CWPM2021:基于风雷保护和雷击检测减低运营成本

　　周铭：各位领导、各位专家大家好。我是来自一家丹麦的公司叫POLYTECH，可能大家很多人都听说过，我们公司是专注于风电的防雷，叶片的监测，还有前缘保护这一块儿的。

　　

　　这是今天我要讲的一些内容。首先我们来看一下雷电环境和标准，我们先从现在的情况来看，现在的风机是越建越高了，所以更高的风机意味着什么？更高的风机意味着更多的雷电会打在这个风机上面，然后更大的风机同时也意味着我们在停机的时候损失的发电量会更多。还有就是我们的风电场，现在不光是从陆上转移到近海，然后转移到远海，它路程的遥远也使得我们维修的成本会越来越高。

　　

　　根据1998年就是大概二十年前的一个统计，就是雷电的损伤已经成为风机停机时间最多，维修成本最高的一个原因。在2000年左右，在有一些公开发布的文件中，它也支持这样一个说法。近两年情况有所变化，雷电损伤和前缘腐蚀成为两大引起风机停机和维修成本提升的两大原因。我们公司正好这两项都比较在行。

　　

　　然后我们再往下，在以前的防雷理论是这样的，就是说如果是有一个默认，就相当于大家都觉得当风机被雷击的时候，它肯定会受到损伤，然后这个损失比如说风电叶片的维修，或者是说我要去更换那个叶片都是由保险公司或者可能由整机厂来买单，这个属于一不可抗力，所以它在IEC 61400-24 Ed1第一版的时候他就有说你只是提供参考，并非是强制性的。

　　

　　下面我要讲的是我们现在要做的一些事情，我们现在建议是把雷击作为你设计风机和你进行运行的一个重要的考量，就是说他是我设计当中的一个重要参数。然后我们在进行风电场选址之后我们会在你这个风电场进行微观选址，所谓微观选址就是我们在你风电场地址确定之后，我们会对整个风电场的气象环境做一个调查，看一下当年的雷击密度，或者是风向和温度做一些调查，然后把这些气象数据，加上它的一些地形的数据，加上你风机的位置，风机的大小，风机的信息导入到软件当中去，然后进行一个模拟的仿真，进行仿真之后，你就能得到你这个风电场哪一个风机每年会遭受的雷击的量雷击的电流的大小。

　　

　　接下来我们会在风电场的每一个风机上安装雷电监测系统，使用这个雷电监测系统来监测整个风电场的雷击活动。同时我们会结合这个后续在风电场运营当中的雷击的数据和我们在设计初期防雷系统的一些设计参数，和在防雷系统的测试表现，来对风电场和风机进行一个智能化、精准化的维护和保养。这个就像什么呢？这个就像是以前我们的车子，比如说轮胎被钉子扎了，我们把雷击想成钉子，我们被钉子扎了没有办法，就是换轮胎。但是现在如果我们安装的雷电监测系统，我们就知道你是多大的钉子轧了你车的轮胎，是哪一个轮胎，然后进行精准化、智能化的控制。

　　

　　然后在IEC 61400-24 Ed2，就是新的这个标准上面，强制性认证要求就是我们说的大电流就变成了我们强制性的要求，他在附录D里面有记录。同时我们还强调了一些易损件，他也有一些强制性的比如说你寿命上你能够承受多大的雷电的要求，它在寿命上也会有一些要求。在IEC 61400-24 Ed2标准当中，他还有就是要推荐使用雷电检测系统来量化你雷击暴露程度，然后就是推荐大家使用这个雷电监测系统来定制你维护保养的周期。

　　

　　接下来我们来看一下我们的一个雷电监测的方案。首先我们来看一下，我们如果监测雷电需要监测什么，雷电我们有四个关键因素，他是破坏你风机和叶片的主要原因，峰值电流、比能、电量、电流上升时间。这四个参数，峰值电流和比能都是一次性的，这两个参数代表着你整个雷电所带的能量有多大。接下来是电量，电量这个参数是累计值，你的电量累计值越高，那么你就会产生磨损，那么你到一定程度就要进行保养和更换。电流上升时间同样也是一个累计值，他是产生感应电流的一个原因，所以这个参数非常的能考验你们风机内部的所有电子元期间的绝缘和屏蔽性。

