永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障的弧光保護(hù)研究

胡唐超，高仕紅，崔佳咪，湯洋

（湖北民族學(xué)院，湖北 恩施 445000）

新能源發(fā)電，尤其是風(fēng)力發(fā)電近些年得到了大規(guī)模的應(yīng)用。推廣初期，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)容量一般都比較小，風(fēng)力發(fā)電機(jī)都沒有配置專門的保護(hù)。隨著風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的增多，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的容量也不斷增大。目前應(yīng)用比較成熟的永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量2MW，最大的單機(jī)可以做到5MW甚至10MW。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)卻沒有得到相應(yīng)的重視。以目前應(yīng)用最多的2MW機(jī)組為例，發(fā)電機(jī)在繞組內(nèi)部預(yù)埋了溫度傳感器，發(fā)電機(jī)的各種故障基本通過溫度繼電器來切除。

在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中，發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障率很高，可達(dá)到電機(jī)故障總數(shù)的65%～85%，因?yàn)闅庀洞艌龅闹C波分量很強(qiáng)，相間短路電流數(shù)值很大，除了可能造成嚴(yán)重的機(jī)械損傷，繞組或鐵芯也會(huì)因局部過熱而燒毀，但溫度保護(hù)動(dòng)作慢，即使切除故障，繞組仍可能因過流而損壞。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般裝設(shè)在高原或沿海地區(qū)較多，高原地區(qū)設(shè)備絕緣條件差，沿海地區(qū)潮濕，發(fā)生絕緣擊穿短路的概率大。發(fā)電機(jī)發(fā)生外部短路時(shí)，會(huì)引起發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組過流。如果定子繞組發(fā)生相間短路，會(huì)產(chǎn)生諧波電流，并且定子短路側(cè)產(chǎn)生環(huán)流。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)是電源，外部電流測量無法正確反應(yīng)內(nèi)部故障情況。多數(shù)產(chǎn)家在設(shè)計(jì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)時(shí)，定子側(cè)中性點(diǎn)側(cè)繞組未考慮引出，無法測量中性點(diǎn)側(cè)的電流，因此，現(xiàn)有的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法配置差動(dòng)保護(hù)。為了解決上述永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法配置差動(dòng)保護(hù)的問題，本文提出利用相線與相線之間短路和相線與地短接時(shí)產(chǎn)生的弧光信號(hào)，設(shè)計(jì)出永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)部的弧光保護(hù)系統(tǒng)。

1 保護(hù)檢測原理

弧光保護(hù)檢測的原理關(guān)鍵在于采集發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路時(shí)產(chǎn)生的弧光信號(hào)，弧光的產(chǎn)生強(qiáng)度與相線之間短路和相線與地短接的形式有關(guān)，但是由于短路的持續(xù)放電，弧光的強(qiáng)度以及能量將以指數(shù)形式遞增，詳見圖1。若是小電流的放電也將導(dǎo)體升溫，逐步引起導(dǎo)體絕緣損壞，最終將導(dǎo)致大電流放電，即使故障電流很小，如果不及時(shí)檢測切除，通過時(shí)間的累計(jì)也可能引起重大的事故。

圖1 電弧故障釋放能量大小與燃弧時(shí)間的關(guān)系

永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子側(cè)發(fā)生相線之間短路和相線與地短接時(shí)，會(huì)引起弧光放電，電弧會(huì)在1毫秒內(nèi)體現(xiàn)。滿足了燃弧條件將會(huì)導(dǎo)致空氣的進(jìn)一步電離，從而加速促進(jìn)弧光的強(qiáng)度增加，空氣電離擊穿后其阻值也會(huì)迅速降低，加速其對(duì)周圍環(huán)境的破壞。但永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)內(nèi)部是個(gè)封閉的無光環(huán)境，此時(shí)若產(chǎn)生弧光，通過電弧光傳感器來采集短路引起的光信號(hào)則可以達(dá)到解決檢測故障信號(hào)的目的，內(nèi)部封閉的環(huán)境也避免了外部其他光信號(hào)的干擾。同時(shí)為了降低永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)出線端外部短路引起的故障，可以在發(fā)電機(jī)定子側(cè)出線端裝設(shè)電流互感器檢測外部電流的改變情況，同時(shí)可以通過采集的信號(hào)傳于微機(jī)保護(hù)中配置電流速斷保護(hù)，限時(shí)電流速斷保護(hù)，定時(shí)限過電流保護(hù)等。最后，為了避免發(fā)電機(jī)整體的配套系統(tǒng)如接線端口、定子出線電力電纜接口、風(fēng)機(jī)艙內(nèi)部控制柜等因絕緣破損、環(huán)境腐蝕導(dǎo)致絕緣破壞引起漏電起火等現(xiàn)象，考慮在永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)艙觀察口安裝點(diǎn)型煙霧探測傳感器，微機(jī)保護(hù)裝置可以通過采集煙霧信號(hào)及時(shí)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)情況。

