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

王劍利

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000）

目前，在中國(guó)的電力行業(yè)組成中，火電占比約為73%，風(fēng)力發(fā)電約占6%，但火力發(fā)電帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題不容小覷，因此，2020-09，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上提出了“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”，也稱之為“30·60目標(biāo)”。“30·60”目標(biāo)的提出，必將加快風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展；同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)規(guī)模也越來(lái)越大，單機(jī)容量由常規(guī)的1.5MW、2MW等級(jí)已迅速發(fā)展至12MW、14 MW的級(jí)別，裝機(jī)地點(diǎn)也由陸上走向沿海和深海。

隨著單機(jī)裝機(jī)容量的增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相應(yīng)保護(hù)并沒(méi)有得到足夠的重視，傳統(tǒng)保護(hù)設(shè)置上普遍以溫度傳感器或電流檢測(cè)為主要手段，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于故障原因會(huì)造成電路出現(xiàn)拉弧打火現(xiàn)象，嚴(yán)重的話會(huì)引起機(jī)組燒毀事故；同時(shí)，隨著海上風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的增加，海上空氣較為潮濕，發(fā)生短路概率增加，為解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)有保護(hù)缺陷問(wèn)題，本文提出增加一種弧光保護(hù)措施，利用線路短路時(shí)產(chǎn)生的弧光信號(hào)快速切斷風(fēng)機(jī)供電回路，從而達(dá)到保護(hù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的目的，對(duì)于電弧光在電站上應(yīng)用，相關(guān)文獻(xiàn)已開(kāi)展相關(guān)研究[1-4]。

1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由葉輪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、變流器、配電裝置、變壓器、主控系統(tǒng)、塔筒等組成。風(fēng)力推動(dòng)葉輪經(jīng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生交流電，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)不同，通常將風(fēng)力發(fā)電機(jī)分為永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)是經(jīng)變流器整流逆變得到與電網(wǎng)同壓同頻同相交流電，雙饋異步發(fā)電機(jī)則是根據(jù)轉(zhuǎn)速靠變流器調(diào)節(jié)勵(lì)磁及反饋發(fā)出工頻正弦交流電，再由配電裝置和變壓器升壓上網(wǎng)。主控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制調(diào)節(jié)及保護(hù)整個(gè)發(fā)電并網(wǎng)過(guò)程。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用變流設(shè)備將風(fēng)電交流系統(tǒng)與電網(wǎng)交流系統(tǒng)連接、由母線匯流分配電能，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸龐大復(fù)雜、對(duì)保護(hù)要求更高。設(shè)備一旦發(fā)生短路故障將產(chǎn)生電弧，具有很高的光能及高溫輻射，容易引發(fā)惡性事故。

2 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣回路

受風(fēng)電競(jìng)價(jià)上網(wǎng)政策的影響，海上風(fēng)電更需要優(yōu)化風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)成本，尤其是進(jìn)一步降低度電成本。數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)表明，風(fēng)電場(chǎng)在同樣的裝機(jī)規(guī)模下，采用大功率、大兆瓦級(jí)機(jī)型能夠減少風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)，能夠帶來(lái)總體建設(shè)成本（設(shè)備購(gòu)置成本、建設(shè)安裝成本等）的有效降低；同時(shí)，風(fēng)電機(jī)組功率提升后，年發(fā)電量的增加和總運(yùn)維成本的降低也會(huì)降低整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的度電成本。因此海上風(fēng)電將更青睞單機(jī)容量更大的風(fēng)電機(jī)組，尤其是對(duì)8MW及以上大功率風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的增加，必然帶來(lái)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜化，海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電氣回路從機(jī)艙頂部至塔基底部一般包括發(fā)電機(jī)、變頻器、中壓開(kāi)關(guān)柜（環(huán)網(wǎng)柜）、箱式變壓器等設(shè)備，其單線圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)供電單線圖

