電弧光保護在風力發(fā)電機中的應用

摘要：全球變暖加劇，環(huán)保問題凸顯，中國提出“碳達峰、碳中和”目標，發(fā)展清潔能源成關鍵。風力發(fā)電技術顯著進步，單機容量提升，安裝地點拓展至海上。針對海上大容量風電機組，我們創(chuàng)新提出保護方案，融合弧光傳感器與電流測量技術，設計單判據和雙判據實施方案，提升運行安全性。本文深入研究和全面分析風力發(fā)電技術，提出電弧光保護在風力發(fā)電機中的建設性意見。

1風力發(fā)電系統(tǒng)類型

1.1?依據機組容量劃分

風力發(fā)電系統(tǒng)按機組容量分四類，每類容量有差異。

1）機組容量為0.1～1kW的小型機組

2）機組容量為1～1000kW的中型機組

3）機組容量為1～10MW的大型機組

4）機組容量為10MW以上的巨型機組。

1.2?依據發(fā)電機運行特征及控制方式劃分

根據發(fā)電機的運行特征或控制方式，一般可分為兩種系統(tǒng)：變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)和恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。前者風力機轉速可調，能合理利用風能提升發(fā)電率；后者使用較少，雖便捷但風能利用率低，發(fā)電率不高。

1.3?運行方式分類

根據風力發(fā)電的運行機制，通?？梢詫⑵鋭澐譃閮纱箢悇e。首要提及的是并網型風力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)與常規(guī)的發(fā)電模式相類似，普遍依賴于大型電網以增強風能的利用效率。其顯著優(yōu)勢在于成本相對較低，因此在當前階段頗為常見。緊接著是離網型風力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常獨立運行，且其容量相對較小。這類系統(tǒng)在城鄉(xiāng)公路等場景中較為普遍，展現出其獨特的應用價值。

2弧光保護原理

2.1電弧光的產生

電弧光是氣體放電的終極表現形式。在氣體原子周圍的電子被電離成等離子體后，這些自由電子便游離而出，并在外部因素或強大電場的影響下，向外輻射電磁波。這種在放電通道周圍釋放出的電磁波，正是我們所稱的電弧光。

據相關文獻記載，電弧光的能量主要集中在兩個特定的光譜區(qū)域：一是300至400納米的紫外光波段，其中心波長約為330納米；二是500至600納米的可見光波段，其中心波長約為530納米。值得注意的是，電弧光在紫外光波段的能量往往高于其在可見光波段的能量。

2.2弧光傳感器

弧光傳感器為光感應元件，短路時弧光增強，其內電子元件將光信號轉電信號，通過光纖將光信號傳至采集或保護單元完成光電轉換，支撐后續(xù)動作?；」鈧鞲衅鲬呖垢蓴_、精度高、可靠性強的特點。

2.3快速性保護

電弧光故障危害由電流大小和切除時間決定，電弧光產生的能量I2t隨切除時間T指數增長。圖1顯示，電弧燃燒超100ms能量激增，損壞電纜、銅排等，超過200ms，其能量達柜體燃燒級別，保護動作時間應越快越好。為防設備受損，需縮短切除時間，標準規(guī)定純弧光跳閘時間<10ms，帶電流雙重判據動作時間<20ms。

圖1電弧光的危害示意圖

3.弧光保護在風電中的應用

風力發(fā)電用電弧光保護裝置裝于塔基控制柜內，由主控單元、弧光傳感器等組成。主控單元管理、控制系統(tǒng)，通過檢測弧光和電流增量信號，同時，對接收到的單一信號或兩種信號進行細致的處理與判斷?；」鈧鞲衅鞅痪珳实匕惭b在中壓開關柜及塔基變頻器內部。一旦滿足跳閘條件，系統(tǒng)將立即發(fā)出跳閘指令，以迅速切除故障?；」鈧鞲衅靼惭b在中壓開關柜及塔基變頻器內，檢測到弧光信號后傳輸給弧光采集單元，后者再反饋信號給主控單元。

3.1總體結構設計

在風力發(fā)電機箱的高壓、低壓側及變頻器內布置弧光傳感器，稱單判據。若同時布置電流互感器，弧光裝置主控單元將接收弧光傳感器信號及電流增量信號，任一觸發(fā)則發(fā)送切除指令，使風力發(fā)電機快速脫離電網，稱雙判據。

