淺談電弧光保護(hù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

王蘭

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定  201801

摘要：隨著全球變暖的加劇，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的環(huán)境保護(hù)問題越來越突出，中國也相應(yīng)地制定了“碳達(dá)峰、碳中和"目標(biāo)，發(fā)展清潔能源已是必要的途徑。近幾年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增加，安裝地點(diǎn)也從陸上發(fā)展到了海上，針對(duì)海上大容量風(fēng)電機(jī)組提出了一種新的保護(hù)方案，該保護(hù)方案是將弧光傳感器及電流測量綜合應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)中去，提出了單判據(jù)和雙判據(jù)方案，提高了海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。本文主要通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和分析，進(jìn)而對(duì)電弧光保護(hù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行幾點(diǎn)建議提出。

關(guān)鍵詞：電弧光，保護(hù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，應(yīng)用

1. 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類型

1.1?依據(jù)機(jī)組容量劃分

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)如果是依照機(jī)組的容量進(jìn)行劃分，一般可以分為四種類型，這四種類型的容量也存在一定的差異性。第一種：小型機(jī)組。這種類型的機(jī)組容量一般在0.1～1kW。第二種：中型機(jī)組。這種類型的機(jī)組容量一般在1～1000kW。第三種：大型機(jī)組。這種類型的機(jī)組容量一般在1～10MW。第四種：巨型機(jī)組。這種類型的機(jī)組容量一般在10MW以上。

1.2?依據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特征及控制方式劃分

如果是依照發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特征，或者是依照發(fā)電機(jī)的控制方式，來進(jìn)行劃分，一般能夠分為兩種。第一種是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的風(fēng)力機(jī)，其轉(zhuǎn)速一般是能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的，并且能夠從一定程度上合理利用風(fēng)能來提升系統(tǒng)的發(fā)電率。第二種是恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在當(dāng)今時(shí)期使用的比較少，這一類型的系統(tǒng)雖然使用起來比較便捷，但是，對(duì)于風(fēng)能的利用率一般比較低，且發(fā)電率往往也不高，存在一定的不足。

1.3?運(yùn)行方式分類

依照風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行方式來進(jìn)行分類，一般可以分為兩種類型。首先，是并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)和一般的發(fā)電模式相同，一般需要利用大電網(wǎng)來提升對(duì)風(fēng)能的利用率。其優(yōu)勢是費(fèi)用較低，在當(dāng)前這一時(shí)期中是比較常見的。其次，是離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。這種發(fā)電系統(tǒng)一般是獨(dú)立運(yùn)行的，并且這一系統(tǒng)的容量比較小。在一般的城鄉(xiāng)公路中會(huì)比較常見此種系統(tǒng)。

1. 弧光保護(hù)原理

2.1電弧光的產(chǎn)生

電弧光是氣體放電的最終形式。當(dāng)圍繞氣體原子的電子被電離為等離子體后，稱為游離的自由電子，并在外界因素或較高電場作用下向外輻射電磁波，這種在放電通道周圍向外輻射的電磁波就是電弧光。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，電弧光的能量主要集中在300～400nm的紫外光波段和500～600nm的可見光波段，中心波長分別約為330nm和530nm，并且，電弧光具有在紫外光波段的能量大于其在可見光能量的趨勢。

2.2弧光傳感器

弧光傳感器是一種光感應(yīng)元件。當(dāng)發(fā)生短路產(chǎn)生弧光時(shí)，光的強(qiáng)度將突然增加，弧光傳感器內(nèi)電子元件就會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過專用光纖將光信號(hào)傳送給弧光采集單元或弧光保護(hù)單元，光電轉(zhuǎn)換在弧光采集單元或弧光保護(hù)單元完成，從而對(duì)后續(xù)的動(dòng)作作出判據(jù)支撐?；」鈧鞲衅鲬?yīng)具有抗干擾能力強(qiáng)、光學(xué)計(jì)量精度準(zhǔn)確、可靠性高等特點(diǎn)。

