CN120801878A - 风力发电机防雷系统的检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了风力发电机防雷系统的检测方法及系统，涉及防雷系统检测技术领域，包括以下步骤：通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和引下线与风机的连接节点总数确定脉冲注射周期；按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器；沿着引下线的传输路径依次设置M个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置；基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围；根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。本发明具有提高对风机防雷系统的检测的准确性与针对性的优点。

Description

风力发电机防雷系统的检测方法及系统

技术领域

本发明涉及防雷系统检测技术领域，具体而言，涉及风力发电机防雷系统的检测方法及系统。

背景技术

风力发电机在运行过程中极易遭受雷击，为了防止雷击造成叶片损坏，通常在其中布置接闪器和引下线，通过将雷电流导入地面实现防雷保护。

为了保证防雷系统的正常运行，一般会定期对其进行检测。通常可以通过脉冲模拟闪电进行检测，但现有技术的检测方法通常存在以下问题：脉冲电流注射频率较为固定，两次检测的间隔也缺乏针对性设置，也就是说现有的检测方案未考虑每种风机各自的防雷系统特征，基于这种通用方案，可能导致注射频率过快对某些风机的脉冲注射频率不合适，对风机的防雷系统造成不必要的寿命损伤，或者脉冲注射频率过低或者两次检测间隔过长，导致不能及时发现问题。

因此，亟需一种改进的检测方法，能够根据不同风机的防雷系统的特性自适应调整脉冲注射周期以及动态确定下一次检测时间，实现提高对风机防雷系统的检测的准确性与针对性。

发明内容

本发明的目的在于提供风力发电机防雷系统的检测方法及系统，其可以提高对风机防雷系统的检测的准确性与针对性。

本发明通过以下技术方案实现：

风力发电机防雷系统的检测方法，包括以下步骤：

通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和引下线与风机的连接节点总数确定脉冲注射周期；

按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器；

沿着引下线的传输路径依次设置M个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置，且第一检测点位设置在传输路径的开端，检测装置用于连续检测对应检测点位的电流值；

基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围；

根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。

优选地，所述确定脉冲注射周期的方法为：

定义标准脉冲注射周期；

根据所述材质获取所述引下线的热扩散系数；

根据所述热扩散系数和所述连接节点总数确定脉冲注射周期的修正系数；

基于标准脉冲注射周期和修正系数的乘积得到所述脉冲注射周期。

优选地，根据所述材质获取所述引下线的热扩散系数的方法为：

；

其中，为所述引下线的热扩散系数，为所述引下线的导热系数，为所述引下线的材料密度，为所述引下线的比热容。

优选地，所述修正系数的获取方法为：

；

；

其中，为所述修正系数，为预设的修正系数取值上限，为中间参数，为预设的热扩散系数阈值,为不大于1的常数，为不大于1的正数，N为引下线与风机的连接节点总数，N’为预设的连接数量阈值。

优选地，所述异常检测模型的判断方法为：

根据连续检测点位的电流值，获取每个所述检测点位的特征数据，特征数据包括所述检测点位到所述第一检测点位的距离、电流峰值以及对应的时刻；

基于特征数据提取每个所述检测节点的时间残差和幅值残差，时间残差用于描述电流峰值抵达的实际时刻与理想时刻的误差，幅值残差用于描述实测的电流峰值与理想电流峰值的误差；

根据所述时间残差和所述幅值残差判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围。

优选地，所述时间残差的获取方法为：

所述幅值残差的获取方法为：

；

其中，和分别为第k检测点位的所述时间残差和所述幅值残差，、和分别为第k检测点位的电流峰值、对应的时刻和到所述第一检测点位的距离，v为所述脉冲电流在所述引下线中的传播速度，m为所述脉冲电流在所述引下线中的幅值衰减常数。

