安科瑞電弧光保護在風力發電機中的應用方案

簡婷

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風力發電係統分類

1）按照機組容量：

一般可以分為(wei) 四種類型，這四種類型的容量也存在一定的差異性。

小型機組。這種類型的機組容量一般在0.1～1kW。

中型機組。這種類型的機組容量一般在1～1000kW。

大型機組。這種類型的機組容量一般在1～10MW。

巨型機組。這種類型的機組容量一般在10MW以上。

2）運行方式分類

一般可以分為(wei) 兩(liang) 種類型。

並網型風力發電係統。這種係統和一般的發電模式相同，一般需要利用大電網來提升對風能的利用率。其優(you) 勢是費用較低，在當前這一時期中是比較常見的。

離網型風力發電係統。這種發電係統一般是獨立運行的，並且這一係統的容量比較小。在一般的城鄉(xiang) 公路中會(hui) 比較常見此種係統。

按照發電機運行特征及控製方式

3）一般能夠分為(wei) 兩(liang) 種。

變速恒頻風力發電係統。這種係統的風力機，其轉速一般是能夠進行調節的，並且能夠從(cong) 一定程度上合理利用風能來提升係統的發電率。

恒速恒頻風力發電係統。這種係統在當今時期使用的比較少，這一類型的係統雖然使用起來比較便捷，但是，對於(yu) 風能的利用率一般比較低，且發電率往往也不高，存在一定的不足。

弧光保護原理

1 電弧光的產(chan) 生原理

電弧光是氣體(ti) 放電的終形式。當圍繞氣體(ti) 原子的電子被電離為(wei) 等離子體(ti) 後，稱為(wei) 遊離的自由電子，並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(guan) 文獻，電弧光的能*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(wei) 330nm和530nm，並且，電弧光具有在紫外光波段的能*大於(yu) 其在可見光能*的趨勢。

2 弧光傳(chuan) 感器

弧光傳(chuan) 感器是一種光感應元件。當發生短路產(chan) 生弧光時，光的強度將突然增加，弧光傳(chuan) 感器內(nei) 電子元件就會(hui) 將光信號轉換為(wei) 電信號，通過專(zhuan) 用光纖將光信號傳(chuan) 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(cong) 而對後續的動作作出判據支撐。弧光傳(chuan) 感器應具有抗幹擾能力強、光學計量精度準確、可靠性高等特點。

3 快速性保護

電弧光故障的危害程度取決(jue) 於(yu) 電弧光電流的大小及切除時間長短，電弧光產(chan) 生的能*I2t與(yu) 切除時間T成指數規律快速上升，如圖1所示。從(cong) 圖1可以看出，電弧燃燒持續時間超過100ms，所釋放的能*開始急劇增加，接著各種故障效應會(hui) 對開關(guan) 設備的電纜、銅排等造成嚴(yan) 重損壞，超過200ms，其能*已達到櫃體(ti) 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(shang) ，盡量縮短切除時間，根據相關(guan) 標準，純弧光跳閘時間小於(yu) 10ms，帶電流雙重判據的動作時間小於(yu) 20ms。

圖1電弧光的危害示意圖

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製櫃內(nei) ，主要由主控單元和弧光傳(chuan) 感器等幾部分組成，主控單元用於(yu) 管理、控製整套電弧光保護係統，通過檢測弧光和電流增量信號，並對收到的單個(ge) 信號或2種信號進行處理、判斷，弧光傳(chuan) 感器安裝在中壓開關(guan) 櫃及塔基變頻器內(nei) 部。在滿足跳閘條件時，發出跳閘指令以切除故障。弧光傳(chuan) 感器先將檢測到的弧光信號傳(chuan) 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。

1總體(ti) 結構設計

在風力發電機箱變高壓側(ce) 、低壓側(ce) 、變頻器內(nei) 部分別單一布置弧光傳(chuan) 感器，稱之為(wei) 單判據；若在布置弧光傳(chuan) 感器的同時，一並在變頻器內(nei) 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(chuan) 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(chuan) 感器信號被觸發，則弧光主控單元向中壓開關(guan) 櫃發送切除指令，使風力發電機快速切除電網，這種方式稱之為(wei) 雙判據。

