CN104198827A - 风力发电机组的雷电监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风力发电机组的雷电监测装置，所述装置包括光纤传感器、雷电分析仪以及连接在所述光纤传感器与所述雷电分析仪之间的第一光纤和第二光纤，所述光纤传感器设置在叶片根部的防雷引下线之上，所述雷电分析仪用于通过所述第一光纤向光纤传感器发送第一光信号，并通过所述第二光纤接收返回的第二光信号，对所述第二光信号进行分析生成雷电数据。基于法拉第电磁感应定律，通过光信号的传输及光学测量，以实现对风力发电机组的雷电状况进行安全、准确地监测。

Description

风力发电机组的雷电监测装置

技术领域

本发明涉及一种雷电监测装置，尤其涉及一种风力发电机组的雷电监测装置。

背景技术

风能是目前最具备规模开发条件的可再生洁净能源之一，但由于风力发电机组是在自然环境下工作的，不可避免地会受到自然灾害的影响。随着现代科学技术的快速发展，风力发电机组的单机容量越来越大，为了吸收更多能量，轮毂高度和叶轮直径也随之增高，从而也增加了风力发电机组被雷击的风险，雷电释放的巨大能量会造成风力发电机组叶片损坏、发电机绝缘击穿、控制元件烧毁等，成了自然界中对风力发电机组安全运行危害最大的一种灾害。

目前在风力发电机组上并未安装雷电监测装置，导致无法对雷电规律做准确的判断和实施有效的雷电防护措施。以往监测雷电的传感器和导线均采用金属传感器和金属导线，监测过程中会产生感应雷电流，将破坏金属传感器和金属导线，并且还会破坏控制系统。因此，需要一种能够适用于风力发电机组的雷电监测装置。

发明内容

本发明的实施例提供一种风力发电机组的雷电监测装置，以实现对风力发电机组的雷电状况进行安全、准确地监测。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种风力发电机组的雷电监测装置，包括：

光纤传感器、雷电分析仪以及连接在所述光纤传感器与所述雷电分析仪之间的第一光纤和第二光纤，所述光纤传感器，设置在叶片根部的防雷引下线之上；所述雷电分析仪，用于通过所述第一光纤向所述光纤传感器发送第一光信号，并通过所述第二光纤接收返回的第二光信号，对所述第二光信号进行分析生成雷电数据。

本发明实施例提供的一种风力发电机组的雷电监测装置，采用了光纤传感器对强电流的雷电信号进行非接触测量，将雷电信号转换为光信号，并通过光纤传送给雷电分析仪，避免了现有技术中采用金属传感器和金属导线存在的感应雷电流破坏传感器以及雷电监测系统的问题，也有效地解决雷电流产生磁场带来的数据监测干扰，使得监测到的数据更加准确，并且由于采用的是光纤传感器的非接触测量，避免了雷电流的直接引入，使风力发电机组上的控制设备和系统能够较少地受到雷电流的影响，避免了“第二支引雷线”的产生。此外，将光纤传感器设置在防雷引下线之上能够准确地监测到作用到风机上的雷电信号。

