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羅氏線圈型雷擊電流采集器在風電系統(tǒng)的應(yīng)用
楊友振 徐心月
(江陰市星火電子科技有限公司，江蘇省江陰市 214400 )
摘要：風力發(fā)電機多處于高原、高山、海邊等雷擊多發(fā)區(qū)，因其自身特點，遭受雷擊的概率較大。隨著發(fā)電功率的增加、風電裝機總量的快速增長，雷擊對風力發(fā)電機造成的損失不容忽視。風電雷電監(jiān)測系統(tǒng)專門針對風力發(fā)電機設(shè)計，能準確地掌握風力發(fā)電機遭受雷擊的時間、次數(shù)、幅值等，為該區(qū)域進行防雷設(shè)計或改造、保險理賠等提供依據(jù)。
風電雷電監(jiān)測系統(tǒng)安裝在風力發(fā)電機的輪轂及塔基內(nèi)部或外部，能夠?qū)崟r、準確的監(jiān)測到風力發(fā)電機葉片、塔基遭受雷擊時的雷電流信息。
關(guān)鍵字：羅氏線圈 雷電流采集器 風力發(fā)電機 雷電監(jiān)測系統(tǒng)
0 引言
雷電是自然界中的一種放電現(xiàn)象。
雷電放電和一般電容器放電本質(zhì)相同，所不同只是這個電容器兩塊極板，并不是人為制造的，而是自然形成的。兩塊極板有時是兩塊云塊，有時一塊是云塊、另一塊則是大地或地面上凸出的建筑物。并且這兩塊極板間的距離比電容器大得多，有時可達數(shù)公里。因此，可以說雷電是一種特殊的電容器放電現(xiàn)象。
大氣中的飽和水蒸汽，由于氣候的變化，發(fā)生上升或下降的對流，在對流過程中由于強烈的摩擦和碰撞，水蒸汽凝結(jié)成的水滴就被壓分解成帶有正負電荷的小水滴，大量的水滴聚積成帶有不同電荷的雷云。隨著電荷的積聚，雷云的電位逐漸升高。當帶有不同電荷的兩塊雷云接近到一定程度時，兩塊雷云間的電場強度達到25-30kV/cm時，其間的空氣絕緣被擊穿，引起兩塊雷云間的擊穿放電；當帶電荷的云塊接近地面時，由于靜電感應(yīng)，使大地感應(yīng)出與雷云極性相反的電荷，當帶電云塊對地電場強度達到25-30kV/cm時，周圍空氣絕緣被擊穿，雷云對大地發(fā)生擊穿放電。放電時出現(xiàn)強烈耀眼的弧光，就是我們平時看到的閃電，閃電通道中大量的正負電荷瞬間中和，造成的雷電流高達數(shù)百千安，這一過程稱為主放電，主放電時間僅有μs級，放電波陡度高達50KA/μs 。
雷電放電過程中，可能呈現(xiàn)出靜電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)及機械效應(yīng)，對建筑物或電氣設(shè)備造成危害；雷電流泄入大地時，在地面產(chǎn)生很高的沖擊電流可達幾十至幾百千安，使電氣設(shè)備絕緣擊穿，引起火災(zāi)或爆炸，造成設(shè)備損壞。
1 羅氏線圈型雷電流采集器的基本原理和簡單結(jié)構(gòu)
1.1 羅氏線圈基本原理
羅氏線圈不含鐵磁性材料，故沒有飽和現(xiàn)象，且頻率范圍寬，響應(yīng)速度快，所以能夠測量數(shù)千A到數(shù)十萬A的大電流而不飽和，同時線圈的重量輕，柔韌性適合任何形狀電極下安裝，經(jīng)過積分變送處理后幾乎沒有相位誤差影響，同時也沒有像普通互感器那要存在二次開路的危險等優(yōu)點，根據(jù)這些特點，我們結(jié)合雷擊電流產(chǎn)生的特性，從而設(shè)計了具有能夠快速的捕捉到雷電信息的產(chǎn)品，保證雷電流的大小，波形，時間等能夠?qū)崟r的反饋給用戶，從而為以后的設(shè)計做好預(yù)案。
1.2 羅氏線圈簡單結(jié)構(gòu)
羅氏線圈由于它具有柔韌性，可以定做到任意長度的線圈，所以在安裝上可以形式多樣且不占用空間，所以非常適用各種復(fù)雜空曠的裝配。
羅氏線圈固定在支架上，再用扎帶將羅氏線圈線纜固定好
1.3 雷電流采集器的基本原理
雷電流采集器采用FPGA芯片作為核心處理器，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用單獨的高達5MHz采樣率的ADC芯片作為采樣單元，后續(xù)處理和轉(zhuǎn)換使用高速的單片機進行數(shù)據(jù)的計算和相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出。該產(chǎn)品能夠記錄500個雷電流的各種參數(shù)，包括雷擊次數(shù)、發(fā)生時間，峰值，極性，雷擊波形等。該產(chǎn)品采用標準的RS485接口，能夠很好的與各種設(shè)備之間進行通訊連接。
1.4 雷電監(jiān)測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
監(jiān)測系統(tǒng)用于監(jiān)測遭受雷擊的雷電流信息，該監(jiān)測系統(tǒng)主要由雷電流傳感器、雷電流采集器、中控屏、電源模塊及報警繼電器等組成。監(jiān)測信息可在觸摸屏上查看或系統(tǒng)無線傳出相關(guān)數(shù)據(jù)。
監(jiān)測系統(tǒng)框架圖
2 羅氏線圈型雷電流采集器的幾種采集實現(xiàn)方式
2.1 葉片式雷電流采集方式
葉片在整個風機中屬于裝配在最高的位置，極易遭受雷暴的襲擊，長時間雷擊不僅對葉片的使用壽命有一定的影響，還會通過葉片的傳導(dǎo)從而容易導(dǎo)致整個風電系統(tǒng)的癱瘓或損壞，我們根據(jù)這種情況，從而設(shè)計了對三個葉片進行全方位的監(jiān)控，把監(jiān)測到的雷電信息及時的傳送到監(jiān)控室，讓相關(guān)維護人員能夠準確的判斷到準確位置。
2.2 塔式雷電流采集方式
被雷電擊中，風力發(fā)電機組就成為雷電泄放的通道。從附著點到大地，雷電流將流過任何阻抗最低的路徑泄放入地。因此，風力發(fā)電機組的入地引下線就布置在塔基的四個面，從而可以通過在塔基的四個面裝上羅氏線圈來監(jiān)測雷電流數(shù)據(jù)。
3 結(jié)論
雷電能量巨大，雷擊方式復(fù)雜，且高原地區(qū)、海上地區(qū)雷擊頻繁，風機高度較高，遭受雷擊的概率較大，要阻止設(shè)備毀壞，只能迅速將雷電引到地下。對風電場的雷電進行準確的測量和監(jiān)測，能夠?qū)︼L機遭雷擊的過程開展分析，從而可以對以后風機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和安裝方面給出具體防雷措施。
參考文獻：
1、《IEC62305 雷電防護》
2、《IEC61400-24 風力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護》
3、《GL指導(dǎo)文件 IV-1 風力發(fā)電系統(tǒng)》風力發(fā)電防雷設(shè)計方案
4、陳偉球、顏云、杜尊峰.海上風電事故分析及風險防范 上海人民出版社
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