首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 电力工业论文 > 脉冲参数对风机防雷系统引下线故障检测的影响研究

脉冲参数对风机防雷系统引下线故障检测的影响研究

2024-12-20 65 上传者：管理员

摘要：应用时域反射法对风电机组防雷系统引下线的故障进行检测。首先，分析了基于时域反射法的风电机组引下线故障检测原理；然后，搭建了风电机组防雷系统引下线故障检测电路仿真模型，模拟了75 m的引下线和引下线故障过程；最后，根据仿真结果，分析了脉冲参数对时域反射法故障检测结果的影响。

关键词：
故障检测
时域反射法
脉冲参数
风力发电
风电机组引下线
加入收藏

风力发电作为可再生能源领域中最重要的发电方式之一，其发电设施所处的环境复杂恶劣，且风力发电机的桨叶较高，致使雷击事故发生的频率也相对较高。因此，建立了风电机组防雷保护系统，该系统主要由避雷针、引下线和接地装置3部分组成，其中，引下线通常采用绝缘铜芯电缆或绞合导线等材料制作，并安装在风力发电机组塔筒内部或外部，一旦发生雷击，引下线将电流引至接地装置，再通过接地装置将电流引入大地，以避免雷击事故对风电机组造成损害。引下线的设计、选材和安装对于风电机组防雷保护系统的有效性具有重要的影响[1]。

1、研究背景

根据GB 50601—2010《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》，对引下线的施工和质量验收进行了详细规定。引下线是整个防雷系统中非常关键的一部分，其不仅需要与接闪器和接地装置进行连接，还需要将风电机组避雷线或避雷针接收到的雷击电流引向接地装置，并通过接地装置将雷击电流导入大地，以保证风电机组设备的安全性。在传导雷击电流的同时，引下线也会在一定程度上被损耗，同时，其自身还存在老化问题，引下线一旦出现故障，将会影响整个风电机组防雷保护系统的正常运行。引下线故障检测流程如图1所示。

2、时域反射法的检测原理

风电机组的引下线在正常运行时可视为均匀传输的导线，其各个位置的阻抗相等，当引下线发生老化、断股、断线故障时，故障部位的阻抗将发生变化。应用时域反射法（Time Domain Reflectometry,TDR）时，需要在引下线的一端施加1个短脉宽的脉冲信号，当电压信号在引下线中传输时，若遇到阻抗变化，便会反射部分信号，另一部分信号则会继续沿传输路径传播[2]。通过采集引下线的输入脉冲信号与反射波，并测量输入脉冲与反射波的时间差，可以计算出传输路径中阻抗变化点的位置，即引下线的故障位置[3]。引下线分布参数等效模型如图2所示。

图1 引下线故障检测流程图

图2 引下线分布参数等效模型图

引下线等效模型的KVL电压方程计算公式为：

式中：u(x,t）为引下线上位于x位置和t时刻的电压，R0为引下线等效模型的单位长度电阻，i(x,t）为引下线上位于x位置和t时刻的电流，L0为引下线等效模型的单位长度电感。

引下线等效模型的KCL电流方程计算公式为：

式中：G0为引下线等效模型的单位长度电导，C0为引下线等效模型的单位长度电容。

引下线等效模型节点电压的计算公式为：

式中：u1为模型前行电压波，u2为模型反行电压波。

引下线等效模型支路电流的计算公式为：

式中：i1为模型前行电流波，i2为模型反行电流波。

根据高电压技术理论，在引下线中施加的脉冲信号以电磁波的形式进行传播。电磁波在传输导线中的传播速度计算公式为：

对一般传输导线而言，电磁波在其中的传播速度约为1.5×108m/s。

输入脉冲信号与第1个反射波的时间差为t，则出现故障的位置到引下线施加脉冲的位置之间的距离x的计算公式[4]为：

3、引下线故障检测仿真模型

引下线故障检测仿真模型（见图3）主要包括脉冲发生器V、负载电阻R1、与引下线串联的电阻R2及有损传输线模型T1和T2。其中，V提供检测所需的脉冲信号，V1为脉冲初始值，V2为脉冲幅值，TD为延迟时间，TR为脉冲上升时间，TF为脉冲下降时间，PW为脉冲宽度，PER为脉冲周期，T1和T2用于模拟75 m长的引下线，R3则用于模拟引下线断线故障，而传输线模型的末端接地则代表引下线与接地装置的连接。

图3 引下线故障检测仿真模型图

4、脉冲参数对故障检测结果的影响

4.1 脉冲频率的影响

根据线性共振分析技术的研究发现，在宽频传输中，风电机组引下线的传输性能受到引下线长度与电信号波长的影响，会呈现出不同的状态。信号频率和波长的关系可用式（7）表示：