附图说明

图1为本发明的雷电监测装置结构示意图之一。

图2为本发明的雷电监测装置结构示意图之二。

图3为本发明的雷电监测装置位置示意图。

图4为本发明的雷电监测装置连线及数据传输结构示意图。

图5为本发明的传感器和光纤安装结构示意图。

图6为本发明的雷电监测柜固定位置结构示意图。

图7为本发明的雷电监测柜的柜体安装支架主视图。

图8为本发明的雷电监测柜的柜体安装支架俯视图。

图9为本发明的雷电监测柜的柜体安装支架侧视图。

图10为本发明远程雷电在线监测系统的整体结构示意图。

附图标记说明：

1-叶片；2-防雷引下线；3-光纤传感器；4-光纤；5-叶轮系统；6-雷电监测柜；61-雷电分析仪；62-PLC模块；63-UPS模块；66-防雷器；67-无线通信模块；7-塔筒；8-主控柜；11-绑扎带；12-数据传输光缆；13-电源线缆；14-DP线缆；15-机舱柜；18-变桨柜；19-滑环；20-导流罩前支架；21-轮毂；22-定轴；23-导流罩前支架固定螺栓；24-雷电监测柜固定螺栓；25-导流罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例的风力发电机组的雷电监测装置进行详细描述，该装置包括光纤传感器及雷电分析仪。主要技术思想是基于法拉第电磁感应定律，光信号在光纤中传播的偏转平面的角度与磁场成函数关系，通过光信号传播和光学测量，实现对风力发电机组雷电的实时监测，而不受电场的干扰。雷电分析仪对接收到的光信号进行分析，生成雷电数据，并将该雷电数据记录存储，为风力发电发机组的雷电防护提供有效数据支持。

实施例一

如图1所示，为本发明实施例的雷电监测装置结构示意图，参照图1，本发明实施例的雷电监测装置包括：光纤传感器3、雷电分析仪61以及连接在所述光纤传感器与所述雷电分析仪之间的第一光纤41和第二光纤42。其中，光纤传感器3设置在叶片根部的防雷引下线之上，雷电分析仪61用于通过第一光纤41向光纤传感器3发送第一光信号，并通过第二光纤42接收返回的第二光信号，对所述第二光信号进行分析生成雷电数据。

基于法拉第电磁感应定律，雷电分析仪61通过第一光纤41向光纤传感器3发送第一光信号，该第一光信号通过光纤传感器3后，如果未受到雷电信号影响的情况下，该第一光信号则不会发生任何改变，并通过第二光纤42将其返回至雷电分析仪61；如果受到雷电信号影响，则第一光信号由于受到雷电信号中的电磁场的影响，其偏转平面的角度则会发生改变，进而形成第二光信号，并通过第二光纤42返回至雷电分析仪61。

本发明实施例的风力发电机组的雷电监测装置，采用了光纤传感器3对强电流的雷电信号进行非接触测量，将雷电信号转换为光信号，并通过光纤4(包括第一光纤41和第二光纤42)传送给雷电分析仪61，避免了现有技术中采用金属传感器和金属导线存在的感应雷电流破坏传感器以及雷电监测系统的问题，也有效地解决了雷电流产生磁场带来的数据监测干扰，还有效地保护风力发电机组防雷控制系统，解决雷电流产生磁场带来的干扰，避免“第二支引雷线”的产生。此外，将光纤传感器3设置在防雷引下线2之上能够准确地监测到作用到风机上的雷电信号，并且在光纤传感器3与雷电分析仪61之间仅仅用光纤4连接，而没有其他任何电气连接，简化了监测装置的结构，也减少了电气间的相互干扰，使得监测到的数据更加准确。第一光纤41、第二光纤42、光纤传感器3以及雷电分析仪61构成了光信号的传输回路，其中第一光纤41和第二光纤42为两条信号传输线路，分别承载着原始发出的第一光信号和在光纤传感器3中接受了雷电信号的电磁场的影响而发生了偏转的第二光信号，这两条信号传输线路由于不是传统的电缆线路，其不会受到雷电信号的影响，因此，即使光纤传感器3与雷电分析仪61距离较远，也能够将光信号准确地进行传递。

此外，第一光纤41和第二光纤42可以采用推挽式接口连接到光纤传感器3，这种推挽式接口的连接比较稳固，可保证在强烈的振动环境(例如风机运转等环境)下光纤正常通信。

进一步地，光纤传感器3的数量优选为三个，分别设置在三个叶片根部的防雷引下线2之上，并通过三根第一光纤41和三根第二光纤42与所述雷电分析仪61连接。在三个叶片上分别安装光纤传感器3能够采集到更全面的雷电数据。在此需要进行说明的是，上述光纤传感器3的数量不限制为三个，可以根据风力发电机组的实际情况，扩展该光纤传感器3的安装数量，且可以适当地调整安装位置，从而达到进一步完善风力发电机组的雷电监测的范围。

