風電機組非接觸式火花探測器設計與應用

內蒙古華電蒙東能源有限公司 李強強 霍春元 財吉拉胡 華電吉林能源有限公司 王德海

隨著新能源產業的繁榮興盛，風電裝機規模逐年增加，但隨著風電行業的快速發展，風電火災事故常見于報端。2011年4月13日，甘肅某風電場風電機組機艙著火，事故原因是變槳故障引起風電機組加速，在緊急剎車時產生火花引起火災；2017年9月19日，河北一家風電場的風電機組發生了火災，造成了嚴重的損失，事故原因是高速剎車系統剎車片不能正常歸位導致剎車片摩擦剎車盤產生高溫，致使風電機組起火；2018年2月1日，吉林某風電場風電機組機艙著火，事故原因是槳葉故障不能及時順槳，高轉速持續剎車劇烈摩擦導致高溫，最終致使機艙著火。火災事故對風電機組的影響是極其惡劣的，不僅會導致人員傷亡，還會嚴重損害企業的聲譽。

1 背景介紹

由于剎車片與剎車盤之間的持續摩擦，產生的火花、熔融物等成為風電機組火災事故的誘發因素，嚴重的情況下，可能會造成人員的傷亡或者整個機艙的損壞。因為機組的控制策略存在問題，再加上制動器的故障，所以一旦火災發生，很難立即采取有效的應對措施。此外，如果沒有采取必要的預防措施，比如保持系統的穩定性，就可能導致系統的故障，甚至發生事故。

風電機組火災主要呈現以下幾個方面的特征：蔓延速度快、自救能力依賴性強、火災危險性高、撲救難度大、火災類型復雜等。鑒于此，為了避免大規模的火災，需要首先確保風電機組的安全，有效及時發現火花、火星，及時撲滅[1]消除潛在隱患，控制風電機組火災的關鍵在于消除潛在危險源。因此，在風電機組聯軸器防護罩內設計并安裝火花探測器，實時檢測和預警制動引燃源，及時觸發風電機組安全鏈、應急側風偏航系統，以有效消除起火源，最終消滅火災隱患，從而達到安全運行的目的。當火勢剛剛開始蔓延時，應及時啟動風電機組的自動消防設備，以便有效地撲救火勢，以免風電機組受到慘重損失。

2 工作原理

風電機組非接觸式火花探測器對風電機組剎車盤摩擦火花進行在線實時探測，紅外線測溫儀可以實現對風力發電機組剎車盤溫度的遠程實時監測，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信息，以便更好地分析結果，當最高溫度超過設定的臨界值，火花探測器就會被激活，接口模塊輔助觸點會被閉合，這樣就會使風電機組的安全鏈、應急側風偏航系統和自動消防設備運作，從而有效地抑制火焰的蔓延，并能夠在火災剛剛開始的時候就及時撲滅。

3 組成結構

風電機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，火花探測器在線實時檢測風電機組剎車盤及其周邊紅外能量，探測火花或余火的存在[2]；紅外線測溫儀對風電機組剎車盤溫度進行在線實時監測；處理器同步采集火花探測器和紅外線測溫儀數據，處理信號并自動給出應對措施；接口模塊用于連接外部安全設備，實現對應對措施的執行。

圖1 風電機組非接觸式火花探測器拓撲圖

火花探測器是一種先進的工業級光學輻射能傳感器，具有高靈敏度、穩定性和低功耗，并且能夠長壽命使用。火花探測器能夠實時檢測微小火花、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到毫秒級，探測紅外光變特征，再經過信號處理、信號修復和信號過濾得出檢測結果。采用低溫型火花探測器，其關鍵技術特性包括：輸入電壓DC24V，功率損耗小于3W，探測范圍100°，工作環境范圍-40℃～+85℃，安全防爆性能達到ExtdA21等級，以及最高可達IP67的防護要求。

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

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據，從而實現對監測環境的監控與控制，以信號為判據判定故障并立即激活安全接口，自動觸發警報并可以使風電機組停機[3]。通過實時同步采集火花探測器和紅外線測溫儀的數據，可以獲取有關火花、火星的精確信息，并將這些信息傳輸給處理器，以便進行分析處理。

