風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器設(shè)計與應(yīng)用

內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司 李強(qiáng)強(qiáng) 霍春元 財吉拉胡 華電吉林能源有限公司 王德海

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的繁榮興盛，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模逐年增加，但隨著風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電火災(zāi)事故常見于報端。2011年4月13日，甘肅某風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙著火，事故原因是變槳故障引起風(fēng)電機(jī)組加速，在緊急剎車時產(chǎn)生火花引起火災(zāi)；2017年9月19日，河北一家風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組發(fā)生了火災(zāi)，造成了嚴(yán)重的損失，事故原因是高速剎車系統(tǒng)剎車片不能正常歸位導(dǎo)致剎車片摩擦剎車盤產(chǎn)生高溫，致使風(fēng)電機(jī)組起火；2018年2月1日，吉林某風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙著火，事故原因是槳葉故障不能及時順槳，高轉(zhuǎn)速持續(xù)剎車劇烈摩擦導(dǎo)致高溫，最終致使機(jī)艙著火。火災(zāi)事故對風(fēng)電機(jī)組的影響是極其惡劣的，不僅會導(dǎo)致人員傷亡，還會嚴(yán)重?fù)p害企業(yè)的聲譽(yù)。

1 背景介紹

由于剎車片與剎車盤之間的持續(xù)摩擦，產(chǎn)生的火花、熔融物等成為風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)事故的誘發(fā)因素，嚴(yán)重的情況下，可能會造成人員的傷亡或者整個機(jī)艙的損壞。因?yàn)闄C(jī)組的控制策略存在問題，再加上制動器的故障，所以一旦火災(zāi)發(fā)生，很難立即采取有效的應(yīng)對措施。此外，如果沒有采取必要的預(yù)防措施，比如保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就可能導(dǎo)致系統(tǒng)的故障，甚至發(fā)生事故。

風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)主要呈現(xiàn)以下幾個方面的特征：蔓延速度快、自救能力依賴性強(qiáng)、火災(zāi)危險性高、撲救難度大、火災(zāi)類型復(fù)雜等。鑒于此，為了避免大規(guī)模的火災(zāi)，需要首先確保風(fēng)電機(jī)組的安全，有效及時發(fā)現(xiàn)火花、火星，及時撲滅[1]消除潛在隱患，控制風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)的關(guān)鍵在于消除潛在危險源。因此，在風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器防護(hù)罩內(nèi)設(shè)計并安裝火花探測器，實(shí)時檢測和預(yù)警制動引燃源，及時觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組安全鏈、應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)，以有效消除起火源，最終消滅火災(zāi)隱患，從而達(dá)到安全運(yùn)行的目的。當(dāng)火勢剛剛開始蔓延時，應(yīng)及時啟動風(fēng)電機(jī)組的自動消防設(shè)備，以便有效地?fù)渚然饎?，以免風(fēng)電機(jī)組受到慘重?fù)p失。

2 工作原理

風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器對風(fēng)電機(jī)組剎車盤摩擦火花進(jìn)行在線實(shí)時探測，紅外線測溫儀可以實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組剎車盤溫度的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，其中處理器可以同步收集火花探測器和紅外線測溫儀的相關(guān)信息，以便更好地分析結(jié)果，當(dāng)最高溫度超過設(shè)定的臨界值，火花探測器就會被激活，接口模塊輔助觸點(diǎn)會被閉合，這樣就會使風(fēng)電機(jī)組的安全鏈、應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)和自動消防設(shè)備運(yùn)作，從而有效地抑制火焰的蔓延，并能夠在火災(zāi)剛剛開始的時候就及時撲滅。

3 組成結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器包括火花探測器、紅外線測溫儀、處理器、接口模塊（外圍安全接口）等。如圖1所示，火花探測器、紅外線測溫儀、接口模塊分別與處理器連接，其中，火花探測器在線實(shí)時檢測風(fēng)電機(jī)組剎車盤及其周邊紅外能量，探測火花或余火的存在[2]；紅外線測溫儀對風(fēng)電機(jī)組剎車盤溫度進(jìn)行在線實(shí)時監(jiān)測；處理器同步采集火花探測器和紅外線測溫儀數(shù)據(jù)，處理信號并自動給出應(yīng)對措施；接口模塊用于連接外部安全設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)對措施的執(zhí)行。

