羅氏線圈型雷擊電流采集器在風電系統的應用
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：風力發電機多處于高原、高山、海邊等雷擊多發區，因其自身特點，遭受雷擊的概率較大。隨著發電功率的增加、風電裝機總量的快速增長，雷擊對風力發電機造成的損失不容忽視。風電雷電監測系統專門針對風力發電機設計，能準確地掌握風力發電機遭受雷擊的時間、次數、幅值等，為該區域進行防雷設計或改造、保險理賠等提供依據。
風電雷電監測系統安裝在風力發電機的輪轂及塔基內部或外部，能夠實時、準確的監測到風力發電機葉片、塔基遭受雷擊時的雷電流信息。
關鍵字：羅氏線圈 雷電流采集器 風力發電機 雷電監測系統
0 引言
雷電是自然界中的一種放電現象。
雷電放電和一般電容器放電本質相同，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，有時可達數公里。因此，可以說雷電是一種特殊的電容器放電現象。
大氣中的飽和水蒸汽，由于氣候的變化，發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，使大地感應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，雷云對大地發生擊穿放電。放電時出現強烈耀眼的弧光，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，可能呈現出靜電效應、電磁效應、熱效應及機械效應，對建筑物或電氣設備造成危害；雷電流泄入大地時，在地面產生很高的沖擊電流可達幾十至幾百千安，使電氣設備絕緣擊穿，引起火災或爆炸，造成設備損壞。
1 羅氏線圈型雷電流采集器的基本原理和簡單結構
1.1 羅氏線圈基本原理
羅氏線圈不含鐵磁性材料，故沒有飽和現象，且頻率范圍寬，響應速度快，所以能夠測量數千A到數十萬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點，根據這些特點，我們結合雷擊電流產生的特性，從而設計了具有能夠快速的捕捉到雷電信息的產品，保證雷電流的大小，波形，時間等能夠實時的反饋給用戶，從而為以后的設計做好預案。
1.2 羅氏線圈簡單結構
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模數轉換部分使用單獨的高達5MHz采樣率的ADC芯片作為采樣單元，后續處理和轉換使用高速的單片機進行數據的計算和相關數據的輸出。該產品能夠記錄500個雷電流的各種參數，包括雷擊次數、發生時間，峰值，極性，雷擊波形等。該產品采用標準的RS485接口，能夠很好的與各種設備之間進行通訊連接。
1.4 雷電監測系統的基本結構
監測系統用于監測遭受雷擊的雷電流信息，該監測系統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。監測信息可在觸摸屏上查看或系統無線傳出相關數據。
監測系統框架圖
2 羅氏線圈型雷電流采集器的幾種采集實現方式
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從而容易導致整個風電系統的癱瘓或損壞，我們根據這種情況，從而設計了對三個葉片進行全方位的監控，把監測到的雷電信息及時的傳送到監控室，讓相關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測雷電流數據。
3 結論
雷電能量巨大，雷擊方式復雜，且高原地區、海上地區雷擊頻繁，風機高度較高，遭受雷擊的概率較大，要阻止設備毀壞，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測，能夠對風機遭雷擊的過程開展分析，從而可以對以后風機的結構設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 風力發電系統防雷保護》
3、《GL指導文件 IV-1 風力發電系統》風力發電防雷設計方案
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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