优选地，根据所述时间残差和所述幅值残差判断是否存在异常的方法为：

获取所有所述时间残差的中位数和所有所述幅值残差的中位数；

分别获取第k检测点位的所述时间残差与中位数的差值，分别获取第k检测点位的所述幅值残差与中位数的差值；

获取所有的中位数和所有的中位数；

分别获取第k检测点位的时间残差评价参数和幅值残差评价参数：

；

；

获取第k检测点位的综合评价参数：

其中，和分别为时间残差评价参数的权重和幅值残差评价参数的权重；

当大于预设阈值的时候则判断所述引下线1的第k检测点位和第k-1检测点位之间存在异常。

优选地，所述根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔的方法为：

第1次检测到第2次检测的时间间隔采用预设时间；

通过拟合实验构建所述接地电阻z的阻抗随使用时间t变化的拟合函数z=f(t)，所述拟合函数作为所述阻抗生命曲线；

获取多种阻抗，包括第k-1次检测时接地电阻的理论阻抗和实测阻抗，以及第k次检测时接地电阻的理论阻抗和实测阻抗，第k次检测为当前检测,k为不小于2的整数；

获取第k-2次检测到第k-1次检测的时间间隔；

基于多种阻抗和当前检测为止所述接地电阻的使用时长确定当前时间间隔衰减系数；

以和当前时间间隔衰减系数的乘积作为当前检测到下一次检测的时间间隔。

优选地，所述基于多种阻抗和当前检测为止所述接地电阻的使用时长确定当前时间间隔衰减系数的方法为：

；

其中，为所述接地电阻的初始阻抗，min为求最小值的函数,max为求最大值的函数，s为不大于0.5的正数。

本发明还提供风力发电机防雷系统的检测系统，应用于上述的风力发电机防雷系统的检测方法，包括：

闪电模拟模块，用于通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和接闪器的数量确定脉冲注射周期；

脉冲注入模块，用于按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器；

检测模块，用于沿着引下线的传输路径依次设置多个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置，检测装置用于连续检测对应检测点位的电流值；

异常判断模块，用于基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围；

检测时间确定模块，用于根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。

本发明的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

本发明通过结合引下线的材质和连接节点数来自适应确定脉冲注射周期，进而可以针对不同风机的防雷系统特征合理设置注射频率，避免了注射过快对防雷系统造成的寿命损伤，也避免了注射过慢而导致的异常检测不够全面；

本发明利用接地电阻的阻抗生命曲线结合实时测得的阻抗值动态确定到下一次检测的时间间隔，使检测周期能够随防雷系统的寿命变化特征进行调整，在检测到阻抗指标恶化趋势时缩短检测周期，保证防雷系统隐患能够及时发现，从而提升检测的及时性与可靠性；

本发明通过分布式布置检测点位并结合异常检测模型分析电流值，能够快速识别防雷系统中的异常情况，并输出异常线路范围；

本发明的检测过程无需拆解风机或破坏现有结构即可实施，检测手段简便且可与风机的日常运维流程相结合，便于推广和实施。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的风力发电机防雷系统的检测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例2提供的风力发电机防雷系统的检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

实施例1

本实施例提供风力发电机防雷系统的检测方法，参阅图1，包括以下步骤：

步骤S1：通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和引下线与风机的连接节点总数确定脉冲注射周期。

在本实施例中，所述确定脉冲注射周期的方法为：

定义标准脉冲注射周期；

根据所述材质获取所述引下线的热扩散系数；

根据所述热扩散系数和所述连接节点总数确定脉冲注射周期的修正系数；

基于标准脉冲注射周期和修正系数的乘积得到所述脉冲注射周期。

其中，根据所述材质获取所述引下线的热扩散系数的方法为：

；

其中，为所述引下线的热扩散系数，为所述引下线的导热系数，为所述引下线的材料密度，为所述引下线的比热容。

热扩散系数越大则热量传播会更快，冷却也会更容易。也就是说若引下线热扩散系数较低，说明其在承受脉冲电流冲击时更容易出现局部过热或寿命衰减，因此需要更多的时间冷却。其次，根据引下线与风机的连接方式，连接节点的数量直接影响脉冲电流的分布特性与损耗水平，节点数越多，电流传输路径越复杂，也越容易在局部产生异常，也需要调整为更大的注射周期。

