应用脉冲回波的避雷线断线检测系统研究.pdf
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1、引用格式:引用格式:王金明,刘磊,张飞,等.应用脉冲回波的避雷线断线检测系统研究J.中国测试,2024,50(3):111-115.WANGJinming,LIULei,ZHANGFei,etal.ResearchondetectiontechnologyoflightningarresterlinebreakbasedonpulseechoJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):111-115.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022010092应用脉冲回波的避雷线断线检测系统研究王金明,刘磊,张飞,李忠虎,陈越(内蒙古科技大学信息工
2、程学院,内蒙古包头014010)摘要:为高效率、低成本地检测风力发电机组桨叶避雷线断线位置,设计基于脉冲回波的避雷线断线检测系统。该系统以单端行波法为原理,由信号发生模块,传感器模块,信号采集模块、控制器模块四部分构成。信号发生模块负责产生行波脉冲信号,传感器模块负责采集回波信号,信号采集模块负责将采集到的回波信号处理转化送给控制模块,控制模块负责分析回波信号,判断故障类型和故障点位置。该文对各个模块的电路和性能参数进行设计,搭建整体的检测系统。经实验验证,该系统可以精准的实现断线判断,并获得断线位置,测量误差精确到 0.5m 以内。关键词:叶片避雷线;行波法;罗氏线圈;回波;断线位置中图分类
3、号:TN792;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03011105Research on detection technology of lightning arrester line break based on pulse echoWANGJinming,LIULei,ZHANGFei,LIZhonghu,CHENYue(SchoolofInformationEngineering,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China)Abstract:Inordertodetectthel
4、ocationoflightninglinebreakageinwindturbinepaddleswithhighefficiencyandlowcost,thepulse-echobasedlightninglinebreakagedetectionsystemisdesigned.Thesystemisbasedontheprincipleofsingle-endedtravelingwavemethodandconsistsoffourparts:signalgenerationmodule,sensormodule,signalacquisitionmoduleandcontroll
5、ermodule.Thesignalgenerationmoduleisresponsibleforgeneratingthetravelingwavepulsesignal,thesensormoduleisresponsibleforcollectingtheechosignal,thesignalacquisitionmoduleisresponsibleforprocessingthecollectedechosignalintothecontrolmodule,andthecontrolmoduleisresponsibleforanalyzingtheechosignaltodet
6、erminethefaulttypeandfaultpointlocation.The paper designs the circuit and performance parameters of each module to build the overalldetectionsystem.Itisexperimentallyverifiedthatthesystemcanaccuratelyrealizethebrokenwirejudgmentandobtainthelocationofthebrokenwirewithanaccuratemeasurementerrorwithin0
