应用脉冲回波的避雷线断线检测系统研究.pdf

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:Inordertodetectthelocationoflightninglinebreakageinwindturbinepaddleswithhighefficiencyandlowcost,thepulse-echobasedlightninglinebreakagedetectionsystemisdesigned.Thesystemisbasedontheprincipleofsingle-endedtravelingwavemethodandconsistsoffourparts:signalgenerationmodule,sensormodule,signalacquisitionmoduleandcontrollermodule.Thesignalgenerationmoduleisresponsibleforgeneratingthetravelingwavepulsesignal,thesensormoduleisresponsibleforcollectingtheechosignal,thesignalacquisitionmoduleisresponsibleforprocessingthecollectedechosignalintothecontrolmodule,andthecontrolmoduleisresponsibleforanalyzingtheechosignaltodeterminethefaulttypeandfaultpointlocation.The paper designs the circuit and performance parameters of each module to build the overalldetectionsystem.Itisexperimentallyverifiedthatthesystemcanaccuratelyrealizethebrokenwirejudgmentandobtainthelocationofthebrokenwirewithanaccuratemeasurementerrorwithin0.5m.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（200kW 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 传感器设计及性能测试信号发生模块将信号耦合到避雷线一端后，在避雷线内部形成脉冲电流，该脉冲电流在避雷线传播反射后被传感器捕获。因此传感器是此系统获得信号的关键部分，传感器的性能好坏直接决定着系统是否能准确运行。导体内部传播的信号为微弱电流信号，本系统采用罗氏线圈传感器来获取信号。本文针对信号瞬态响应、非连续、周期性的特点，开展了一系列实验对罗氏线圈的性能及影响因素进行测试。实验中由信号发生器向固定长度的导线发送脉冲信号，分别改变传感器的匝数、磁芯大小等参数，观察信号波形，并分析信号噪声来源，实验平台如图 4 所示。因下信号发生器提供的信号为周期性信号，所以传感器采集的信号为多周期信号，如图 5 所示。图中每一个周期为一次检测周期，所以要对采集信号的某一次回波信号进行放大详细分析。以下分析皆为对单个周期内信号发射和接收进行的分析。3.2.1匝数设计罗氏线圈的整体性能受磁芯截面厚度、截面高度、及线圈匝数的共同影响10。本文固定磁芯的条件下对不同匝数的传感器进行了实验，如图 6 所示，CH4-CH10 分别代表 4 匝到 10 匝的线圈缠绕。通过对比可发现波形的幅值是从 4 匝到 6 匝是上升的，7 匝以后随着匝数的增多其幅值变小。当匝数较少时匝间电容较小对响应速度影响较小，随着线圈匝数增加匝间电容增大，传感器的响应速度降低。通过对比幅值及回波发现 5 匝线圈的综合检测性能最好、速度快、回波明显、杂波少，所以本设计选择了5 匝的罗氏线圈。1.00.500.51.00.500.51.01.52.02.53.03.5时间/(107 s)回波信号CH4CH5CH6CH7CH8CH9CH10入射脉冲幅值/V图 6 不同匝数罗氏线圈对比3.2.2磁芯设计在其他参数不变的情况下，只改变磁芯的直径的大小，分别选择直径为 6.8cm 和 3.4cm 的磁芯进行测试。检测的回波的不同如图 7 所示，经分析大线圈的幅值和回波速度都快于小线圈。所以当固定其他变量的情况下，磁芯的直径越大，传感器的性示波器避雷线罗氏线圈信号发生器图 4 罗氏线圈检测能力平台54321012315105051015时间/(105 s)幅值/V 图 5 多周期回波图第50卷第3期王金明，等：应用脉冲回波的避雷线断线检测系统研究113能越强，但其性能差值较小，为提高系统的集成度和灵活性，并结合匝数实验，选择 5 匝小线圈进行后续实验。0.20.100.10.5 00.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0时间/(107 s)回波信号大线圈小线圈入射脉冲幅值/V图 7 不同大小磁芯回波图对比3.2.3噪声影响分析从图 6、图 7 中都可以发现检测信号中存在大量噪声，回波信号中的噪声来源主要是交变电流流过导体时引起的周围的电场强度的变化，其信噪比为 22.6585dB。从本文检测原理可知计算断线位置采用的是第一个上升沿与下降沿的时间差，故后续噪声对断线位置的判断基本无影响。3.3 信号采集模块传感器获得的信号为模拟信号且响应时间为纳秒量级，因此需要体积较小且分辨能力足够的高速采集卡。本文选择了采样速率达 2.5Gb/s 且体积较小的高速数据采集卡 M4I.2220。根据检测限对采样点计算可得到其每个采样点的时间分辨能力为0.43ns。为验证此高速采集卡的时间分辨能力，将该采集卡得到的信号与采样速率为 2.5GS/s 示波器进行比较。由检测设备向避雷线发送脉冲信号，传感器检测入射波及回波信号的时间差，分别由示波器与高速采集卡显示其波形，比较波形趋势及时间差。其波形显示分别如图 8 与图 9 所示。0.140.120.100.080.060.040.0200.02幅值/V0.040.067 3297 8008 200采样点8 6009 4009 000回波信号入射脉冲图 8 断线检测系统回波测试图通过对比图 8 和图 9 可看出系统测试得到的波形与示波器所得波形基本一致，均可正确得到明显脉冲发出和回波信号。