式中：λ为输入脉冲信号的波长，f为输入脉冲信号的频率。

当引下线长度大于电信号波长时，引下线的阻抗在整个回路阻抗中占比较大，这时需要考虑引下线的分布阻抗。在这种情况下，电信号在电缆中的传播速度将减缓，信号在引下线中形成的振荡周期将延长，从而形成完整的振荡。此时，通过分析引下线的传输特性，就可以判断引下线的故障。

当引下线长度小于电信号波长时，脉冲信号在引下线无法形成完整的振荡，但引下线的长度是固定的，为确保引下线长度大于信号的波长，以及信号的完整性和传输质量，在设置检测信号频率时，需要根据待检测引下线的实际长度进行计算，当检测到100 m的引下线时，检测信号频率建议不得低于1.5 MHz。

4.2 脉冲幅值的影响

保持脉宽和引下线的其他参数不变，通过改变脉冲幅值，设置10、60、100 V 3种不同的脉冲幅值（见图4），以此探究其对仿真分析结果的影响。

图4 不同脉冲幅值波形结果示意图

由图4可知，对引下线施加10、60、100 V的脉冲后，虽然反射波的幅值发生了一定的变化，但是其脉宽始终保持一致，且反射波的时间相同。因此，改变脉冲的幅值不影响引下线故障的检测和定位。然而，在实际测量过程中，由于外界因素的干扰，当引下线施加的脉冲幅值越高，杂波和外界干扰的抑制效果越显著。

4.3 脉冲宽度的影响

深入探讨了脉宽对于仿真分析的影响，设定了200～1 000 ns不同的脉宽，并对这些数值下的引下线反射波形的差异进行对比。通过发射200、400、800、1 000 ns的脉冲，对75 m的正常引下线进行模拟仿真。在200、400、800 ns的脉冲作用下，反射波的宽度也会随原脉冲发生变化，但反射波的幅值及出现时间都不会发生改变，且第1个反射波出现的时间等于脉冲在引下线起始点到断线处传播1个来回所需的时间。然而，在1 000 ns脉冲的作用下，反射波与原脉冲会发生混叠失真。因此，改变原脉冲脉宽对反射波幅值和反射时间没有影响，仅会改变反射波宽度，但反射波宽度始终与原脉冲保持一致。同时，脉冲发生器施加的脉冲脉宽也不宜过大，当原脉冲脉宽大于或等于第1个反射波出现的时间时，原脉冲会与反射波发生混叠，不利于对引下线故障进行判断。另外，当脉宽过窄时，脉冲能量过低，在传播过程中损耗过大，从而导致反射波或幅值过小。因此，在实际应用中，100～400 ns的脉宽最为适宜。

5、实践应用

基于时域反射法，将高频脉冲施加到风电机组引下线等效模型上，可以实现对断线和断股故障的检测和定位[5]。

通过分析施加的脉冲信号与采集的反射波信号，并结合电磁波在引下线中的传播速度和脉冲与反射波的时间差，进而计算出故障点的位置。同时，使用电路仿真软件进行仿真建模，以研究脉冲参数对检测结果的影响。当引下线很短，且传输信号的频率很低时，此时的引下线对整个电路响应及电路阻抗是没有影响的，整个回路阻抗等于负载阻抗。但是，如果引下线足够长或信号频率较高，导线阻抗在整个回路阻抗中占比较大，此时可以通过分析引下线的传输特性判断引下线的故障。

6、结论

1）根据引下线的实际长度选择合适的频率，使引下线长度大于信号的波长，以保证信号的完整性和传输质量。在检测100 m的引下线时，检测信号频率建议不得低于1.5 MHz。

2）脉冲的幅值不会影响施加脉冲与反射波的时间差，但在实际中需要增加脉冲的幅值，避免由于传播过程中的损耗过大从而导致无法检测到反射波。

3）脉冲宽度过大会导致施加的脉冲与反射波发生混叠，且无法得到准确的时间差，脉冲宽度过小会导致脉冲能量不足，无法检测到反射波。因此，在实际中建议选用100～400 ns的脉宽进行检测。

4）针对风电机组引下线故障的全面检测，后续还需要对引下线其他故障如老化、绝缘层损坏等进行检测，并深入研究脉冲波形对故障检测的影响。

参考文献:

[1]李宏博,李庆民,郭子炘,等.基于纳秒脉冲反射定位的风机叶片引下线断裂故障检测方法[J].高电压技术,2021,47(3):1100-1108.

[2]张明熙,李凌峰,潘雷,等.风力发电机组叶片引下线断线检测技术[J].绿色科技,2023,25(8):244-250.

[3]林其友,张建华,王治林,等.内设防雷引下线风力机雷击暂态特性分析[J].科学技术与工程,2019,19(35):215-220.

[4]刘磊.基于行波法的避雷线断股检测方法研究[D].包头:内蒙古科技大学,2022.

[5]卢涛.窄脉冲时域反射技术在电缆检测中的应用[J].电器工业,2011(2):66-70.

文章来源:朱得利,蔡凯.脉冲参数对风机防雷系统引下线故障检测的影响研究[J].能源与节能,2024,(12):151-153.