2 永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)保護(hù)的系統(tǒng)構(gòu)成

風(fēng)力發(fā)電機(jī)電弧光保護(hù)根據(jù)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)而成，同時(shí)具備永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)弧光保護(hù)和電流保護(hù)的功能。該系統(tǒng)采用弧光檢測和過流檢測原理，動(dòng)作快、可靠性高，能有效保護(hù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部弧光故障和外部短路的過流。

（1）保護(hù)裝置構(gòu)成。保護(hù)裝置系統(tǒng)通過傳感器采集發(fā)電機(jī)內(nèi)部的光信號(hào)、定子出線側(cè)電流信號(hào)以及機(jī)艙內(nèi)部的煙霧信號(hào)作為報(bào)警及跳閘動(dòng)作的依據(jù)。當(dāng)采集到發(fā)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生光信號(hào)和定子側(cè)出線的電流信號(hào)異常時(shí)，信號(hào)會(huì)通過傳感器的電纜傳輸?shù)街骺貑卧藭r(shí)主控單元可以根據(jù)設(shè)定發(fā)出跳閘指令或者告警信息，當(dāng)檢測到煙霧信號(hào)時(shí)，僅發(fā)出告警信號(hào)，原理如圖2所示。

圖2 弧光和過流組合保護(hù)原理圖

主控單元能擁有持續(xù)的系統(tǒng)自檢，當(dāng)弧光傳感器出現(xiàn)斷線等故障時(shí)，能發(fā)出弧光傳感器故障的告警信號(hào)。主控單元能夠顯示故障點(diǎn)定位，控制部分可顯示弧光、煙霧發(fā)生點(diǎn)的位置，方便快速處理故障、恢復(fù)供電。

（2）系統(tǒng)構(gòu)成。保護(hù)主機(jī)由兩大部分組成，分別為信號(hào)處理單元和界面顯示單元。兩部分分別由2塊CPU控制，之間的信號(hào)傳輸通過串口完成。信號(hào)處理單元主要通過傳感器完成對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部弧光信號(hào)的采集、發(fā)電機(jī)定子側(cè)出線端三相電流的采集、發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)部煙霧信號(hào)的采集，將采集到的信號(hào)進(jìn)行保護(hù)算法的處理后，傳輸給界面顯示單元進(jìn)行顯示和觀察。保護(hù)主機(jī)具有實(shí)時(shí)檢測傳感器的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)于故障信號(hào)可以定點(diǎn)定位顯示。信號(hào)處理單元可以通過通信管理機(jī)傳輸給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，完成遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值班。

3 具體應(yīng)用和安裝

總體配置。風(fēng)電項(xiàng)目中，每臺(tái)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)部配置一臺(tái)保護(hù)主機(jī)，每一臺(tái)保護(hù)主機(jī)配置8個(gè)弧光檢測傳感器，一組電流互感器以及一個(gè)煙霧傳感器。8個(gè)弧光檢測傳感器分為2組，每組4個(gè)安裝于發(fā)電機(jī)前后端蓋，具體位置如圖3所示。煙霧傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場情況于機(jī)艙發(fā)電機(jī)中心吸頂安裝，也可安裝于發(fā)電機(jī)內(nèi)部的觀察孔洞中檢測煙霧信號(hào)。

4 結(jié)語

圖3 發(fā)電機(jī)端部弧光開孔位置

目前為止弧光微機(jī)保護(hù)在10kV開關(guān)柜、中高壓變配電站的應(yīng)用比較成熟，在風(fēng)力發(fā)電上的應(yīng)用還缺乏。永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的弧光保護(hù)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測發(fā)電機(jī)定子側(cè)出線端電流狀態(tài)、監(jiān)測發(fā)電機(jī)內(nèi)部物理環(huán)境，保護(hù)電纜設(shè)備正常運(yùn)行，提供了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組無法配置差動(dòng)保護(hù)的解決方案。