断股位置，Xm为故障点距离监测装置的位置，B 点为风机扇叶避雷线末端。故障点测距式（1）中v为特定频率高频暂态在避雷线中传输的波速度，t1为监测装置中高频电流发射模块发出行波的时刻，t2为监测装置遇到避雷线中可能存在断线点或者断股反射时刻，利用式（1）即可实现线路中存在的断股点或者断线点进行精确定位。

由于风机避雷线特殊的运行环境，该系统仅能采用单端法进行故障监测，同时由于风机扇叶遇到问题点时，可能出现断股点与断线点反射波波头与主波混叠的情况，因此在进行反射点查找时滤波以及反射点波头查找较为复杂。

3.2.2 反射点波头识别算法

在对风机扇叶进行断线或者断股监测时，采用高频暂态波形进行扇叶避雷线单端定位，由于高频暂态遇到断线或者断股点距离监测终端较近，因此在进行异常点定位时，对于监测装置采集到的信号可进行如下操作，首先对采集高频暂态信号进行滤波处理，为保留折反射点信息，采用切比雪夫滤波法进行采集的高频暂态电流进行滤波处理，为保留折反射特征，采用数学方法进行滤波处理，然后采用求取采集的高频暂态模极大值点的形式进行求解，求取其反射点时刻算法流程如下：

g（x）为数学滤波函数，式中a、b、c为定数，g（x）2 次可微，则对数学滤波函数求取其一阶倒及二阶倒。

对采集的高频暂态信号进行小波变换。

则对于风机扇叶避雷线在线监测系统采集的高频暂态波形进行波头时刻标记流程如图5。

图5 对高频暂态求取波头时刻的小波变换流程

图5 中四个信号分别为，风机扇叶避雷线在线监测系统采集的原始高频暂态信号，第二张图片为原始信号经过数学滤波函数滤波处理后的信号，第三张图为平滑处理的高频暂态信号的小波变换，第四张图为存在问题的信号经过小波变换之后的与横轴的零交叉点，从而实现了反射波信号的波头时刻求解，该方法尽可能的保留了高频暂态信号遇到避雷线断股或者断线时折反射的信号特征，从而实现了风机叶片避雷线状态在线监测。

4 结束语

现阶段广泛应用于风机扇叶避雷线监测的方法基本上采用了离线阻抗法进行监测，消耗大量的时间同时无法进行断线或者断股点精确定位，风电场扇叶避雷线在线监测系统利用模块相互配合，主动发送、采集、计算、数学处理可实现扇叶避雷线短线点或者断股点的精确定位，可大大减少风机不必要的停运时间。