安科瑞电弧光保护装置在风力发电机中的应用

时间：2024/2/19阅读：57

摘要：随着全球变暖的加剧，经济发展所带来的环境保护问题越来越突出，中国也相应地制定了“碳达峰、碳中和"目标，发展清洁能源已是必要的途径。近几年，风力发电机单机容量不断增加，安装地点也从陆上发展到了海上，针对海上大容量风电机组提出了一种新的保护方案，该保护方案是将弧光传感器及电流测量综合应用于海上风力发电机的保护中去，提出了单判据和双判据方案，提高了海上风电机组运行的安全性。本文主要通过对风力发电技术的研究和分析，进而对电弧光保护在风力发电机中的应用进行几点建议提出。

1.弧光保护原理

1.1电弧光的产生

电弧光是气体放电的最终形式。当围绕气体原子的电子被电离为等离子体后，称为游离的自由电子，并在外界因素或较高电场作用下向外辐射电磁波，这种在放电通道周围向外辐射的电磁波就是电弧光。根据相关文献，电弧光的能量主要集中在300～400nm的紫外光波段和500～600nm的可见光波段，中心波长分别约为330nm和530nm，并且，电弧光具有在紫外光波段的能量大于其在可见光能量的趋势。

1.2弧光传感器

弧光传感器是一种光感应元件。当发生短路产生弧光时，光的强度将突然增加，弧光传感器内电子元件就会将光信号转换为电信号，通过专用光纤将光信号传送给弧光采集单元或弧光保护单元，光电转换在弧光采集单元或弧光保护单元完成，从而对后续的动作作出判据支撑。弧光传感器应具有抗干扰能力强、光学计量精度准确、可靠性高等特点。

1.3快速性保护

电弧光故障的危害程度取决于电弧光电流的大小及切除时间长短，电弧光产生的能量I2t与切除时间T成指数规律快速上升，如图1所示。从图1可以看出，电弧燃烧持续时间超过100ms，所释放的能量开始急剧增加，接着各种故障效应会对开关设备的电缆、铜排等造成严重损坏，超过200ms，其能量已达到柜体燃烧级别，所以保护动作时间越快越好。要保证设备不受结构性损伤，必须尽量缩短切除时间，根据相关标准，纯弧光跳闸时间小于10ms，带电流双重判据的动作时间小于20ms。

图1电弧光的危害示意图

2.弧光保护在风电中的应用

风力发电用电弧光保护装置安装在塔基控制柜内，主要由主控单元和弧光传感器等几部分组成，主控单元用于管理、控制整套电弧光保护系统，通过检测弧光和电流增量信号，并对收到的单个信号或2种信号进行处理、判断，弧光传感器安装在中压开关柜及塔基变频器内部。在满足跳闸条件时，发出跳闸指令以切除故障。弧光传感器先将检测到的弧光信号传输给弧光采集单元，弧光采集单元再通过光纤信号反馈给主控单元。

2.1总体结构设计

在风力发电机箱变高压侧、低压侧、变频器内部分别单一布置弧光传感器，称之为单判据；若在布置弧光传感器的同时，一并在变频器内部布置测量电流的互感器，弧光装置主控单元将接收到的弧光传感器信号及电流的增量信号同时进行判断，任意一相电流的增量以及弧光传感器信号被触发，则弧光主控单元向中压开关柜发送切除指令，使风力发电机快速切除电网，这种方式称之为双判据。

2.2电流监测

采用电流互感器实现对变频器内进线或出线电流的测量，电流互感器主要是用来将交流电路中的大电流转换为一定比例的小电流（中国的国家标准为5A），以供测量和继电保护之用；同时使测量、保护和控制装置与高电压隔离。在使用时，它的原线圈应与待测电流的负载线路相串联，副边线圈则与电阻接成闭合回路，工作原理同变压器类似，但具体选型需要区分是为了用于测量还是为了用于保护。保护设备要根据被测线路特点选型，最后主要从电流比和容量考虑选择合适的参数。风力发电机电流检测装置放置在中压开关柜柜体进线电缆处，共安装有3个电流互感器，分别测量A相、B相、C相电流，电流互感器将测量到的电流值传送给弧光主控单元。

2.3主控单元功能设计

弧光装置的主控单元除了完成弧光传感器和电流互感器的信号逻辑处理之外，还应满足以下功能：①具有自检功能，包括装置硬件故障、软件故障、弧光传感器异常等自检，当装置检测到本身故障时，发出告警信号，同时闭锁整套保护；②具备运行、装置异常等状态指示；③具有时间、定值、配置、采集量、动作等信息显示，并有事件记录、操作记录查询功能；④通讯功能，支持RS485、以太网，满足MODBUS规约或IEC60870-5-103、104通讯规约等。

3.安科瑞 ARB5系列弧光保护的原理及系统组成

弧光保护装置通过弧光+电流突变量双重判据或弧光单判据启动保护，其动作时间为

弧光单判据动作时间≤7ms；弧光+电流双判据时间≤20ms。