此外，光纤传感器3的外侧可以覆盖有玻璃布，玻璃布与叶片根部粘合，将所述光纤传感器3固定在所述叶片根部的防雷引下线2之上用来保护光纤传感器3。叶片一般采用复合材料(是由聚酯树脂、乙烯基树脂和环氧树脂等热固性基体树脂与E－玻璃纤维、S－玻璃纤维、碳纤维等增强材料，通过手工铺放或树脂注入等成型工艺复合而成)制成，玻璃布是用玻璃纤维织成的织物。防雷引下线处于叶片腔体的内部，因此，光纤传感器3也是设置于叶片腔体的内部，风机在发电的过程中会产生震动，由于材料的原因，叶片中会有一些相应材料的碎片掉落，在这种情况下，玻璃布能够很好的保护光纤传感器3不受到损伤，并且玻璃布也能够很好地与叶片粘合，将光纤传感器3固定在叶片的防雷引下线2之上。为了使光纤传感器3固定得更加牢固，还可以使用绑扎带11将光纤传感器3捆绑到防雷引下线2上，如图5所示。

具体地，如图3和图4，示出了本发明实施例的雷电在线监测装置的整体结构、安装位置以及接线结构等。参照图3和图4，风力发电机组的叶轮系统5包含三个叶片1，且每个叶片上均设置有用于雷电流泄放的防雷引下线2，在防雷引下线2上可以分别安装光纤传感器3，光纤传感器3将监测到的雷电信号通过光纤4发送给雷电分析仪61，在实际应用中，雷电分析仪61可以安装到雷电监测柜6中，雷电监测柜6除了能够为雷电分析仪61提供物理上的保护之外，还可以为雷电分析仪61提供各种配套的模块，如电源模块(例如开关电源、UPS或者从外部引入电源的模块等)、开关模块(例如微型断路器)、数据接口及通信模块(如PLC模块)、以及防雷器等，所有的通信线缆以及电源线缆均通过雷电监测柜6与内部的雷电分析仪61以及其他内部模块连接。

另外，雷电监测柜6可以设置在导流罩前支架20上，导流罩前支架20的一端固定于轮毂21上，另一端固定在导流罩25上，其作用是将导流罩25固定在风机上。将雷电监测柜6固定于此处，充分利用了现有的风机结构进行安装固定，也充分利用了导流罩25中的空间。具体地，雷电监测柜6可以设置在所述导流罩前支架20与轮毂21的连接位置处，并通过所述导流罩前支架20的螺栓固定在所述导流罩前支架20上。将雷电监测柜6设置在导流罩前支架20与轮毂21的连接位置能够使得雷电监测柜6更加接近轮毂21，使其更加稳固，并且可以利用已有的导流罩前支架20的螺栓进行固定，不需要再额外开设螺栓螺孔等固定结构。在实际应用中，会将上述雷电分析仪61、PLC模块62、开关电源、UPS模块63、蓄电池、防雷器66等置于雷电监测柜6中，然后再将雷电监测柜6固定到导流罩前支架20上。

此外，雷电监测柜6还可以设置在变桨柜固定支架(位于图4的变桨柜18的下方)上。在高功率的风力发电机(例如2.5兆瓦的风力发电机)中，轮毂21的空间较大，在这种情况下，优选地将雷电监测柜6设置在变桨柜固定支架，从而更加方便地与变桨柜18通信连接。

