電弧光保護在風力發電機中的應用研究

王劍利

（四川建筑職業技術學院，四川 德陽618000）

目前，在中國的電力行業組成中，火電占比約為73%，風力發電約占6%，但火力發電帶來的環境污染問題不容小覷，因此，2020-09，習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上提出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”，也稱之為“30·60目標”。“30·60”目標的提出，必將加快風電產業的大發展；同時，隨著技術的不斷進步，風力發電機單機規模也越來越大，單機容量由常規的1.5MW、2MW等級已迅速發展至12MW、14 MW的級別，裝機地點也由陸上走向沿海和深海。

隨著單機裝機容量的增加，風力發電機的相應保護并沒有得到足夠的重視，傳統保護設置上普遍以溫度傳感器或電流檢測為主要手段，在風力發電機運行過程中，由于故障原因會造成電路出現拉弧打火現象，嚴重的話會引起機組燒毀事故；同時，隨著海上風機裝機容量的增加，海上空氣較為潮濕，發生短路概率增加，為解決風力發電機現有保護缺陷問題，本文提出增加一種弧光保護措施，利用線路短路時產生的弧光信號快速切斷風機供電回路，從而達到保護風力發電機的目的，對于電弧光在電站上應用，相關文獻已開展相關研究[1-4]。

1 風力發電

風力發電機主要由葉輪、齒輪傳動機構、發電機、變流器、配電裝置、變壓器、主控系統、塔筒等組成。風力推動葉輪經齒輪傳動機構驅動發電機產生交流電，根據風力發電機的機構不同，通常將風力發電機分為永磁同步風力發電機和雙饋異步風力發電機，永磁同步發電機是經變流器整流逆變得到與電網同壓同頻同相交流電，雙饋異步發電機則是根據轉速靠變流器調節勵磁及反饋發出工頻正弦交流電，再由配電裝置和變壓器升壓上網。主控系統監測控制調節及保護整個發電并網過程。

風力發電機并網系統應用變流設備將風電交流系統與電網交流系統連接、由母線匯流分配電能，電力系統結構逐漸龐大復雜、對保護要求更高。設備一旦發生短路故障將產生電弧，具有很高的光能及高溫輻射，容易引發惡性事故。

2 海上風力發電機電氣回路

受風電競價上網政策的影響，海上風電更需要優化風電場開發成本，尤其是進一步降低度電成本。數據和經驗表明，風電場在同樣的裝機規模下，采用大功率、大兆瓦級機型能夠減少風電機組的臺數，能夠帶來總體建設成本（設備購置成本、建設安裝成本等）的有效降低；同時，風電機組功率提升后，年發電量的增加和總運維成本的降低也會降低整個風電場的度電成本。因此海上風電將更青睞單機容量更大的風電機組，尤其是對8MW及以上大功率風電機組。風機單機容量的增加，必然帶來電氣系統設計的復雜化，海上風力發電機的電氣回路從機艙頂部至塔基底部一般包括發電機、變頻器、中壓開關柜（環網柜）、箱式變壓器等設備，其單線圖如圖1所示。

圖1 風機發電機供電單線圖

目前的海上風力發電機大多采用35kV配電方案，在電壓等級不變的情況下，海上風機單機容量的增加，將帶來電路電流的增加，這也會對風機的繼保帶來很大困難，當中壓開關柜（35kV）或變頻器柜等柜體內發生弧光短路時，由于電弧電阻的原因，短路電流往往達不到中壓開關柜內智能操控裝置設定的保護閾值而不能快速動作，進而燒毀柜體，造成風力發電機燒機、倒機的嚴重事故。

3 弧光保護原理

3.1 電弧光的產生

電弧光是氣體放電的最終形式。當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。

根據相關文獻[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。

3.2 弧光傳感器

弧光傳感器是一種光感應元件。當發生短路產生弧光時，光的強度將突然增加，弧光傳感器內電子元件就會將光信號轉換為電信號，通過專用光纖將光信號傳送給弧光采集單元或弧光保護單元，光電轉換在弧光采集單元或弧光保護單元完成，從而對后續的動作作出判據支撐。弧光傳感器應具有抗干擾能力強、光學計量精度準確、可靠性高等特點。