　　

　　在测量这个参数的时候，注意点就是有哪些监测系统的参数是比较关键的，首先是它的触发水平很关键，就是我这个多少电流的雷击可以触发我们这个监测系统并且开始把这个数据给记录下来。我们这个数据系统能够监测最低的触发水平是200安培，相对于5000安培的数据来说，他能够记录40%更多的雷击，然后它的数据才会更准确。然后还有一个是它的记录时间和它的动态范围，因为一个雷击不光是一次性的雷击，他在一个雷击当中可能会有首次的闪击或者是多次的冲击，所以你一个记录的时间和范围都非常重要，你要把它的整个波形都要记录出来。还有一个是高分辨率和高采样率就是你输出数据准确不准确。我们这个LKDS相对来说能够很好的处理这些所有的数据，然后输出的数据也非常的准确，它经过了很多的振动或者是电子感应的测试，当然还有一些现场偏振，还拿到了DNV GL的一个认证。

　　

　　这是我们LKDS的一个大概的构造，在这里有一个Smart材料PS，这是我们一款全新的产品，然后它还有三个传感器放到三个叶片当中去，然后还有一个控制箱，然后它各种的通讯方式都可以自行定制，基本上市面上所有的通讯方式我们都有。当然我们还提供一些其他的支持服务。

　　

　　我们拿到这个数据之后怎么办？这里我们就会提到一个预见性维护，也就是我刚才说的智能化、精准化的维护。我们拿到这个数据之后，大家可以从右上角这个图上可以看到，这是我们真实抓取的一次雷击数据，你可以看到它有很多次的冲击，在单个的雷击上面。能把这样一个图形精细的描绘出来，因为大家知道电量和比能都是一个积分值，不是一个恒定值，这些说到哪些数据重要，是你的峰值电能重要，还是比能重要还是什么周期？这四个其实都是非常重要的，都是我们进行维护的时候需要参考的因素。

　　

　　然后当我们已经有了这样一个LKDS之后，我们能做什么？当他们超过了你的防雷系统的设计或者是测试值的时候，我们可以进行及时的停止风机，或者说你受到的库仑数已经超过了你的防雷值设计，这个时候你就可以及时的停止风机进行保养。反过来说，你也可以对某一些不需要没有经过雷击的风机，那么你就可以不需要对它进行维护保养，或者说是降低它的维护保养的频率。这就是我们所说的一个预见性维护的作用。

　　

　　这个是刚才大家看到的波形图，然后我们也可以输出一个单个事件的雷击报告，你可以在单个事件的雷击报告里面可以看到这个雷击波形，这个雷击波形是精细化的，你可以看到刚才有一个密密麻麻的多个波形叠加的图，你也可以把它放大到每一个节点，甚至是一毫秒以内的图，大家都可以从这个报告上得出，当然这四个参数也都是可以直接得到。

　　

　　然后LKDS这个东西还可以出累计的报告，就是从你安装完这个雷电监测系统之后，我整个的风机遭受了多少次雷击，受到的最大电流和电量是多少都可以测量出来。我们现在LKDS在设计范围内已经是批量了，有多个项目现在正在进行运行。

　　

　　我这边举一个例子，在欧洲有一个300兆瓦的风电场，在16个月的统计周期下面，我们发现了79次的雷击，其中18%是负极雷，13%是正极雷，还有19%是双极雷，这也是非常罕见的。而且其中还有很多是上行雷，还有一个重要的数据是这个风电场有73%的风机被雷击，有27%的的风机完成没有被雷击到。也就是说如果你进行保养，我们这18个月内你是不需要对这个27%的风机进行保养的。然后在最多的被雷击的风机的次数是7次、6次、5次、5次、4次，把他们加起来的话，就是说这五个风机承受了总的三分之一的雷击量，也就是说我们可以专注的对这个风机进行一些雷击的加强设计，或者说我对他们进行一个加强的保养和维护。

