一种能在线监测的防直击雷限流保护系统及风力发电机的制作方法

本实用新型是一种能在线监测的防直击雷限流保护系统，属于智能避雷器技术领域，应用于风力发电机、高压传输线等离雷云较近区域的雷电防护。

背景技术：

传统的富兰克林避雷针是一种引雷入地的装置，200多年来由于传统避雷针的普及应用，大大的减少了雷电对人、畜、物的直接伤害和破坏，但是随着近几十年来高压传输和风力发电的快速发展，富兰克林避雷针在实际应用中显露出它的一些局限性：

1、富兰克林避雷针接闪时，强大的雷电流通过避雷针、引下线、接地装置泄放入大地，这将会使整个泄流通道上产生很高的电压，当进入高压传输铁塔或风机后与泄流通道的距离达不到安全距离的要求时，泄流通道上的高电位会向附近的金属导体产生放电，引起由超高电位反击而造成的雷电灾害。

2、富兰克林避雷针作为直击雷保护装置时，其接地电阻必须符合gb50057-2010《建筑物防雷设计规范》的要求。高山岩石等地质环境非常恶劣的地区，土壤电阻率都很高，如需制作接地电阻符合规范要求的地网，往往投资非常巨大，接地电阻值却未必满意。在雷击时，由于接地电阻偏大造成的地电位反击损坏设备的现象非常严重。

3、雷电流泄放入地时，将会在地面产生很高的跨步电压，跨步电压将会对人、畜造成生命危害，严重时还可能毙命。

4、富兰克林避雷针在接闪入地的过程中，强大的雷电流（数千安～数百千安）以极快的速度（微秒级）沿接闪器及引下线进入地中的过程中，对风力发电机来说可能使叶片内产生较大热能而对叶片造成损坏；同时雷电接闪对叶片表面材料也会产生较大的破坏，甚至因地电位高压反击造成风机上电器受损；对高压传输线则可能因地电位升高反击而造成线路跳闸，造成电力传输中断。

由于传统富兰克林避雷针在防雷中存在以上局限性，所以传统避雷针不太适合高压传输线路和风力发电机的引雷防护。

高压传输线路中的铁塔和避雷线都可起到引雷和接闪作用，当接闪的雷电流较小时（小于几个ka）不会产生破坏作用；但当接闪的雷电流太大，则可能会出现因地电位升高而造成反击，引起线路跳闸，从而产生电力传输中断。风机叶片本属风力发电机中用作迎风而带动传动轴进行发电的工具，同时也作为传统的防雷击引雷针用（叶片表面有2-3个金属接闪器，接闪器连接金属导线直到叶片根部，最后连接到风机轮毂的接地处）。当雷电流较小时，其作用显而易见，可以起到防雷作用；而当雷电流很大时（大于100ka以上），则可能起到反作用：一是使风机的对地电压变得很高（几十万伏），易对风机内部电器设备造成损坏；二是叶片遭遇特大雷电流通过时，对叶片表面和内部都可能造成一定程度的热损伤。经过风力发电几十年的运行情况来看，传统的叶片引雷防护已不能满足现在的使用需求，反而给风电行业带来许多烦恼。由于传统的避雷针是将雷电流引入大地，避雷针自身并不需要被保护，所以当避雷针只是引雷而不发挥其他功能时，则可放心使用，且避雷针使用寿命较长，一般短时间不需要更换维护。但风机叶片不仅发挥避雷针的作用，而更为重要的是其还属风力发电机上价高位重部件，而且在使用中叶片维护更换费用昂贵。因此，在雷电高发区域，当雷电流很大时，依靠传统防雷只能听天由命，因而导致雷电高发区域风电场叶片遭雷电破坏概率较高，经济损失较大。由此可见如何改变对风机叶片的雷电防护尤为重要且迫在眉睫。另外，由于传统避雷器都不具备实时监测的功能，当避雷器出现劣化和损坏时，维护人员无从知晓，故其使用效果存在很大的隐患。

技术实现要素：

一种能在线监测的防直击雷限流保护系统，具备实时监测的功能，限制大的雷电流通过；一种风力发电机，具备防直击雷实时监测的功能’限制大的雷电流通过。避免产生地电位升高及高压反击而引起传输线路跳闸或风机叶片及电器的损伤；及时发现避雷器出现劣化和损坏。