7、.5m.Keywords:bladelightningconductor;travelingwavemethod;Rochecoil;echo;boltlocation收稿日期:2022-01-21;收到修改稿日期:2022-03-31基金项目:内蒙古自治区应用技术研究与开发资金项目(2021GG0048,2021GG0433);昆都仑区科技计划项目(YF2020011)作者简介:王金明(1980-),男,山东诸城市人,副教授,主要研究方向为智能检测仪表、光电检测方法。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,20240 引言
8、风力发电是一种利用可持续再生能源的新型发电技术,在社会生产的供电中所占的比例越来越高1。风电机组大多分布在雷电较多的山地、海边且自身高度较高,导致风力发电机组遭受雷击的可能性大大增加2。雷电如果击中正常运行发电的风电机组,会对发电系统造成严重损害,并导致较长的停工,进而导致发电量的减少,并且风电机组造价昂贵,如果被雷击中,就要承担受损桨叶的拆装及更换的巨额费用。在长时间的变速环境下,风电机组叶片内的避雷线遭受着张力3,再加上风机运行过程中会出现雷电流的多次冲击和老化问题4,导致避雷线出现断股甚至断裂等严重故障,断线情况如图 1所示。目前风机叶片被击中率达 4%,并且损坏率达到了 15%,绝大多
9、数都是避雷线断股断线导致的。因此避雷线铜导体的完好对于风电机组防雷和机组的安全运行有着至关重要的作用,所以避雷线的断线测试工作尤为重要。图 1 避雷线断线图目前,国外有基于 X 射线仪检测避雷线断裂问题的检测方法,但是由于成本和安全问题未得到推行5,以及采用半波偶极天线理论和静电电容的方法检测避雷线断线位置,但其未考虑引线的分支6。国内外现场使用的主要方法是利用欧姆定律,该方法需要将工作人员通过吊篮吊下,在叶片外部搭线与避雷线形成回路才可以测得通断,所以此方法效率低下且费用较高。为高效率、低成本且方便灵活检测避雷线断线位置,本文基于行波法开发了一种断线检测设备,此设备由一台笔记本电脑加外置传感
10、系统组成,可以单手携带,进入风机内部在风机轮毂处检测避雷线的通断,并确定断线具体位置。在确定断线位置后,可拆卸风机叶片的侧面板,对避雷线进行修补,节省更换避雷线的费用。1 检测方法及原理行波法故障的定位的基本原理7是当传输线路中某位置发生故障时,根据行波在线路中的传播速度,测量行波在传输线路中的传播时间,判断得到故障距离,进而就可判断出故障位置8,其用了行波的波速9及传输时间两个特征量来进行故障点位置判断,整体性能受电阻、线路结构等因素的影响小,具有判断位置精确,以及适用范围广等优点,本文选取的测距方法为单端行波法。单端行波测距按工作原理可分为 A 型、C 型和E 型9。根据桨叶避雷线的特点和
11、检测要求,本文采用 C 型结构。即通过信号发生装置向避雷线一端注入脉冲信号9,同时利用传感器获取避雷线回波信号,通过回波信号计算避雷线的长度判断避雷线的断线位置。原理如图 2 所示。ALBt1t0图 2 行波法检测原理示意图如图 2 所示,通过检测入射波和反射波间的时间差及电磁脉冲波在风力发电机组桨叶避雷线中的传播速度,计算避雷线长度,计算公式为:L=(t1t0)v2(1)式中:t0脉冲信号发出时间,ns;t1回波接收时间,ns;v电流波传播速度,理想状态下取 3108m/s,实际检测速度低于光速。该方法实现断线位置检测的关键是回波信号的检测。与常见的输电线路检测不同,桨叶避雷线长度有限(20
12、0kW 机型叶片长度约 70m),回波时间在纳秒量级。同时由于采用电磁感应方法进行行波检测,空间磁场、导线不均匀行及弯曲等状态都将在微弱感应信号的基础上添加噪声信号。2 系统构成单端避雷线断线检测系统主要由信号发生模块、传感器模块、信号采集模块和控制系统四部分构成。信号发生模块负责产生行波脉冲信号,传感器模块负责采集回波信号,信号采集模块负责将采集到的回波信号处理转化送给控制模块,控制模块负责分析回波信号,判断故障类型和故障点位置。系统利用传感器检测其电磁脉冲入射波和反射波之间的时112中国测试2024年3月间差,依据式(1),确定脉冲信号在发电机避雷线中脉冲传播的距离。再根据已知叶片的长度和
13、测试得到的长度对比分析,判断避雷线系统中是否断线,并由软件计算结果给出具体脉冲断线的位置。系统如图 3 所示。传感器模块信号采集模块脉冲信号发生模块控制系统图 3 单端避雷线断线检测系统构成3 系统设计3.1 信号发生器模块设计信号发生模块负责发出脉冲激励信号,其信号波形直接影响回波信号波形及噪声大小,因此信号发生模块的设计直接决定信号检测的精确度。本小节对信号发生部分进行设计,该设计利用了 STM32单片机的 I/O 口作为信号的输出源,同时采用PWM 调制的 DC-DC 升压电路给功率放大部分供电,使信号发生电路中光电隔离功率放大部分的输出电压增高,最后形成整个检测系统的激励信号。3.2
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