在此基础上，所述修正系数的获取方法为：

；

；

其中，为所述修正系数，为预设的修正系数取值上限，为中间参数，为预设的热扩散系数阈值,为不大于1的常数，为不大于1的正数，N为引下线与风机的连接节点总数，N’为预设的连接数量阈值。

在修正系数的计算中，1和作为修正系数的下限和上限，用于对其取值范围进行限定，防止在计算数值过于异常的时候修正系数偏离正常水平过多，避免极端缩短或过长，可以取3-5。在连接节点数足够小的时候（小于），仅仅基于热扩散系数得到的参数计算修正系数，连接节点过大的时候则会在基础上继续通过放大修正系数，可以把基于连接节点数量的系数映射成大于1小于2的参数，映射结果平缓且不会过于放大。扩散慢也就是偏小的时候会把映射成大于1的系数来增大注射周期。

特别说明的是，作为实施案例，可以选择一个最常用引下线材质的热扩散系数，并且取这种材质的引下线测试的时候，连接节点较少的情况下最常使用的安全的注射周期作为标准脉冲注射周期。可以用于放大或缩小的影响度，影响强烈的情况可以取1，一般可以取0.3-0.6。则是可以决定连接节点数目的影响程度，可以优选取值0.4。

在防雷系统中，除了接闪器，引下线还会连接到风机的多个节点，例如轮毂、风机金属支架等。引下线和每个连接节点处都可能存在都可能有局部阻抗和接触电阻，节点处容易出现电流波形的堆叠干扰。在现有技术中，脉冲电流的注射周期通常采用固定值，未能针对不同风机防雷系统的结构差异进行差异化设置。对于热扩散能力较差或连接节点较多的引下线，固定周期可能过于频繁，容易造成局部过热或加速部件寿命衰减，也会出现对检测的干扰，而连接节点越多，在堆叠下整体的恢复也会越慢。另外从散热角度，脉冲电流通过时会在节点处更容易引起电阻性发热，多个节点的叠加效应也会延缓整体冷却速度。除了以上考虑，还希望在尽可能连续注射以考验性能的情况下，给足接闪器散热时间。而对防雷系统的检测是希望在尽可能减小对防雷系统的寿命影响的情况下进行，因此，本实施例的脉冲电流的注射方案进行了针对性计算，在保障检测效果的同时尽量对防雷系统的寿命造成过多负面影响。

步骤S2：按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器。

这一步中，由于步骤S1的设置，多方面保障了引下线足够的恢复时间，可以直接多点同时注入，也可以单点注入。可以实现在多样化测试下也保障安全性和可靠性。

步骤S3：沿着引下线的传输路径依次设置M个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置，且第一检测点位设置在传输路径的开端，检测装置用于连续检测对应检测点位的电流值。

步骤S4：基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围。

作为优选方案，所述异常检测模型的判断方法为：

根据连续检测点位的电流值，获取每个所述检测点位的特征数据，特征数据包括所述检测点位到所述第一检测点位的距离、电流峰值以及对应的时刻；

基于特征数据提取每个所述检测节点的时间残差和幅值残差，时间残差用于描述电流峰值抵达的实际时刻与理想时刻的误差，幅值残差用于描述实测的电流峰值与理想电流峰值的误差；

根据所述时间残差和所述幅值残差判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围。

具体地，所述时间残差的获取方法为：

所述幅值残差的获取方法为：

；

其中，和分别为第k检测点位的所述时间残差和所述幅值残差，、和分别为第k检测点位的电流峰值、对应的时刻和到所述第一检测点位的距离，v为所述脉冲电流在所述引下线中的传播速度，m为所述脉冲电流在所述引下线中的幅值衰减常数。

时间残差比较实际电流峰值到达时刻与理想传播时刻的差异，该数值可以用于评估异常，例如若引下线在某段存在阻抗异常或损耗增加，电流传播速度会发生偏差。幅值残差用于描述实测电流峰值在理想衰减值条件下的差异，若某段引下线存在接触不良或局部损耗异常，其偏离会变大。因此，基于以上获得的结果，根据所述时间残差和所述幅值残差判断是否存在异常的方法优选为：

