摘要：隨著全球變暖的加劇，經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來的環(huán)境保護(hù)問題越來越突出，中國也相應(yīng)地制定了“碳達(dá)峰、碳中和"目標(biāo)，發(fā)展清潔能源已是必要的途徑。近幾年，風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)容量不斷增加，安裝地點(diǎn)也從陸上發(fā)展到了海上，針對海上大容量風(fēng)電機(jī)組提出了一種新的保護(hù)方案，該保護(hù)方案是將弧光傳感器及電流測量綜合應(yīng)用于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的保護(hù)中去，提出了單判據(jù)和雙判據(jù)方案，提高了海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性。本文主要通過對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和分析，進(jìn)而對電弧光保護(hù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行幾點(diǎn)建議提出。

1.弧光保護(hù)原理

1.1電弧光的產(chǎn)生

電弧光是氣體放電的最終形式。當(dāng)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(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，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。

1.2弧光傳感器

弧光傳感器是一種光感應(yīng)元件。當(dāng)發(fā)生短路產(chǎn)生弧光時(shí)，光的強(qiáng)度將突然增加，弧光傳感器內(nèi)電子元件就會(huì)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過專用光纖將光信號(hào)傳送給弧光采集單元或弧光保護(hù)單元，光電轉(zhuǎn)換在弧光采集單元或弧光保護(hù)單元完成，從而對后續(xù)的動(dòng)作作出判據(jù)支撐?；」鈧鞲衅鲬?yīng)具有抗干擾能力強(qiáng)、光學(xué)計(jì)量精度準(zhǔn)確、可靠性高等特點(diǎn)。

1.3快速性保護(hù)

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(shí)間長短，電弧光產(chǎn)生的能量I2t與切除時(shí)間T成指數(shù)規(guī)律快速上升，如圖1所示。從圖1可以看出，電弧燃燒持續(xù)時(shí)間超過100ms，所釋放的能量開始急劇增加，接著各種故障效應(yīng)會(huì)對開關(guān)設(shè)備的電纜、銅排等造成嚴(yán)重?fù)p壞，超過200ms，其能量已達(dá)到柜體燃燒級(jí)別，所以保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越快越好。要保證設(shè)備不受結(jié)構(gòu)性損傷，必須盡量縮短切除時(shí)間，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，純弧光跳閘時(shí)間小于10ms，帶電流雙重判據(jù)的動(dòng)作時(shí)間小于20ms。

圖1電弧光的危害示意圖

2.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)裝置安裝在塔基控制柜內(nèi)，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(hù)系統(tǒng)，通過檢測弧光和電流增量信號(hào)，并對收到的單個(gè)信號(hào)或2種信號(hào)進(jìn)行處理、判斷，弧光傳感器安裝在中壓開關(guān)柜及塔基變頻器內(nèi)部。在滿足跳閘條件時(shí)，發(fā)出跳閘指令以切除故障?；」鈧鞲衅飨葘z測到的弧光信號(hào)傳輸給弧光采集單元，弧光采集單元再通過光纖信號(hào)反饋給主控單元。

2.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)箱變高壓側(cè)、低壓側(cè)、變頻器內(nèi)部分別單一布置弧光傳感器，稱之為單判據(jù)；若在布置弧光傳感器的同時(shí)，一并在變頻器內(nèi)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(hào)及電流的增量信號(hào)同時(shí)進(jìn)行判斷，任意一相電流的增量以及弧光傳感器信號(hào)被觸發(fā)，則弧光主控單元向中壓開關(guān)柜發(fā)送切除指令，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速切除電網(wǎng)，這種方式稱之為雙判據(jù)。

2.2電流監(jiān)測

采用電流互感器實(shí)現(xiàn)對變頻器內(nèi)進(jìn)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(zhuǎn)換為一定比例的小電流（中國的國家標(biāo)準(zhǔn)為5A），以供測量和繼電保護(hù)之用；同時(shí)使測量、保護(hù)和控制裝置與高電壓隔離。在使用時(shí)，它的原線圈應(yīng)與待測電流的負(fù)載線路相串聯(lián)，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(qū)分是為了用于測量還是為了用于保護(hù)。保護(hù)設(shè)備要根據(jù)被測線路特點(diǎn)選型，最后主要從電流比和容量考慮選擇合適的參數(shù)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流檢測裝置放置在中壓開關(guān)柜柜體進(jìn)線電纜處，共安裝有3個(gè)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。

2.3主控單元功能設(shè)計(jì)

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(hào)邏輯處理之外，還應(yīng)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(dāng)裝置檢測到本身故障時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)，同時(shí)閉鎖整套保護(hù)；②具備運(yùn)行、裝置異常等狀態(tài)指示；③具有時(shí)間、定值、配置、采集量、動(dòng)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(wǎng)，滿足MODBUS規(guī)約或IEC60870-5-103、104通訊規(guī)約等。

3.安科瑞 ARB5系列弧光保護(hù)的原理及系統(tǒng)組成

弧光保護(hù)裝置通過弧光+電流突變量雙重判據(jù)或弧光單判據(jù)啟動(dòng)保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間為

弧光單判據(jù)動(dòng)作時(shí)間≤7ms；弧光+電流雙判據(jù)時(shí)間≤20ms。

ARB5系列弧光保護(hù)裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴(kuò)展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構(gòu)成。

4.現(xiàn)場安裝圖片

5、結(jié)語

電弧光產(chǎn)品在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用才剛剛起步，能夠較好地對風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的電弧光及過流現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)告警和切斷斷路器保護(hù)，有效地避免了風(fēng)力發(fā)電機(jī)起火等嚴(yán)重事故，后續(xù)可以結(jié)合氣溶膠等相關(guān)的消防系統(tǒng)產(chǎn)品，進(jìn)行更加完善的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)：

王海，電弧光保護(hù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用研究

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(dòng)化與儀表，2020，35（12）：98-102.

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