3.2電流監(jiān)測

采用電流互感器測量變頻器內電流，將其大電流轉換為小電流（國標5A），供測量和繼電保護，并與高電壓隔離。使用時，原線圈串聯負載線路，副邊線圈與電阻閉合回路。選型需區(qū)分測量或保護用途，考慮電流比和容量。風力發(fā)電機電流檢測裝置安裝在中壓開關柜進線電纜處，共3個電流互感器分別測量A、B、C相電流，并傳送給弧光主控單元。

3.3主控單元功能設計

弧光裝置的主控單元在執(zhí)行弧光傳感器與電流互感器的信號邏輯處理之余，還需涵蓋以下核心功能：首先，需具備全面的自檢機制，涵蓋裝置硬件、軟件及弧光傳感器異常等多方面的自檢，一旦檢測到任何故障，將立即觸發(fā)告警信號，并自動封鎖整套保護系統(tǒng)，確保設備安全；其次，應提供清晰的狀態(tài)指示，如運行狀態(tài)、裝置異常等，便于用戶及時掌握設備狀況；再者，需展示詳盡的信息界面，涵蓋時間、定值、配置、采集量、動作記錄等，并支持事件記錄與操作記錄的便捷查詢；最后，在通訊方面，主控單元應支持RS485、以太網等多種通訊方式，并符合MODBUS規(guī)約或IEC60870-5-103、104等國際通訊標準，確保設備間的順暢通訊與數據交互。

4風力發(fā)電機組的控制

4.1定槳距控制技術

定槳距控制技術固定葉片于輪轂，葉片失速時控制功率達到頂峰，實現風力發(fā)電質量控制。該技術源自丹麥，運用槳葉翼型失速理論，使氣流攻角在額定風速下促使設備達特定值，渦流在槳葉表面出現降低效率，限制功率。該技術已被全球先進制造商廣泛使用，生產大型風電設備，行業(yè)使用率達70%。

4.2變槳距控制技術

變槳距控制技術調節(jié)風電機組，通過縱向軸心葉片變化實現[6-8]。Vestas風力機可作為研究案例。調節(jié)分三階段：（1）開機運行，調整節(jié)距角至合適位置，控制轉速，實現并網發(fā)電。（2）風速低于額定風速時，調整發(fā)電機轉差率，優(yōu)化功率輸出。（3）功率穩(wěn)定后，調節(jié)輸出功率，超額定功率時調整槳葉節(jié)距角。大于750kW機組常用變槳距調節(jié)，不足則可用定槳距失速調節(jié)。

5安科瑞弧光保護裝置的功能和選型

5.1功能

弧光保護裝置采用高度模塊化的硬件設計，涵蓋電源模塊、CPU模塊、弧光采集模塊、模擬量采集模塊、開入開出模塊、通訊模塊及人機接口模塊等，全面集成了保護、測量、監(jiān)視、控制、通訊、故障錄波及事件記錄等多重功能。該裝置能夠實時監(jiān)測弧光信號、保護電流或電壓信號，專為0.4kV至35kV的中低壓配電系統(tǒng)提供高效的電弧光保護。其配套的軟件搭載了專業(yè)的保護算法，不僅抗干擾能力強，且具備高可靠性，保護實現方式靈活多變。此外，該裝置還能與Acrel-2000電力監(jiān)控系統(tǒng)無縫對接，共同為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供堅實保障。

5.2 選型

6、結語

電弧光產品在風力發(fā)電機領域的應用尚處于初步階段，其卓越性能能夠迅速對風力發(fā)電機內產生的電弧光及過流現象進行實時告警，并立即切斷斷路器以實施保護，此舉顯著降低了風力發(fā)電機發(fā)生火災等嚴重事故的風險。未來，隨著技術的不斷進步，我們期待能將電弧光產品與氣溶膠等先進的消防系統(tǒng)產品相結合，以構建更為全面和高效的保護體系。

參考文獻：

[1]王海，電弧光保護在風力發(fā)電機中的應用研究

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

[3]安科瑞企業(yè)微電網設計與應用手冊2020.06版．

[4]安科瑞用戶變電站變配電監(jiān)控解決方案2021.10

審核編輯 黃宇