羅氏線圈型雷擊電流采集器在風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用

2024-03-26 08:34:40來源：江陰市星火電子科技有限公司閱讀量：62 評論

導(dǎo)讀：風(fēng)力發(fā)電機(jī)多處于高原、高山、海邊等雷擊多發(fā)區(qū)，因其自身特點(diǎn)，遭受雷擊的概率較大。隨著發(fā)電功率的增加、風(fēng)電裝機(jī)總量的快速增長，雷擊對風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成的損失不容忽視。

　　羅氏線圈型雷擊電流采集器在風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)多處于高原、高山、海邊等雷擊多發(fā)區(qū)，因其自身特點(diǎn)，遭受雷擊的概率較大。隨著發(fā)電功率的增加、風(fēng)電裝機(jī)總量的快速增長，雷擊對風(fēng)力發(fā)電機(jī)造成的損失不容忽視。風(fēng)電雷電監(jiān)測系統(tǒng)專門針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)，能準(zhǔn)確地掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)遭受雷擊的時(shí)間、次數(shù)、幅值等，為該區(qū)域進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)或改造、保險(xiǎn)理賠等提供依據(jù)。

　　風(fēng)電雷電監(jiān)測系統(tǒng)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輪轂及塔基內(nèi)部或外部，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測到風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、塔基遭受雷擊時(shí)的雷電流信息。

　　關(guān)鍵字：羅氏線圈雷電流采集器風(fēng)力發(fā)電機(jī) 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(gè)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(shí)是兩塊云塊，有時(shí)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(shí)可達(dá)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(qiáng)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(fù)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(dāng)帶有不同電荷的兩塊雷云接近到一定程度時(shí)，兩塊雷云間的電場強(qiáng)度達(dá)到25-30kV/cm時(shí)，其間的空氣絕緣被擊穿，引起兩塊雷云間的擊穿放電；當(dāng)帶電荷的云塊接近地面時(shí)，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(dāng)帶電云塊對地電場強(qiáng)度達(dá)到25-30kV/cm時(shí)，周圍空氣絕緣被擊穿，雷云對大地發(fā)生擊穿放電。放電時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈耀眼的弧光，就是我們平時(shí)看到的閃電，閃電通道中大量的正負(fù)電荷瞬間中和，造成的雷電流高達(dá)數(shù)百千安，這一過程稱為主放電，主放電時(shí)間僅有μs級，放電波陡度高達(dá)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(jī)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(shí)，在地面產(chǎn)生很高的沖擊電流可達(dá)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(shí)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(shí)也沒有像普通互感器那要存在二次開路的危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)，我們結(jié)合雷擊電流產(chǎn)生的特性，從而設(shè)計(jì)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(shí)間等能夠?qū)崟r(shí)的反饋給用戶，從而為以后的設(shè)計(jì)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(dú)的高達(dá)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和相關(guān)數(shù)據(jù)的輸出。該產(chǎn)品能夠記錄500個(gè)雷電流的各種參數(shù)，包括雷擊次數(shù)、發(fā)生時(shí)間，峰值，極性，雷擊波形等。該產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485接口，能夠很好的與各種設(shè)備之間進(jìn)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(bào)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(shí)現(xiàn)方式

　　2.1 葉片式雷電流采集方式

　　葉片在整個(gè)風(fēng)機(jī)中屬于裝配在最高的位置，極易遭受雷暴的襲擊，長時(shí)間雷擊不僅對葉片的使用壽命有一定的影響，還會(huì)通過葉片的傳導(dǎo)從而容易導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)的癱瘓或損壞，我們根據(jù)這種情況，從而設(shè)計(jì)了對三個(gè)葉片進(jìn)行全方位的監(jiān)控，把監(jiān)測到的雷電信息及時(shí)的傳送到監(jiān)控室，讓相關(guān)維護(hù)人員能夠準(zhǔn)確的判斷到準(zhǔn)確位置。

2.2 塔式雷電流采集方式

　　被雷電擊中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就成為雷電泄放的通道。從附著點(diǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的入地引下線就布置在塔基的四個(gè)面，從而可以通過在塔基的四個(gè)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(fēng)機(jī)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(fēng)電場的雷電進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和監(jiān)測，能夠?qū)︼L(fēng)機(jī)遭雷擊的過程開展分析，從而可以對以后風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝方面給出具體防雷措施。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、《IEC62305 雷電防護(hù)》

　　2、《IEC61400-24 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)防雷保護(hù)》

　　3、《GL指導(dǎo)文件 IV-1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)》風(fēng)力發(fā)電防雷設(shè)計(jì)方案

　　4、陳偉球、顏云、杜尊峰.海上風(fēng)電事故分析及風(fēng)險(xiǎn)防范上海人民出版社

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