　　

　　接下来我会讲一个这个是一个全新的产品，我们叫Smart LPS，智能防雷，这个智能防雷系统主要是用于复杂型叶片，像是碳纤维或者是除冰的叶片，当这种复杂型叶片会有多个防雷系统的结构。大家可以看到，这个图上的绿点或者是红点都是我们Smart LPS的感应电，他是离散的感应点，然后这些感应点可以和你的防雷系统合在一起，也可以分开来安装，都是可以的。这些感应点是单个的元器件，能够独立的发送信号，它的信号源输出的范围最大能达到2公里。然后即使有障碍物的情况下，我们测试下来它在150米的范围内，现在理论上以后使用更长叶片的情况下都是能够正常传输的。他有独立的电池，不需要再供电，它的电池是能够使用25年，可以保证你整个生命周期都能够使用这样的一个Smart LPS的感应器。

　　

　　这个感应器有什么用呢？大家可以看到图上有一个雷击点，当雷击点发生在叶片第五对连接点的位置之后，他在后面所有红色的点都会发红，也就证明了我在这两个感应点当中能够感应到它的雷击的位置，从而把这些数据传递给LKDS。传递给LKDS之后，LKDS会处理一下这个数据，上传到客户喜欢的那个传送方式，比如说上传到云端，通过两者的协同，我们就知道你在哪一个位置上发生了雷击，从而可以帮助你们更精准的来对雷击防雷系统进行维护。同样的，这个Smart LPS可以和其他的传感器互动，比如说叶片的状态监测或者是叶片的载荷监测整合到一起，作为一个整体的系统。

　　

　　下面这个是这两者的结合性，就是说LKDS能够负责这个雷击的量级能量是多大，然后也就是说这个雷击发生了什么。然后这个Smart LPS能够测量出这个雷击点准确的发生在哪里。这两者结合起来，再加上我们在设计初期像是我们在做碳纤维或者是做除冰叶片防雷系统设计的时候可以作为一个出行，再加上我们认证的时候做的一些测试的数据，把这些结合起来，我们就能够对整个叶片的防雷系统的状态进行一个完整的监测。同时，我们也可以通过这几项得到任何雷击事件的后果，不会茫然的只是知道叶片被雷击的，叶片需要更换等等。这也使得我们这个Smart LPS推出之后，现在第一个项目已经运行了有半年了，使用方非常的满意，这也是他希望向各个业主推荐Smart LPS的原因，我们之后还有更多的项目在运行当中。

　　

　　这一张图是我们记录下来的两个比较特殊的雷。首先我们这里有一个理论上的正极上行雷，就是左下图，这正极上行雷在实际当中是非常罕见的，因为通常上行雷都是负极的。我左手边这一张图是双极的上行雷，他是一个负极雷和正极雷两个雷的叠加。同时我们在积累运营和检测当中也记录下来了它的雷电的情况。

　　

　　然后最后我们再提一下在最差的情况下，如果我们任何的预见性都没有办法使用的情况下，如果你的叶片、叶尖被雷达打坏了，那么我们有一款之前比较著名的一个产品，我们之前叫Polytech，就是这个叶尖植入体，他能够帮助你改善叶尖部分的稳定性的。你们可以在考虑修复风电叶片、叶片的同时把这个植入体放在里面，当然也可以做其他的后期改造。它的优点有这几个，首先它是一个定制化的设计，定制化的设计它能够符合任何一个叶片的形状。同时它能够单独通过高大电压的测试。它的叶尖的效果非常好，因为如果你在叶尖的位置把这个防雷系统改善的比较好的话，那会给大家带来更多的帮助。然后它都是经过测试过，具有一定的寿命值，他经过大电流冲击之后，他是完全没有任何问题的，然后他是一个标准的具有一个DNV/GL认证，所以大家在进行防雷改造的时候可以考虑使用这样的一个防雷系统的方案。

　　

　　谢谢大家，如果大家有防雷的各种问题欢迎大家会后跟我探讨。谢谢。
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