圖1 風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器拓?fù)鋱D

火花探測器是一種先進(jìn)的工業(yè)級光學(xué)輻射能傳感器，具有高靈敏度、穩(wěn)定性和低功耗，并且能夠長壽命使用?；鸹ㄌ綔y器能夠?qū)崟r檢測微小火花、熾熱顆粒、燃燒顆粒或陰燃物的紅外線特征，并且能夠防塵防水。探測波長在780～1180nm，火花探測器靈敏度可以達(dá)到毫秒級，探測紅外光變特征，再經(jīng)過信號處理、信號修復(fù)和信號過濾得出檢測結(jié)果。采用低溫型火花探測器，其關(guān)鍵技術(shù)特性包括：輸入電壓DC24V，功率損耗小于3W，探測范圍100°，工作環(huán)境范圍-40℃～+85℃，安全防爆性能達(dá)到ExtdA21等級，以及最高可達(dá)IP67的防護(hù)要求。

紅外線測溫儀具有先進(jìn)的工業(yè)級在線點(diǎn)溫儀的特點(diǎn)，能夠快速測量溫度，并具有高精度和廣泛的測量范圍。其核心技術(shù)特點(diǎn)包括：DC24V 的工作電源，0.1℃的分辨率，150ms 的響應(yīng)時間，從-20℃～+500℃的測量范圍，±1.5%的精確度，8～14μm 的光譜響應(yīng)，15:1的光學(xué)分辨率，可在-10℃～+70℃的環(huán)境中寬限工作，并且提供了最高可達(dá)IP66防護(hù)等級。

安裝外圍安全接口的處理器可以從火花探測器和紅外線測溫儀獲取有效的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境的監(jiān)控與控制，以信號為判據(jù)判定故障并立即激活安全接口，自動觸發(fā)警報并可以使風(fēng)電機(jī)組停機(jī)[3]。通過實(shí)時同步采集火花探測器和紅外線測溫儀的數(shù)據(jù)，可以獲取有關(guān)火花、火星的精確信息，并將這些信息傳輸給處理器，以便進(jìn)行分析處理。

紅外線測溫儀可以檢測到剎車盤溫度的變化，一旦溫度超過了預(yù)先設(shè)定的閾值，處理器就會發(fā)出警報，并將這些信息與火花、火星等相關(guān)的數(shù)據(jù)聯(lián)系在一起，一旦判定火情成立將立即激活火花探測器，可實(shí)現(xiàn)對火星的精準(zhǔn)探測。當(dāng)安全接口被激活，與外部安全系統(tǒng)連接的繼電器觸點(diǎn)閉合，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將立即執(zhí)行應(yīng)急程序，安全鏈將動作，如失效及時啟動應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)，若系統(tǒng)檢測到火災(zāi)出現(xiàn)，則將自動啟動消防系統(tǒng)，以確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的絕對安全。

4 優(yōu)勢特點(diǎn)

本文所述風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過無線技術(shù)實(shí)時監(jiān)測火花和剎車盤溫度，可以實(shí)時了解風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況，從而提高效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)級不間斷工作，通過準(zhǔn)確的信號傳輸，可以及時、可靠、有效地檢測和識別火災(zāi)的萌芽，從而確保風(fēng)電機(jī)組安全，防范火災(zāi)事故的發(fā)生，提高風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)防范能力，確保了機(jī)組安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。其有益效果如下。

由于采用了無接觸的檢測技術(shù)，傳感器與風(fēng)電機(jī)組之間沒有任何干擾，而且具有極高的靈敏度、良好的穩(wěn)定性、低功耗和較長的使用壽命，因此特別適用于連續(xù)運(yùn)行設(shè)備工業(yè)現(xiàn)場。通過安裝在風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器罩內(nèi)的先進(jìn)傳感器，能夠?qū)崟r檢測到火花、剎車盤的溫度變化，這樣就能夠更快地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的苗頭，并采取有效的預(yù)防措施，避免不必要的損失。

為了確?；馂?zāi)檢測的準(zhǔn)確性，需要將紅外線測溫儀的測量結(jié)果與火災(zāi)檢測的結(jié)果進(jìn)行比對，以確保其之間的一致性，從而確?；馂?zāi)檢測的準(zhǔn)確性，并且滿足火花探測器開啟外部安全接口的要求。

當(dāng)火花探測器激活外部安全接口時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全鏈會立刻啟動，從而迅速采取措施，緊急順槳立即停機(jī)，最大限度地防止火花的發(fā)生，并將危險情況盡早遏制。當(dāng)火花探測器被激活，恰遇風(fēng)電機(jī)組安全鏈出現(xiàn)故障，經(jīng)設(shè)定延時后啟動風(fēng)電機(jī)組應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)，使風(fēng)電機(jī)組偏離主風(fēng)向90°，以此來降低機(jī)組的轉(zhuǎn)速，從而盡量減少火花的產(chǎn)生，從而避免事態(tài)的惡化。