目前的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)大多采用35kV配電方案，在電壓等級(jí)不變的情況下，海上風(fēng)機(jī)單機(jī)容量的增加，將帶來(lái)電路電流的增加，這也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的繼保帶來(lái)很大困難，當(dāng)中壓開(kāi)關(guān)柜（35kV）或變頻器柜等柜體內(nèi)發(fā)生弧光短路時(shí)，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達(dá)不到中壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)智能操控裝置設(shè)定的保護(hù)閾值而不能快速動(dòng)作，進(jìn)而燒毀柜體，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)燒機(jī)、倒機(jī)的嚴(yán)重事故。

3 弧光保護(hù)原理

3.1 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(chǎng)作用下向外輻射電磁波，這種在放電通道周?chē)蛲廨椛涞碾姶挪ň褪请娀」狻?/p>

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]，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(jiàn)光波段，中心波長(zhǎng)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(jiàn)光能量的趨勢(shì)。

3.2 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(guò)專(zhuān)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)。

3.3 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(zhǎng)短[5-6]，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2所示。從圖2可以看出，電弧燃燒持續(xù)時(shí)間超過(guò)100ms，所釋放的能量開(kāi)始急劇增加，接著各種故障效應(yīng)會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的電纜、銅排等造成嚴(yán)重?fù)p壞，超過(guò)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2 電弧光的危害示意圖

4 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(guò)檢測(cè)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(kāi)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(cè)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(guò)光纖信號(hào)反饋給主控單元。

4.1 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(cè)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(kāi)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)。

4.2 弧光單判據(jù)方式功能設(shè)計(jì)

弧光整定值范圍：5～20klx或1～10mW/cm2。

弧光整定誤差：不超過(guò)10%。

動(dòng)作時(shí)間：≤10ms。

其測(cè)點(diǎn)分布如圖3所示（弧光傳感器檢測(cè)點(diǎn)分別為主變壓器高壓側(cè)、主變壓器低壓側(cè)、變頻器1、變頻器2共4個(gè)測(cè)點(diǎn)）。

圖3 單判據(jù)測(cè)點(diǎn)分布圖

4.3 電流、弧光雙判據(jù)方式功能設(shè)計(jì)

弧光動(dòng)作門(mén)檻值范圍：5～20klx或1～10mW/cm2。

弧光整定誤差：不超過(guò)10%。

電流整定值范圍：0.5～10A（In）。

電流整定誤差：不超過(guò)5%。

動(dòng)作時(shí)間（2倍電流整定值以上）：≤20ms。

其測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示（弧光傳感器檢測(cè)點(diǎn)分別為主變壓器低壓側(cè)、變頻器1兩個(gè)弧光傳感器測(cè)點(diǎn)及變頻器1內(nèi)的電流互感器信號(hào)）。

圖4 雙判據(jù)測(cè)點(diǎn)分布圖

4.4 電流監(jiān)測(cè)

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(cè)量，電流互感器主要是用來(lái)將交流電路中的大電流轉(zhuǎn)換為一定比例的小電流（中國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為5A），以供測(cè)量和繼電保護(hù)之用；同時(shí)使測(cè)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(cè)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(lèi)似，但具體選型需要區(qū)分是為了用于測(cè)量還是為了用于保護(hù)。保護(hù)設(shè)備要根據(jù)被測(cè)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(cè)裝置放置在中壓開(kāi)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(cè)量A相、B相、C相電流，電流互感器將測(cè)量到的電流值傳送給弧光主控單元。

4.5 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(cè)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。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到重視，新能源發(fā)電體系中的風(fēng)力發(fā)電將繼續(xù)保持較快發(fā)展速度，大規(guī)模并網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的占比日漸增大，但風(fēng)力發(fā)電發(fā)電具有間歇性、波動(dòng)性等特點(diǎn)，繼電安全保護(hù)顯得更加復(fù)雜困難，通過(guò)研究弧光保護(hù)應(yīng)用于新能源發(fā)電，讓電力系統(tǒng)的保護(hù)及性能更加完善，提高保護(hù)系統(tǒng)的速動(dòng)、可靠、選擇及靈敏性。

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(guò)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)。