3.3 快速性保護

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間長短[5-6]，電弧光產生的能量I2t與切除時間T成指數規律快速上升，如圖2所示。從圖2可以看出，電弧燃燒持續時間超過100ms，所釋放的能量開始急劇增加，接著各種故障效應會對開關設備的電纜、銅排等造成嚴重損壞，超過200ms，其能量已達到柜體燃燒級別，所以保護動作時間越快越好。要保證設備不受結構性損傷，必須盡量縮短切除時間，根據相關標準，純弧光跳閘時間小于10ms，帶電流雙重判據的動作時間小于20ms。

圖2 電弧光的危害示意圖

4 弧光保護在風電中的應用

風力發電用電弧光保護裝置安裝在塔基控制柜內，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系統，通過檢測弧光和電流增量信號，并對收到的單個信號或2種信號進行處理、判斷，弧光傳感器安裝在中壓開關柜及塔基變頻器內部。在滿足跳閘條件時，發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。

4.1 總體結構設計

在風力發電機箱變高壓側、低壓側、變頻器內部分別單一布置弧光傳感器，稱之為單判據；若在布置弧光傳感器的同時，一并在變頻器內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進行判斷，任意一相電流的增量以及弧光傳感器信號被觸發，則弧光主控單元向中壓開關柜發送切除指令，使風力發電機快速切除電網，這種方式稱之為雙判據。

4.2 弧光單判據方式功能設計

弧光整定值范圍：5～20klx或1～10mW/cm2。

弧光整定誤差：不超過10%。

動作時間：≤10ms。

其測點分布如圖3所示（弧光傳感器檢測點分別為主變壓器高壓側、主變壓器低壓側、變頻器1、變頻器2共4個測點）。

圖3 單判據測點分布圖

4.3 電流、弧光雙判據方式功能設計

弧光動作門檻值范圍：5～20klx或1～10mW/cm2。

弧光整定誤差：不超過10%。

電流整定值范圍：0.5～10A（In）。

電流整定誤差：不超過5%。

動作時間（2倍電流整定值以上）：≤20ms。

其測點分布如圖4所示（弧光傳感器檢測點分別為主變壓器低壓側、變頻器1兩個弧光傳感器測點及變頻器1內的電流互感器信號）。

圖4 雙判據測點分布圖

4.4 電流監測

采用電流互感器實現對變頻器內進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換為一定比例的小電流（中國的國家標準為5A），以供測量和繼電保護之用；同時使測量、保護和控制裝置與高電壓隔離。在使用時，它的原線圈應與待測電流的負載線路相串聯，副邊線圈則與電阻接成閉合回路，工作原理同變壓器類似，但具體選型需要區分是為了用于測量還是為了用于保護。保護設備要根據被測線路特點選型，最后主要從電流比和容量考慮選擇合適的參數。風力發電機電流檢測裝置放置在中壓開關柜柜體進線電纜處，共安裝有3個電流互感器，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。

4.5 主控單元功能設計

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，當裝置檢測到本身故障時，發出告警信號，同時閉鎖整套保護；②具備運行、裝置異常等狀態指示；③具有時間、定值、配置、采集量、動作等信息顯示，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，滿足MODBUS規約或IEC60870-5-103、104通訊規約等。

5 結束語

隨著環境保護越來越受到重視，新能源發電體系中的風力發電將繼續保持較快發展速度，大規模并網在電力系統中的占比日漸增大，但風力發電發電具有間歇性、波動性等特點，繼電安全保護顯得更加復雜困難，通過研究弧光保護應用于新能源發電，讓電力系統的保護及性能更加完善，提高保護系統的速動、可靠、選擇及靈敏性。

電弧光產品在風力發電機上的應用才剛剛起步，能夠較好地對風力發電機中的電弧光及過流現象進行及時告警和切斷斷路器保護，有效地避免了風力發電機起火等嚴重事故，后續可以結合氣溶膠等相關的消防系統產品，進行更加完善的保護。