2.3快速性保護(hù)

電弧光故障的危害程度取決于電弧光電流的大小及切除時(shí)間長短，電弧光產(chǎn)生的能量I2t與切除時(shí)間T成指數(shù)規(guī)律快速上升，如圖1所示。從圖1可以看出，電弧燃燒持續(xù)時(shí)間超過100ms，所釋放的能量開始急劇增加，接著各種故障效應(yīng)會(huì)對(duì)開關(guān)設(shè)備的電纜、銅排等造成嚴(yán)重?fù)p壞，超過200ms，其能量已達(dá)到柜體燃燒級(jí)別，所以保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越快越好。要保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損傷，必須盡量縮短切除時(shí)間，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，純弧光跳閘時(shí)間小于10ms，帶電流雙重判據(jù)的動(dòng)作時(shí)間小于20ms。

圖1電弧光的危害示意圖

3.弧光保護(hù)在風(fēng)電中的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電用電弧光保護(hù)裝置安裝在塔基控制柜內(nèi)，主要由主控單元和弧光傳感器等幾部分組成，主控單元用于管理、控制整套電弧光保護(hù)系統(tǒng)，通過檢測弧光和電流增量信號(hào)，并對(duì)收到的單個(gè)信號(hào)或2種信號(hào)進(jìn)行處理、判斷，弧光傳感器安裝在中壓開關(guān)柜及塔基變頻器內(nèi)部。在滿足跳閘條件時(shí)，發(fā)出跳閘指令以切除故障。弧光傳感器先將檢測到的弧光信號(hào)傳輸給弧光采集單元，弧光采集單元再通過光纖信號(hào)反饋給主控單元。

3.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變高壓側(cè)、低壓側(cè)、變頻器內(nèi)部分別單一布置弧光傳感器，稱之為單判據(jù)；若在布置弧光傳感器的同時(shí)，一并在變頻器內(nèi)部布置測量電流的互感器，弧光裝置主控單元將接收到的弧光傳感器信號(hào)及電流的增量信號(hào)同時(shí)進(jìn)行判斷，任意一相電流的增量以及弧光傳感器信號(hào)被觸發(fā)，則弧光主控單元向中壓開關(guān)柜發(fā)送切除指令，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速切除電網(wǎng)，這種方式稱之為雙判據(jù)。

3.2電流監(jiān)測

采用電流互感器實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器內(nèi)進(jìn)線或出線電流的測量，電流互感器主要是用來將交流電路中的大電流轉(zhuǎn)換為一定比例的小電流（中國的國家標(biāo)準(zhǔn)為5A），以供測量和繼電保護(hù)之用；同時(shí)使測量、保護(hù)和控制裝置與高電壓隔離。在使用時(shí)，它的原線圈應(yīng)與待測電流的負(fù)載線路相串聯(lián)，副邊線圈則與電阻接成閉合回路，工作原理同變壓器類似，但具體選型需要區(qū)分是為了用于測量還是為了用于保護(hù)。保護(hù)設(shè)備要根據(jù)被測線路特點(diǎn)選型，最后主要從電流比和容量考慮選擇合適的參數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流檢測裝置放置在中壓開關(guān)柜柜體進(jìn)線電纜處，共安裝有3個(gè)電流互感器，分別測量A相、B相、C相電流，電流互感器將測量到的電流值傳送給弧光主控單元。

3.3主控單元功能設(shè)計(jì)

弧光裝置的主控單元除了完成弧光傳感器和電流互感器的信號(hào)邏輯處理之外，還應(yīng)滿足以下功能：①具有自檢功能，包括裝置硬件故障、軟件故障、弧光傳感器異常等自檢，當(dāng)裝置檢測到本身故障時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)閉鎖整套保護(hù)；②具備運(yùn)行、裝置異常等狀態(tài)指示；③具有時(shí)間、定值、配置、采集量、動(dòng)作等信息顯示，并有事件記錄、操作記錄查詢功能；④通訊功能，支持RS485、以太網(wǎng)，滿足MODBUS規(guī)約或IEC60870-5-103、104通訊規(guī)約等。