一种能在线监测的防直击雷限流保护系统,包括限流保护器和在线监测仪；在线监测仪包括检测线圈、输入保护单元、检测单元、cpu单元、电源、通讯单元；限流保护器与检测线圈相配合，检测线圈通过输入保护单元与cpu单元通讯连接，cpu单元与通讯单元作通讯连接；检测单元与输入保护单元、cpu单元通讯连接，电源分别与检测单元、cpu单元、通讯单元供电连接。

上述的一种能在线监测的防直击雷限流保护系统,包括接地导线，所述限流保护器的一端与接地导线连接。

上述的一种能在线监测的防直击雷限流保护系统,特征在于：包括接地导线，所述限流保护器的一端与接地导线连接。

上述的一种能在线监测的防直击雷限流保护系统,特征在于：包括引雷针，限流保护器的另一端与引雷针连接。

一种风力发电机,包括风力发电机和上述的一种能在线监测的防直击雷限流保护系统，风力发电机上有引雷针、接地导线，风力发电机有风机轮毂，风机轮毂内有控制箱，控制箱内有电源；限流保护器和检测仪安装在风机轮毂内；限流保护器串接在引雷针和接地导线之间，控制箱内的电源引出给系统供电。

有益效果

由于本防直击雷限流保护系统在雷电接闪的过程中，雷电能量通过引雷针100，防直击雷限流保护器101限制了大的雷电流通过，高压传输铁塔或风机叶片接闪都不会产生地电位升高及高压反击，也就不会引起传输线路跳闸或风机叶片及电器的损伤；同时再加上检测线圈102感应的电信号通过输入保护单元103传递到cpu单元105，再由cpu单元105处理编码后由通讯单元107发送到网络监控中心设备。在线监测系统对每次接闪流过的雷电流数据进行辨识和有效管理，可提前对该系统内限流器的有效期进行合理预判，从根本上保护了高压传输线路的顺利传输和风力发电机组及叶片的安全作业。如果应用该系统技术对高压传输或风力发电领域内经常遭受雷电影响和破坏的区域部门进行整改，则在最大程度上提高生产效率以及降低运维成本，每年可为社会增加经济效益至少几亿元。

本实用新型所述限流保护器与检测线圈相配合是指限流保护器与检测线圈的位置关系，二指通过电磁感应，当限流保护器和与之相连的接地导线中有电流通过时，因电磁感应，检测线圈中产生的电流。

风力发电机加装带在线监测的防直击雷限流保护系统后，经过大自然数十次的雷击监测数据来看，雷电流只是未加装该系统的1%，最大甚至达到万分之一。未加装该系统时监测的雷击电流最小为8000a,最大为200000多a；而加装后监测的雷击电流在10-200a内。这样的雷击电流完全不可能对风机和叶片造成任何损伤，故在风机轮毂叶片上安装该保护系统从根本上解决了风力发电机防雷世界性难题。

附图说明

图1，一种能在线监测的防直击雷限流保护系统；

图2，检测软件流程图；

100—引雷针；101—防直击雷限流保护器；102—检测线圈；103—输入保护单元；104—检测单元；105—cpu单元；106—电源；107—通讯单元；108—24v直流电源。

具体实施方式

实施例1，一种能在线监测的防直击雷限流保护系统，包括限流保护器101和在线监测仪；在线监测仪包括检测线圈102、输入保护单元103、检测单元104、cpu单元105、电源106、通讯单元107；限流保护器101与检测线圈102相配合，检测线圈102通过输入保护单元103与cpu单元105通讯连接，cpu单元105与通讯单元107作通讯连接；检测单元104与输入保护单元103、cpu单元105通讯连接，电源106分别与检测单元104、cpu单元105、通讯单元107供电连接。

本实施例中电源106为dc电源。

本实施例所述的一种能在线监测的防直击雷限流保护系统,包括接地导线，所述限流保护器101的一端与接地导线连接。

本实施例所述的一种能在线监测的防直击雷限流保护系统,包括引雷针100，限流保护器的另一端与引雷针连接。

实施例2，一种带在线监测防直击雷限流保护系统的风力发电机，先将实施例1所述限流保护器101和检测仪分别安装在风机轮毂内能受力固定的地方，采用不锈钢扎带绑固；在风机叶片根部，将其引雷线接地断开，再把防直击雷限流保护器串接在引雷线和接地之间连接好。采用风机轮毂控制箱内的直流24v引出给系统供电。当风机叶片上的接闪器（即图1中的引雷针100）接到雷电时，经过限流保护器101的限流作用，使雷电只有小电流通过，检测线圈102感应的电信号通过输入保护单元103，传递到cpu单元105，再由cpu单元105处理编码后由通讯单元107发送到网络监控中心设备。