对于上述两种关于雷电监测柜6的安装位置及安装结构，可以根据实际应用的需要，或者是针对不同型号的风力发电机组，选择不同的安装位置和安装结构。

图6和图7-图9分别示出了雷电监测柜6固定在导流罩前支架20上的固定位置结构及雷电监测柜6的柜体安装支架结构。

从图6中可以看出，雷电监测柜6通过柜体安装支架与导流罩前支架20固定连接，本发明使用三组导流罩前支架20的固定螺栓23以固定雷电监测柜6的柜体安装支架，该螺栓型号例如为M16×70。具体来说，雷电监测柜6的柜体安装支架大致呈“L”形，“L”形的底部的安装孔与导流罩前支架20的安装孔相匹配，通过螺栓将两者连接，雷电监测柜6的柜体安装支架的侧部的安装孔与雷电监测柜6的柜体的安装孔相匹配，并通过柜体固定螺栓24将雷电监测柜6固定在柜体安装支架上，该柜体固定螺栓型号例如为M8×25。

参照图7-图9所示的雷电监测柜6的柜体安装支架结构，可以了解到，图7中支架主视图示出的安装孔#1、#2、#3、#4即用于与雷电监测柜6的柜体的安装孔连接，以将其柜体固定在柜体安装支架上；而图8支架俯视图示出的三个安装孔#5、#6、#7则与导流罩前支架20的安装孔连接，将其固定在导流罩前支架20之上，从而将雷电监测柜6连接通过柜体安装支架固定在导流罩前支架20之上。本领域的技术人员不难知道，结合图9示出的支架侧视图不难理解本发明中上述柜体上装支架的结构。

安装在雷电监测柜6中的雷电分析仪61生成雷电数据后，还需要将雷电数据传输给设置在风力发电机外的计算机中，从而能够对雷电数据进行进一步分析。由于主控柜8是每个风电机组的与外界进行通信连接的核心，因此，希望将雷电数据传输至主控柜8。根据本发明优选实施例，雷电监测装置数据传输可以采用如下路径：雷电监测柜6通过数据传输线缆与变桨柜18连接，将监测到的雷电数据传输给变桨柜18。之后，变桨柜18就可以利用现有的数据传输线路将雷电数据传输到主控柜8。具体地，变桨柜18、滑环19、机舱柜15以及主控柜8之间依次通过数据传输线连接，将雷电数据从变桨柜传输至主控柜。其中，变桨柜18可以通过已有的传输线路将雷电数据经由滑环19并通过定轴22的内部将雷电数据传输给机舱柜15，机舱柜15再通过已有的传输线路(例如数据传输光缆12)将雷电数据传输至主控柜8，从而完成整个雷电数据的传递。这样的数据传输实现了通过“变桨柜-滑环-机舱柜-主控柜”的数据传输通道。本发明实施例的这一数据传输通道巧妙地利用风力发电机中的已有线路进行传输，降低了成本，避免另铺设专用线路。

以上对本发明实施例的雷电监测装置的结构以及固定方式等进行了详细介绍，下面将介绍一下雷电数据的内容以及数据传输方式等。

本发明实施例的雷电监测装置可以监测多种雷电数据，如雷击次数、雷击时间、雷电流幅值、雷电流极性、雷电流陡度、电荷和能量等。雷电分析仪61对光纤传感器3返回的第二光信号进行分析，生成上述雷电数据，然后再通过计算机(可以是远程的服务器等)对雷电数据进行分析处理，得出雷电强度、雷击频繁程度及雷击概率等信息，基于这些信息，可对风力发电机组的防雷系统做出针对性的调整和提出改进措施，以及确定风力发电机组的后续检测和维护。此外，还能根据实时监测的雷电数据，判断是否需要对风力发电机组进行紧急停机处理，以避免或减少后续灾害的发生，减少自然灾害损失。