如果火花探測器已啟動外部安全接口并且超過預(yù)先設(shè)定的延時仍是激活狀態(tài)，則被認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組發(fā)生初起火災(zāi)，這時啟動風(fēng)電機(jī)組自動消防系統(tǒng)，進(jìn)行緊急滅火，盡可能地避免風(fēng)電機(jī)組的損失。

5 安裝應(yīng)用

風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器，如圖2所示，該系統(tǒng)由MSE-T3型火花探測器、IS10型紅外線測溫儀和SD-Ⅰ型處理器組成，處理器還具有外部安全接口，K1、K2、K3繼電器分別用于觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組安全鏈、應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)和自動消防裝置，為安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以確保風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行。

圖2 風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器電氣原理圖

為了有效監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組聯(lián)軸器罩內(nèi)的火花，需要在其表面鉆一個小孔，并使用專門的連接器將火花探測器固定在其上。此外，應(yīng)確保聯(lián)軸器罩內(nèi)是一個相對封閉的環(huán)境，其密封程度至少為IP20，火花探頭的安裝與剎車盤保持一個直角，以便更有效地檢測出剎車盤上的紅外能量。

為了確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，需要開直徑20mm 的圓孔，以便固定高精度的紅外線測溫儀，并用2個M18螺栓來固定。除此之外，處理器還被安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制柜內(nèi)，并通過一根特殊的屏蔽線將其與火花探測器和紅外線測溫儀相連，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

6 效果效益

風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器是一種針對導(dǎo)致火災(zāi)早期誘因的預(yù)防性措施，具有良好的效果、效益，可投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用[4]。

經(jīng)效果評測，風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器可在0.15s 內(nèi)準(zhǔn)確有效地偵測到火花、火星，判定為故障后0.1s 內(nèi)觸發(fā)安全鏈可使風(fēng)電機(jī)組響應(yīng)緊急停機(jī)程序，可在12.86s 內(nèi)使風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速降至0rpm，能夠有效控制和消除點(diǎn)火源；如安全鏈觸發(fā)失效，經(jīng)延時1（時間可自定義）激活風(fēng)電機(jī)組應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)，可使風(fēng)電機(jī)組在150s 內(nèi)偏航測風(fēng)90°，達(dá)到降低風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的，亦能消除火災(zāi)源；經(jīng)延時2（時間可自定義）火花探測器仍是啟動狀態(tài)則判斷為風(fēng)電機(jī)組發(fā)生初起火災(zāi)，立即激活風(fēng)電機(jī)組自動消防裝置動作滅火。

如果1臺風(fēng)電機(jī)組發(fā)生火災(zāi)事故，一般燒損機(jī)艙及葉輪需要整體更換，其直接損失約1150萬元；此外風(fēng)電機(jī)組停運(yùn)及恢復(fù)期按2個月核算，發(fā)電量的間接損失約35.26萬元?？傊?，預(yù)估可挽回1185.26萬元的經(jīng)濟(jì)損失。綜上，風(fēng)電機(jī)組非接觸式火花探測器是一種預(yù)防火災(zāi)的技術(shù)，采用先進(jìn)的技術(shù)手段，加強(qiáng)對風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)事故的預(yù)防，不僅能夠降低火災(zāi)事故的發(fā)生率，還能夠極大地提升風(fēng)電機(jī)組的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。

7 結(jié)論

本文從風(fēng)電行業(yè)突出的火災(zāi)事故出發(fā)，針對風(fēng)電機(jī)組剎車時摩擦火花易發(fā)生火災(zāi)事故的現(xiàn)狀，分析事故原因，突破當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組火災(zāi)預(yù)防的技術(shù)瓶頸，開發(fā)出一種新型的火花探測器，不僅可以實(shí)時監(jiān)測，還可以及時報告可能的火花及其溫度變化，大幅提升了安全性。此外，采用安全鏈、應(yīng)急側(cè)風(fēng)偏航系統(tǒng)，還可以快速阻止起火源的擴(kuò)散，有效地降低火災(zāi)的危險程度。如發(fā)生初起火災(zāi)將及時投入風(fēng)電機(jī)組自動消防裝置有效滅火，確保風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，在風(fēng)電行業(yè)安全生產(chǎn)工作中具有一定的指導(dǎo)、借鑒和推廣意義。