4風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制

4.1定槳距控制技術(shù)

定槳距控制技術(shù)要求在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的輪轂上固定好葉片，如果葉片出現(xiàn)失速，便可以對(duì)功率的最大值進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量控制的目的，而這便是定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理。該項(xiàng)技術(shù)來自丹麥風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)，運(yùn)用的是槳葉翼型失速理論，能夠使氣流攻角在額定的風(fēng)速上促使機(jī)械設(shè)備達(dá)到特定值，渦流便可以在槳葉表面出現(xiàn)，而且可降低效率，以實(shí)現(xiàn)限制功率的目的。定槳距控制技術(shù)已經(jīng)被世界上諸多先進(jìn)的制造商所使用，生產(chǎn)出很多大型的風(fēng)電發(fā)電機(jī)組設(shè)備，在行業(yè)內(nèi)的使用率高達(dá)70%。

4.2變槳距控制技術(shù)

變槳距控制技術(shù)所具備的變槳距風(fēng)電機(jī)組調(diào)節(jié)功能，實(shí)現(xiàn)途徑是縱向軸心葉片的變化結(jié)果[6-8]。關(guān)于這一領(lǐng)域，可以對(duì)Vestas公司的風(fēng)力機(jī)進(jìn)行研究。該技術(shù)調(diào)節(jié)階段分為三個(gè)階段：（1）第一個(gè)階段是開機(jī)運(yùn)行。變槳距風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)力機(jī)如果正處于運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)于定槳葉節(jié)距角計(jì)算將逐漸展開，此時(shí)需要將節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整，如果已經(jīng)達(dá)到了0.5倍額定轉(zhuǎn)速，則需要全面調(diào)整節(jié)距角，使其處于合適的角度位置，這樣才能夠使風(fēng)力機(jī)處于可控的轉(zhuǎn)速狀態(tài)，完成并網(wǎng)發(fā)電功能。（2）進(jìn)入到第二階段，此時(shí)風(fēng)速低于額定風(fēng)速，其功率輸出取決于槳葉的氣動(dòng)性能。根據(jù)風(fēng)速的大小，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比，以優(yōu)化功率輸出。（3）進(jìn)入到第三階段，功率如果能夠與額定功率保持一致，系統(tǒng)將逐漸開始穩(wěn)定的運(yùn)行，這個(gè)時(shí)候要對(duì)輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果輸出功率大于額定功率，則需要對(duì)槳葉節(jié)距角進(jìn)行調(diào)整。一般而言，如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量超過了750kW則可以使用變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)，如果不足750kW，則可以使用定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)。

5安科瑞 ARB5系列弧光保護(hù)的原理及系統(tǒng)組成

弧光保護(hù)裝置通過弧光+電流突變量雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動(dòng)保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間為

弧光單判據(jù)動(dòng)作時(shí)間≤7ms；弧光+電流雙判據(jù)時(shí)間≤20ms。

    ARB5系列弧光保護(hù)裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴(kuò)展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構(gòu)成。

7、結(jié)語

電弧光產(chǎn)品在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用才剛剛起步，能夠較好地對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的電弧光及過流現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)告警和切斷斷路器保護(hù)，有效地避免了風(fēng)力發(fā)電機(jī)起火等嚴(yán)重事故，后續(xù)可以結(jié)合氣溶膠等相關(guān)的消防系統(tǒng)產(chǎn)品，進(jìn)行更加完善的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

1. 王海，電弧光保護(hù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用研究

2. 劉立忠，柴衛(wèi)軍，鄭小翠.基于電子傳感技術(shù)的低壓開關(guān)柜弧光保護(hù)方法［J］.自動(dòng)化與儀表，2020，35（12）：98-102.

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[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10