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。本文主要通過對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和分析，進(jìn)而對電弧光保護(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)電子元件就會將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過專用光纖將光信號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)會對開關(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，并對收到的單個(gè)信號或2種信號進(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傳輸給弧光采集單元，弧光采集單元再通過光纖信號反饋給主控單元。

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及電流的增量信號同時(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，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.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)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