进一步地，如图4所示，雷电监测柜6与变桨柜18之间可以采用DP总线(DP总线的全称为ProfiBus-DP总线，是用于现场层的高速数据传送的总线协议，DP总线一般采用RS-485双绞线电缆或光缆作为传输线缆)的方式进行数据传输，如图4所示雷电监测柜6与变桨柜18之间通过DP线缆14连接，此处采用DP线缆14作为与雷电监测柜6与变桨柜18之间的传输线路的原因在于，现有的变桨柜18的数据传输方式为DP总线的模式，因此，如图2所示，为了能够与变桨柜18的数据接口对接，本实施例的监测装置还可以设有PLC模块62，用于将雷电分析仪61监测到的雷电数据转换为DP总线的数据格式。雷电监测柜6与变桨柜18之间还可以连接有电源线缆13，电源线缆13用于从变桨柜上取电以给雷电监测柜6提供电源，这样也不用在雷电监测柜6中设置独立的电源了。此外，为了避免异常断电，本实施例的监测装置还可以包括UPS模块63，用于对雷电分析仪61提供辅助电力，从而保证了风力发电机组雷电在线监测的连续性。

常规的雷电分析仪对外是通过标准TCP/IP协议进行数据管理的，而本发明实施例通过在雷电分析仪61的基础上增设PLC模块62，对标准TCP/IP协议的数据进行读取，然后借助PLC协议将数据转换为DP总线的数据传输格式，然后将该数据通过DP总线的数据传输方式发送至变桨柜18(雷电分析仪61与变桨柜18间连接有DP线缆)。通过PLC模块62的数据转换功能，能够将雷电分析仪61的输出信号转换为与变桨柜18兼容的DP总线传输数据格式，增加了雷电监控装置与主控系统的数据兼容性。

此外，为了消除雷电监测装置的数据传输线路中的浪涌电流，还可以在雷电监测柜6中设置防雷器66。该防雷器66可以设置在在PLC模块62与雷电分析仪61之间的以太网的数据传输线路上，也可以设置在与PLC模块62连接的DP总线的数据传输线路上。

此外，雷电分析仪61还具备数据存储器，用于存储雷电分析仪61生成的雷电数据，至少可存储500次的雷电活动。其存储的数据可包括电流极性、最大放电电流、电流陡度、电荷量及雷电能量，还可记录雷电发生的时刻。除此之外，还可以将雷电数据通过数据输出设备和分析软件导出以备份。如此，保证雷电数据的可追溯性。

作为一种可选方式，在上述风力发电机组的雷电监测装置中，雷电监测柜6中还可以设置无线通信模块67，通过该模块输出雷电分析仪61生成的雷电数据，可以将生成的雷电数据以无线通信的方式直接传输到机舱柜15或者主控柜8，而不使用“变桨柜-滑环-机舱柜-主控柜”这一数据传输通道，从而可以简化传输线缆的连接结构。

此外，风力发电机组的雷电监测装置是安装在户外的，为减少装置受自然因素的影响、延长装置的使用寿命，本发明实施例的对雷电监测装置的柜体进行了密封处理，对于进出柜体的各种线缆也进行了密封处理。例如，对DP线缆与雷电监测柜6和变桨柜18的连接接口均可以采用PG锁母的方式进柜，连接光纤传感器3和雷电分析仪61的光缆(对应于光纤4)也通过PG锁母的方式进柜，此外，从变桨柜18引入电源(一般为230V直流电源，对于2.0MW以上风力发电机组为240V直流电源)的线缆也采用了PG锁母的方式引入雷电监测柜6。

此外，设置于每个风力发电机上的本发明实施例的雷电监测装置可以接入到SCADA系统(数据采集与监视控制系统，该系统是风电机组的主控系统的一部分)中，以实现远程雷电监测和数据分析。例如，将主控柜8与SCADA系统连接，其中，SCADA系统包括就地中控服务器101和远程监测服务器102，就地中控服务器101与多个风力发电机的主控柜8连接，用于从主控柜8中获取雷电数据并进行存储；远程监测服务器102通过网络与所述就地中控服务器101连接，能够以远程访问的方式对就地中控服务器101中的雷电数据进行访问。参见图10，风力发电机组的雷电监测装置(1-N)通过中心交换机将雷电数据转换后发送至就地中控服务器101，就地中控服务器101通过路由器经过VPN网络将雷电数据传输给远程监测服务器102，远程监测服务器102获取雷电数据后，通过监测计算机上相应的分析软件等工具读取、下载，获取雷电数据，从而实现远程雷电监测和数据分析。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种风力发电机组的雷电监测装置，其特征在于，包括光纤传感器、雷电分析仪以及连接在所述光纤传感器与所述雷电分析仪之间的第一光纤和第二光纤，