获取所有所述时间残差的中位数和所有所述幅值残差的中位数；

分别获取第k检测点位的所述时间残差与中位数的差值，分别获取第k检测点位的所述幅值残差与中位数的差值；

获取所有的中位数和所有的中位数；

分别获取第k检测点位的时间残差评价参数和幅值残差评价参数：

；

；

获取第k检测点位的综合评价参数：

其中，和分别为时间残差评价参数的权重和幅值残差评价参数的权重；

当大于预设阈值的时候则判断所述引下线1的第k检测点位和第k-1检测点位之间存在异常。

通过时间残差和幅值残差的双重特征分析，不仅能发现因电流传播速度异常，还能发现因电流幅值衰减异常的缺陷，从而提升异常检测的全面性。当某检测点位与相邻检测点位之间存在异常时，能够直接定位到异常区段，显著缩小故障排查范围，提升维护效率。本实施例在各个比较中都以中位数为基准，中位数不受极端值影响，比平均值更稳健。

步骤S5：根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。

在本实施例中，所述根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔的方法为：

第1次检测到第2次检测的时间间隔采用预设时间，这个预设时间可以采用一个标准的检测周期间隔；

通过拟合实验构建所述接地电阻z的阻抗随使用时间t变化的拟合函数z=f(t)，所述拟合函数作为所述阻抗生命曲线；

获取多种阻抗，包括第k-1次检测时接地电阻的理论阻抗和实测阻抗，以及第k次检测时接地电阻的理论阻抗和实测阻抗，第k次检测为当前检测,k为不小于2的整数；

获取第k-2次检测到第k-1次检测的时间间隔；

基于多种阻抗和当前检测为止所述接地电阻的使用时长确定当前时间间隔衰减系数；

以和当前时间间隔衰减系数的乘积作为当前检测到下一次检测的时间间隔。

其中，所述基于多种阻抗和当前检测为止所述接地电阻的使用时长确定当前时间间隔衰减系数的方法为：

；

其中，为所述接地电阻的初始阻抗，min为求最小值的函数,max为求最大值的函数，s为不大于0.5的正数。

在实际使用中，接地电阻因为突然腐蚀等影响，阻抗会随使用时间增大，其寿命上的失效率容易被量化，因此选择接地电阻作为确定检测间隔的参考值，测量容易实现、计算简单，且结果可靠。在以上计算中，可以被看做当前实测阻抗下接地电阻的失效率，首先用1减去失效率作为确定当前时间间隔衰减系数的基础系数，也就是失效率越高，基础系数越小，因为失效率越高代表损坏风险越大，需要提升检测频率。可以评估两次检测期间，阻抗实际的变化相比阻抗的理想变化之间的差异，实际变化过大可以判断恶化过快，的值会变小。的作用下，在不小于1的时候说明接地电阻寿命消耗情况良好，不会对基础系数进行进一步缩小，而实际的接地电阻恶化越快，越小，则会开始进一步在基础系数上进行进一步缩小，可以限制缩小的最小程度，避免过于频繁的不必要检测。特别说明的是，接地电阻阻抗的值也可以直接用于评估防雷系统的接地电阻是否异常。

实施例2

本实施例提供风力发电机防雷系统的检测系统，应用于上述的风力发电机防雷系统的检测方法，参阅图2，包括：

闪电模拟模块，用于通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和接闪器的数量确定脉冲注射周期；

脉冲注入模块，用于按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器；

检测模块，用于沿着引下线的传输路径依次设置多个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置，检测装置用于连续检测对应检测点位的电流值；

异常判断模块，用于基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围；

检测时间确定模块，用于根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和引下线与风机的连接节点总数确定脉冲注射周期；

按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器；

沿着引下线的传输路径依次设置M个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置，且第一检测点位设置在传输路径的开端，检测装置用于连续检测对应检测点位的电流值；

基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围；

根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。

2.根据权利要求1所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，所述确定脉冲注射周期的方法为：

定义标准脉冲注射周期；

根据所述材质获取所述引下线的热扩散系数；

根据所述热扩散系数和所述连接节点总数确定脉冲注射周期的修正系数；

基于标准脉冲注射周期和修正系数的乘积得到所述脉冲注射周期。

3.根据权利要求2所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，根据所述材质获取所述引下线的热扩散系数的方法为：