2電流監測

采用電流互感器實現對變頻器內(nei) 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(wei) 一定比例的小電流（中國的國家標準為(wei) 5A），以供測量和繼電保護之用；同時使測量、保護和控製裝置與(yu) 高電壓隔離。在使用時，它的原線圈應與(yu) 待測電流的負載線路相串聯，副邊線圈則與(yu) 電阻接成閉合回路，工作原理同變壓器類似，但具體(ti) 選型需要區分是為(wei) 了用於(yu) 測量還是為(wei) 了用於(yu) 保護。保護設備要根據被測線路特點選型，後主要從(cong) 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(guan) 櫃櫃體(ti) 進線電纜處，共安裝有3個(ge) 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(chuan) 送給弧光主控單元。

3主控單元功能設計

弧光裝置的主控單元除了完成弧光傳(chuan) 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(chuan) 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，並有事件記錄、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。

風力發電機組的控製

1定槳距控製技術

定槳距控製技術要求在風力發電設備的輪轂上固定好葉片，如果葉片出現失速，便可以對功率的大值進行控製，以實現風力發電質量控製的目的，而這便是定槳距風力發電機的工作原理。該項技術來自丹麥風力發電機組技術，運用的是槳葉翼型失速理論，能夠使氣流攻角在額定的風速上促使機械設備達到特定值，渦流便可以在槳葉表麵出現，而且可降低效率，以實現限製功率的目的。定槳距控製技術已經被世界上諸多先進的製造商所使用，生產(chan) 出很多大型的風電發電機組設備，在行業(ye) 內(nei) 的使用率高達0.7。

2變槳距控製技術

變槳距控製技術所具備的變槳距風電機組調節功能，實現途徑是縱向軸心葉片的變化結果[6-8]。關(guan) 於(yu) 這一領域，可以對Vestas公司的風力機進行研究。該技術調節階段分為(wei) 三個(ge) 階段：

（1）一個(ge) 階段是開機運行。

變槳距風電機組的風力機如果正處於(yu) 運行狀態，對於(yu) 定槳葉節距角計算將逐漸展開，此時需要將節距角進行調整，如果已經達到了0.5倍額定轉速，則需要調整節距角，使其處於(yu) 合適的角度位置，這樣才能夠使風力機處於(yu) 可控的轉速狀態，完成並網發電功能。

（2）進入到二階段。

此時風速低於(yu) 額定風速，其功率輸出取決(jue) 於(yu) 槳葉的氣動性能。根據風速的大小，調整發電機轉差率，使其盡量運行在佳葉尖速比，以優(you) 化功率輸出。

（3）進入到三階段。

功率如果能夠與(yu) 額定功率保持一致，係統將逐漸開始穩定的運行，這個(ge) 時候要對輸出功率進行調節，如果輸出功率大於(yu) 額定功率，則需要對槳葉節距角進行調整。一般而言，如果風力發電機組容量超過了750kW則可以使用變槳距調節技術，如果不足750kW，則可以使用定槳距失速調節技術。

安科瑞ARB5係列弧光保護的原理及係統組成

1 原理

弧光保護裝置通過弧光+電流突變量雙重判據或弧光單判據啟動保護，其動作時間為(wei)

弧光單判據動作時間≤7ms；弧光+電流雙判據時間≤20ms。

2 組成

ARB5係列弧光保護裝置由ARB5-M主控單元、ARB5-E擴展單元、ARB5-S弧光探頭、弧光光纖以及尾纖等配件構成。

結語

電弧光產(chan) 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，效地避免了風力發電機起火等嚴(yan) 重事故，後續可以結合氣溶膠等相關(guan) 的消防係統產(chan) 品，進行更加完善的保護。

作者簡介：簡婷，开云体育手机下载教程