取相同幅值的两特征点，如图中虚线所示，经计算其特征点的时间差均为 133ns左右。与示波器相比检测系统原始信号中存在较多的噪声信号，但该噪声不影响检测结果。3.4 断线检测系统本文经过上述选型适配及算法研究，开发出了风力发电机组桨叶避雷线检测系统。实验设备硬件由传感系统和信号处理系统两部分构成。检测时由传感系统中的脉冲发生装置产生激励信号并加载到避雷线上，然后通过传感器检测回波信号，将信号调理后输出给信号处理系统。信号处理系统通过高速数据采集卡将信号转换为数字信号，通过上位机软件计算避雷线长度，进而判断避雷线是否断线及断线位置。传感系统和信号处理系统的实物照片分别如图 10 和图 11 所示。图 10 传感器系统图 11 信号处理系统某风电场采用欧姆法测得断线后，经实际测量断线位置距离轮毂约 16m。采用本文所设计的系统进行检测回波图如图 12 所示，根据采集样点计0.100.150.0500.051012345时间/(107 s)回波信号入射脉冲幅值/V图 9 示波器回波测试图114中国测试2024年3月算得到的断点位置为 16.32m，与实际断点相差约0.32m。0.048 0058 1008 2008 3008 4008 500采样点幅值/V8 6008 7008 8008 9008 9720.0200.020.040.060.080.100.120.14图 12 检测系统测试图本文在现场轮毂处进行了一组检测实验，通过叶片外吊线的方式分别完成对 10、20、30、40、50m断线的测试，得到如表 1 所示的实验结果。表 1 实验结果被测导线/m1020304050测试结果/m9.5420.2129.7840.2249.97定位误差/m0.460.210.220.220.03定位方差/m20.067544通过对不同长度避雷线进行测试可以发现此设备检测准确，可以精准定位断线位置，保证误差仅为 0.5m 以内，并且其方差仅为 0.067544m2表明检测系统的稳定可靠。4 结束语本文通过多个模块设计、性能及影响因素进行分析，设计了本系统的各个子模块。经各模块测试选型适配，配合实现了信号发生、检测及处理，并输出断线位置的功能。可以实现误差在 0.5m 以内的定位测量。在风机定期检修与维护时使用此设备，手提即可进入风机内部，利用其单端测量的优势，在避雷线单端接上此设备即可测得是否断线，即无需吊篮等辅助设备，与传统方法相比具有高效率、低成本的特点，且确定位置后可拆卸风机叶片的侧面板，对避雷线断线位置进行修补，节省更换避雷线的费用。因此设备的研发对风力发电机维护和安全运营具有重要意义。参考文献 牛峥,李丹丹,许旌玮,等.风力发电系统防雷技术改进分析J.中国新通信,2019,21(5):139.1杨剑虹,常君得,高莉莉,等.风力发电系统防雷技术分析与改进J.科技展望,2016,26(31):91.2赵学全,李贵,刘强,等.风电场叶片避雷线断线事故分析J.产业科技创新,2020,2(22):55-56.3张雁忠,吴寒,董超,等.风机叶片引下线断裂故障检测与定位方法J.科学技术与工程,2021,21(18):7564-7569.ZHANGYZ,WUH,DONGC,etal.AmethodfordetectingandlocatingbrokenfaultofdownconductorinwindturbinebladeJ.ScienceTechnologyandEngineering,2021,21(18):7564-7569.4YAMAMOTOK,KASHIMAN,UEDAT,etal.Noncontactmethodtodiagnosedown-conductordisconnectionsinawindturbinebladeusingX-rayapparatusesC/TechnicalMeetingonHighVoltageEngineering.Tokyo:IEEJ,2017:29-34.5TRIRUTTANAPIRUKN,YAMAMOTOK,SUMIS,etal.AsimplifiedtechniquefordetectingdisconnectionsalongdownconductorsinwindturbinebladesJ.ElectricPowerSystemsResearch,2019,172:177-182.6刘伟鑫,周松斌,刘忆森,等.基于局部均值分解的行波故障测距方法J.中国测试,2017,43(9):42-46.LIUWX,ZHOUSB,LIUYS,etal.Travelingwavefaultlocation measurement method based on LMDJ.ChinaMeasurement&Test,2017,43(9):42-46.7陈玉林,张杰,黄涛,等.高压直流输电线路行波色散及行波测距研究J.电气技术,2021,22(12):8-13.CHEN Y L,ZHANG J,HUANG T,et al.Research ontravelingwavedispersionandfaultlocationforhighvoltagedirect current transmission linesJ.Electrical Engineering,2021,22(12):8-13.8彭丹阳,何艺萌,李丁,等.输电线路故障测距方法研究以行波测距法为例J.河南科技,2021,40(10):27-29.PENGDY,HEYM,LID,etal.Researchonfaultlocationmethodoftransmissionlinetakingtravelingwaverangingmethod as an exampleJ.Journal of Henan Science andTechnology,2021,40(10):27-29.9马坦.罗氏线圈传感器及应用研究 D.武汉:华中科技大学,2015.MAT.TheresearchofRogowskicoilanditsapplicationsD.Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2015.10(编辑:谭玉龙)第50卷第3期王金明，等：应用脉冲回波的避雷线断线检测系统研究115