紅外線測溫儀可以檢測到剎車盤溫度的變化，一旦溫度超過了預先設定的閾值，處理器就會發出警報，并將這些信息與火花、火星等相關的數據聯系在一起，一旦判定火情成立將立即激活火花探測器，可實現對火星的精準探測。當安全接口被激活，與外部安全系統連接的繼電器觸點閉合，風力發電機組將立即執行應急程序，安全鏈將動作，如失效及時啟動應急側風偏航系統，若系統檢測到火災出現，則將自動啟動消防系統，以確保風力發電機組的絕對安全。

4 優勢特點

本文所述風電機組非接觸式火花探測器在于克服現有技術的不足，通過無線技術實時監測火花和剎車盤溫度，可以實時了解風電機組的運行狀況，從而提高效率，實現工業級不間斷工作，通過準確的信號傳輸，可以及時、可靠、有效地檢測和識別火災的萌芽，從而確保風電機組安全，防范火災事故的發生，提高風電機組火災防范能力，確保了機組安全、穩定、可靠運行。其有益效果如下。

由于采用了無接觸的檢測技術，傳感器與風電機組之間沒有任何干擾，而且具有極高的靈敏度、良好的穩定性、低功耗和較長的使用壽命，因此特別適用于連續運行設備工業現場。通過安裝在風電機組聯軸器罩內的先進傳感器，能夠實時檢測到火花、剎車盤的溫度變化，這樣就能夠更快地發現火災的苗頭，并采取有效的預防措施，避免不必要的損失。

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

當火花探測器激活外部安全接口時，風力發電機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，最大限度地防止火花的發生，并將危險情況盡早遏制。當火花探測器被激活，恰遇風電機組安全鏈出現故障，經設定延時后啟動風電機組應急側風偏航系統，使風電機組偏離主風向90°，以此來降低機組的轉速，從而盡量減少火花的產生，從而避免事態的惡化。

如果火花探測器已啟動外部安全接口并且超過預先設定的延時仍是激活狀態，則被認為風電機組發生初起火災，這時啟動風電機組自動消防系統，進行緊急滅火，盡可能地避免風電機組的損失。

5 安裝應用

風電機組非接觸式火花探測器，如圖2所示，該系統由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風電機組安全鏈、應急側風偏航系統和自動消防裝置，為安全執行機構，以確保風電機組安全運行。

圖2 風電機組非接觸式火花探測器電氣原理圖

為了有效監控風電機組聯軸器罩內的火花，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，應確保聯軸器罩內是一個相對封閉的環境，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。

為了確保系統運行的可靠性和穩定性，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力發電機組的控制柜內，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，以確保數據傳輸的可靠性和穩定性。

6 效果效益

風電機組非接觸式火花探測器是一種針對導致火災早期誘因的預防性措施，具有良好的效果、效益，可投入實際生產應用[4]。

經效果評測，風電機組非接觸式火花探測器可在0.15s 內準確有效地偵測到火花、火星，判定為故障后0.1s 內觸發安全鏈可使風電機組響應緊急停機程序，可在12.86s 內使風電機組轉速降至0rpm，能夠有效控制和消除點火源；如安全鏈觸發失效，經延時1（時間可自定義）激活風電機組應急側風偏航系統，可使風電機組在150s 內偏航測風90°，達到降低風電機組轉速的目的，亦能消除火災源；經延時2（時間可自定義）火花探測器仍是啟動狀態則判斷為風電機組發生初起火災，立即激活風電機組自動消防裝置動作滅火。

如果1臺風電機組發生火災事故，一般燒損機艙及葉輪需要整體更換，其直接損失約1150萬元；此外風電機組停運及恢復期按2個月核算，發電量的間接損失約35.26萬元。總之，預估可挽回1185.26萬元的經濟損失。綜上，風電機組非接觸式火花探測器是一種預防火災的技術，采用先進的技術手段，加強對風電機組火災事故的預防，不僅能夠降低火災事故的發生率，還能夠極大地提升風電機組的安全性、可靠性和穩定性。

7 結論

本文從風電行業突出的火災事故出發，針對風電機組剎車時摩擦火花易發生火災事故的現狀，分析事故原因，突破當前風力發電機組火災預防的技術瓶頸，開發出一種新型的火花探測器，不僅可以實時監測，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、應急側風偏航系統，還可以快速阻止起火源的擴散，有效地降低火災的危險程度。如發生初起火災將及時投入風電機組自動消防裝置有效滅火，確保風電機組的安全運行，在風電行業安全生產工作中具有一定的指導、借鑒和推廣意義。