所述光纤传感器设置在叶片根部的防雷引下线之上；

所述雷电分析仪用于通过所述第一光纤向所述光纤传感器发送第一光信号，并通过所述第二光纤接收返回的第二光信号，对所述第二光信号进行分析生成雷电数据。

2.根据权利要求1所述的雷电监测装置，其特征在于，所述第一光纤和所述第二光纤通过推挽式接口与光纤传感器连接。

3.根据权利要求1或2所述的雷电监测装置，其特征在于，所述光纤传感器的数量为三个，分别设置在三个叶片根部的防雷引下线之上，并通过三根所述第一光纤和三根所述第二光纤与所述雷电分析仪连接。

4.根据权利要求1所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测装置还包括雷电监测柜，所述雷电分析仪设置在所述雷电监测柜中。

5.根据权利要求4所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜设置在导流罩前支架上。

6.根据权利要求4所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜设置在变桨柜固定支架上。

7.根据权利要求5所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜设置在所述导流罩前支架与轮毂的连接位置处，并通过所述导流罩前支架的螺栓固定在所述导流罩前支架上。

8.根据权利要求3所述的雷电监测装置，其特征在于，所述光纤传感器的外侧覆盖有玻璃布，所述玻璃布与所述叶片根部粘合，将所述光纤传感器固定在所述叶片根部的防雷引下线之上。

9.根据权利要求4所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜通过数据传输线缆与变桨柜连接，将监测到的雷电数据传输给所述变桨柜。

10.根据权利要求9所述的雷电监测装置，其特征在于，所述变桨柜、滑环、机舱柜以及主控柜之间依次通过数据传输线连接，将所述雷电数据从所述变桨柜传输至所述主控柜。

11.根据权利要求9所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜与变桨柜之间采用DP总线的方式进行数据传输，所述雷电监测柜还设置有PLC模块，与所述雷电分析仪连接，用于将雷电分析仪监测到的雷电数据转换为所述DP总线的数据格式并通过DP总线传输给所述变桨柜。

12.根据权利要求11所述的雷电监测装置，其特征在于，在所述雷电监测柜中还设置有防雷器，所述防雷器设置在所述PLC模块与所述雷电分析仪之间的以太网的数据传输线路上或者设置在与所述PLC模块连接的DP总线的数据传输线路上，用于消除数据传输线路中的浪涌电流。

13.根据权利要求4所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜中还设置有无线通信模块，与所述雷电分析仪连接，用于输出所述雷电分析仪生成的雷电数据。

14.根据权利要求4所述的雷电监测装置，其特征在于，所述雷电监测柜通过电力传输线缆与所述变桨柜连接，从所述变桨柜获取电力。

15.根据权利要求14所述的雷电监测装置，其特征在于，所述的雷电监测柜中还设置有UPS模块，用于对所述雷电分析仪提供辅助电力。

16.根据权利要求10所述的雷电监测装置，其特征在于，所述主控柜与数据采集与监视控制系统连接，

所述数据采集与监视控制系统包括就地中控服务器和远程监测服务器，所述就地中控服务器与多个风力发电机的主控柜连接，用于从所述主控柜获取雷电数据并进行存储；所述远程监测服务器通过网络与所述就地中控服务器连接，能够以远程访问的方式对所述就地中控服务器中的雷电数据进行访问。