本实施例所述的引雷针100，接地导线均为现有技术。

2019年5月28日——6月14日期间，在会东鲁南风电场作了对比试验，记录数据显示：本实施例所述的风力发电机（以下简称风）雷击后雷电流数据最大值为135.964a，最小值为8.914a，雷击时间和雷击次数有清晰和准确记录；带传统防雷系统的风机被雷击后雷电流数据最大值为227ka，最小值8ka，均值为54.05ka，记录数据没有显示雷击时间和雷击次数。对比分析发现：1）本实施例所述的风机防雷击后过电流显著小于风机传统防雷的雷击后雷电流。未安装本发明创造所述防雷系统的风机一旦被雷击中，雷电流将近10ka，最大的200多ka；而本实施例所述的风机放雷击后的电流可以控制在200a以内，小于传统防雷最小电流（即8ka），比传统雷电流均值低300倍以上，比最大的200ka低得多。2）本发明创造所述防雷系统能有效保护风机叶片，延长叶片使用寿命。从以上雷击电流数据对比可以看出，未安装本发明创造所述防雷系统的风机一旦被雷击中，雷电流将近10ka，最大的200多ka，经过多次雷击以后，叶片表面都普遍存在有被雷击烧灼形成的小黑点。观察风电场风机叶片发现，目前鲁南风电场已有3台风机叶片被雷击烧灼损伤较为严重（据悉这3台风机工作了近4年）。而本实施例所述的风机放雷击后的过电流数据来看，过电流可以控制在200a以下，如此小的雷电流对风机叶片几乎无损伤。3）本实施例所述的风机防雷系统比风机传统防雷具有更好的防雷监测功效。本实施例所述的风机的防雷系统能清晰和准确记录雷击时间和雷击次数，而风机传统防雷没有显示雷击时间，更没有雷击次数。

一种带在线监测防直击雷限流保护系统本实用新型在电力传输线路的实施

1）在经常容易遭受雷击的传输线路铁塔顶端上安装本发明系统，限流保护器应高于铁塔顶端至少一米，限流保护器101的一端与引雷针100连接，另一端与接地线连接，可用金属铁杆支撑绑固在塔顶。直流供电可采用太阳能方式。

2）塔与塔之间的避雷线也采用本发明系统进行隔离和监测。

当限流保护器顶端的金属（引雷针100）接到雷电时，经过限流保护器101的限流作用，使雷电只有小电流通过引雷针100、限流保护器101和接地线，检测线圈102感应的电信号通过保护单元103，传递到cpu单元105，再由cpu单元105处理编码后由通讯单元107发送到网络监控中心设备。

雷击发生时，雷电能量通过引雷针100送到防直击雷限流保护器101，穿过感应线圈102进入地网。防直击雷限流保护器两个（或两个以上）进入地网前各自分别穿过感应线圈，由感应线圈感应出电信号，再分别通过输入保护单元103传递到cpu单元105，由cpu单元105处理编码后经通讯单元107发送到网络监控中心设备。两个（或以上）的限流保护器并联同时工作时，若是两个（或以上）感应出来的电信号数据相近，则可判断两个（或以上）限流保护器工作正常，若两个（或以上）数据相差太大，则可判断其中一个劣化或者失效。

上述实施例中，使用8051f410单片机作为cpu单元105，安信可(ai-thinker)a9模块作为通讯单元107，整个设备使用外接24v直流电源108供电，由dc电源106转换成3.3v、4.2v、6v三种直流电压分别供给cpu单元105、通讯单元107、检测单元104；在自检测试时，由cpu单元105向检测单元104发出控制信号，通过输入保护单元103连通检测线圈102，用于检测外接的检测线圈102状态是否正常，检测结果通过通讯单元107发送到网络监控中心设备。

雷击发生时，雷电能量通过引雷针（100）送到防直击雷限流保护器（101）后经过检测线圈（102）接入地网。检测线圈（102）感应出来的电信号通过输入保护单元（103）传递到cpu单元（105），再由cpu单元（105）处理编码后由通讯单元（107）发送到网络监控中心设备。

在自检测试时，由cpu单元105向检测单元104发出控制信号，通过输入保护单元103连通检测线圈102，用于检测检测线圈102的连接状态，检测结果由cpu单元105通过通讯单元107发送到其他网络监控设备。

检测软件用51单片机编写。