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

摘要：全球變暖加劇，環(huán)保問題凸顯，中國提出“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，發(fā)展清潔能源成關(guān)鍵。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)顯著進(jìn)步，單機(jī)容量提升，安裝地點(diǎn)拓展至海上。針對海上大容量風(fēng)電機(jī)組，我們創(chuàng)新提出保護(hù)方案，融合弧光傳感器與電流測量技術(shù)，設(shè)計(jì)單判據(jù)和雙判據(jù)實(shí)施方案，提升運(yùn)行安全性。本文深入研究和全面分析風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提出電弧光保護(hù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的建設(shè)性意見。

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)按機(jī)組容量分四類，每類容量有差異。

1）機(jī)組容量為0.1～1kW的小型機(jī)組

2）機(jī)組容量為1～1000kW的中型機(jī)組

3）機(jī)組容量為1～10MW的大型機(jī)組

4）機(jī)組容量為10MW以上的巨型機(jī)組。

1.2?依據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行特征及控制方式劃分

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

1.3?運(yùn)行方式分類

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電的運(yùn)行機(jī)制，通常可以將其劃分為兩大類別。首要提及的是并網(wǎng)型風(fēng)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(wǎng)以增強(qiáng)風(fēng)能的利用效率。其顯著優(yōu)勢在于成本相對較低，因此在當(dāng)前階段頗為常見。緊接著是離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常獨(dú)立運(yùn)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(xiàn)出其獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。

2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終極表現(xiàn)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(qiáng)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(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，電弧光的能量主要集中在兩個(gè)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(yīng)元件，短路時(shí)弧光增強(qiáng)，其內(nèi)電子元件將光信號轉(zhuǎn)電信號，通過光纖將光信號傳至采集或保護(hù)單元完成光電轉(zhuǎn)換，支撐后續(xù)動作?；」鈧鞲衅鲬?yīng)具抗干擾、精度高、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.3快速性保護(hù)

電弧光故障危害由電流大小和切除時(shí)間決定，電弧光產(chǎn)生的能量I2t隨切除時(shí)間T指數(shù)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(dá)柜體燃燒級別，保護(hù)動作時(shí)間應(yīng)越快越好。為防設(shè)備受損，需縮短切除時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定純弧光跳閘時(shí)間<10ms，帶電流雙重判據(jù)動作時(shí)間<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)裝置裝于塔基控制柜內(nèi)，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(shí)，對接收到的單一信號或兩種信號進(jìn)行細(xì)致的處理與判斷。弧光傳感器被精準(zhǔn)地安裝在中壓開關(guān)柜及塔基變頻器內(nèi)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(guān)柜及塔基變頻器內(nèi)，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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱的高壓、低壓側(cè)及變頻器內(nèi)布置弧光傳感器，稱單判據(jù)。若同時(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)快速脫離電網(wǎng)，稱雙判據(jù)。

3.2電流監(jiān)測

采用電流互感器測量變頻器內(nèi)電流，將其大電流轉(zhuǎn)換為小電流（國標(biāo)5A），供測量和繼電保護(hù)，并與高電壓隔離。使用時(shí)，原線圈串聯(lián)負(fù)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(hù)用途，考慮電流比和容量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流檢測裝置安裝在中壓開關(guān)柜進(jìn)線電纜處，共3個(gè)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(shè)計(jì)

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(jī)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(hù)系統(tǒng)，確保設(shè)備安全；其次，應(yīng)提供清晰的狀態(tài)指示，如運(yùn)行狀態(tài)、裝置異常等，便于用戶及時(shí)掌握設(shè)備狀況；再者，需展示詳盡的信息界面，涵蓋時(shí)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(yīng)支持RS485、以太網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)備間的順暢通訊與數(shù)據(jù)交互。

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)固定葉片于輪轂，葉片失速時(shí)控制功率達(dá)到頂峰，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電質(zhì)量控制。該技術(shù)源自丹麥，運(yùn)用槳葉翼型失速理論，使氣流攻角在額定風(fēng)速下促使設(shè)備達(dá)特定值，渦流在槳葉表面出現(xiàn)降低效率，限制功率。該技術(shù)已被全球先進(jìn)制造商廣泛使用，生產(chǎn)大型風(fēng)電設(shè)備，行業(yè)使用率達(dá)70%。

4.2變槳距控制技術(shù)

變槳距控制技術(shù)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組，通過縱向軸心葉片變化實(shí)現(xiàn)[6-8]。Vestas風(fēng)力機(jī)可作為研究案例。調(diào)節(jié)分三階段：（1）開機(jī)運(yùn)行，調(diào)整節(jié)距角至合適位置，控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。（2）風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差率，優(yōu)化功率輸出。（3）功率穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)輸出功率，超額定功率時(shí)調(diào)整槳葉節(jié)距角。大于750kW機(jī)組常用變槳距調(diào)節(jié)，不足則可用定槳距失速調(diào)節(jié)。

5安科瑞弧光保護(hù)裝置的功能和選型

5.1功能

弧光保護(hù)裝置采用高度模塊化的硬件設(shè)計(jì)，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(jī)接口模塊等，全面集成了保護(hù)、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?qū)崟r(shí)監(jiān)測弧光信號、保護(hù)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(hù)。其配套的軟件搭載了專業(yè)的保護(hù)算法，不僅抗干擾能力強(qiáng)，且具備高可靠性，保護(hù)實(shí)現(xiàn)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(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。

5.2 選型

6、結(jié)語

電弧光產(chǎn)品在風(fēng)力發(fā)電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初步階段，其卓越性能能夠迅速對風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的電弧光及過流現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)時(shí)告警，并立即切斷斷路器以實(shí)施保護(hù)，此舉顯著降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生火災(zāi)等嚴(yán)重事故的風(fēng)險(xiǎn)。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們期待能將電弧光產(chǎn)品與氣溶膠等先進(jìn)的消防系統(tǒng)產(chǎn)品相結(jié)合，以構(gòu)建更為全面和高效的保護(hù)體系。

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

審核編輯 黃宇