；

其中，为所述引下线的热扩散系数，为所述引下线的导热系数，为所述引下线的材料密度，为所述引下线的比热容。

4.根据权利要求3所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，所述修正系数的获取方法为：

；

；

其中，为所述修正系数，为预设的修正系数取值上限，为中间参数，为预设的热扩散系数阈值,为不大于1的常数，为不大于1的正数，N为引下线与风机的连接节点总数，N’为预设的连接数量阈值。

5.根据权利要求1所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，所述异常检测模型的判断方法为：

根据连续检测点位的电流值，获取每个所述检测点位的特征数据，特征数据包括所述检测点位到所述第一检测点位的距离、电流峰值以及对应的时刻；

基于特征数据提取每个所述检测节点的时间残差和幅值残差，时间残差用于描述电流峰值抵达的实际时刻与理想时刻的误差，幅值残差用于描述实测的电流峰值与理想电流峰值的误差；

根据所述时间残差和所述幅值残差判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围。

6.根据权利要求1所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，所述时间残差的获取方法为：

所述幅值残差的获取方法为：

；

其中，和分别为第k检测点位的所述时间残差和所述幅值残差，、和分别为第k检测点位的电流峰值、对应的时刻和到所述第一检测点位的距离，v为所述脉冲电流在所述引下线中的传播速度，m为所述脉冲电流在所述引下线中的幅值衰减常数。

7.根据权利要求1所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，根据所述时间残差和所述幅值残差判断是否存在异常的方法为：

获取所有所述时间残差的中位数和所有所述幅值残差的中位数；

分别获取第k检测点位的所述时间残差与中位数的差值，分别获取第k检测点位的所述幅值残差与中位数的差值；

获取所有的中位数和所有的中位数；

分别获取第k检测点位的时间残差评价参数和幅值残差评价参数：

；

；

获取第k检测点位的综合评价参数：

其中，和分别为时间残差评价参数的权重和幅值残差评价参数的权重；

当大于预设阈值的时候则判断所述引下线1的第k检测点位和第k-1检测点位之间存在异常。

8.根据权利要求1所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，所述根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔的方法为：

第1次检测到第2次检测的时间间隔采用预设时间；

通过拟合实验构建所述接地电阻z的阻抗随使用时间t变化的拟合函数z=f(t)，所述拟合函数作为所述阻抗生命曲线；

获取多种阻抗，包括第k-1次检测时接地电阻的理论阻抗和实测阻抗，以及第k次检测时接地电阻的理论阻抗和实测阻抗，第k次检测为当前检测,k为不小于2的整数；

获取第k-2次检测到第k-1次检测的时间间隔；

基于多种阻抗和当前检测为止所述接地电阻的使用时长确定当前时间间隔衰减系数；

以和当前时间间隔衰减系数的乘积作为当前检测到下一次检测的时间间隔。

9.根据权利要求8所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，所述基于多种阻抗和当前检测为止所述接地电阻的使用时长确定当前时间间隔衰减系数的方法为：

；

其中，为所述接地电阻的初始阻抗，min为求最小值的函数,max为求最大值的函数，s为不大于0.5的正数。

10.风力发电机防雷系统的检测系统，应用于权利要求1-9任意一项所述的风力发电机防雷系统的检测方法，其特征在于，包括：

闪电模拟模块，用于通过脉冲电流模拟闪电，根据引下线的材质和接闪器的数量确定脉冲注射周期；

脉冲注入模块，用于按照脉冲注射周期将脉冲电流周期性注入叶片上的接闪器；

检测模块，用于沿着引下线的传输路径依次设置多个检测点位，每个点位上分别布置一组检测装置，检测装置用于连续检测对应检测点位的电流值；

异常判断模块，用于基于检测到的电流值，通过异常检测模型判断是否存在异常，并在存在异常的时候输出异常线路范围；

检测时间确定模块，用于根据接地电阻的阻抗生命曲线以及当前检测的实测阻抗确定当前检测到下一次检测的时间间隔。