电弧光保护在风力发电机中的应用研究

王剑利

（四川建筑职业技术学院，四川 德阳618000）

目前，在中国的电力行业组成中，火电占比约为73%，风力发电约占6%，但火力发电带来的环境污染问题不容小觑，因此，2020-09，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，也称之为“30·60目标”。“30·60”目标的提出，必将加快风电产业的大发展；同时，随着技术的不断进步，风力发电机单机规模也越来越大，单机容量由常规的1.5MW、2MW等级已迅速发展至12MW、14 MW的级别，装机地点也由陆上走向沿海和深海。

随着单机装机容量的增加，风力发电机的相应保护并没有得到足够的重视，传统保护设置上普遍以温度传感器或电流检测为主要手段，在风力发电机运行过程中，由于故障原因会造成电路出现拉弧打火现象，严重的话会引起机组烧毁事故；同时，随着海上风机装机容量的增加，海上空气较为潮湿，发生短路概率增加，为解决风力发电机现有保护缺陷问题，本文提出增加一种弧光保护措施，利用线路短路时产生的弧光信号快速切断风机供电回路，从而达到保护风力发电机的目的，对于电弧光在电站上应用，相关文献已开展相关研究[1-4]。

1 风力发电

风力发电机主要由叶轮、齿轮传动机构、发电机、变流器、配电装置、变压器、主控系统、塔筒等组成。风力推动叶轮经齿轮传动机构驱动发电机产生交流电，根据风力发电机的机构不同，通常将风力发电机分为永磁同步风力发电机和双馈异步风力发电机，永磁同步发电机是经变流器整流逆变得到与电网同压同频同相交流电，双馈异步发电机则是根据转速靠变流器调节励磁及反馈发出工频正弦交流电，再由配电装置和变压器升压上网。主控系统监测控制调节及保护整个发电并网过程。

风力发电机并网系统应用变流设备将风电交流系统与电网交流系统连接、由母线汇流分配电能，电力系统结构逐渐庞大复杂、对保护要求更高。设备一旦发生短路故障将产生电弧，具有很高的光能及高温辐射，容易引发恶性事故。

2 海上风力发电机电气回路

受风电竞价上网政策的影响，海上风电更需要优化风电场开发成本，尤其是进一步降低度电成本。数据和经验表明，风电场在同样的装机规模下，采用大功率、大兆瓦级机型能够减少风电机组的台数，能够带来总体建设成本（设备购置成本、建设安装成本等）的有效降低；同时，风电机组功率提升后，年发电量的增加和总运维成本的降低也会降低整个风电场的度电成本。因此海上风电将更青睐单机容量更大的风电机组，尤其是对8MW及以上大功率风电机组。风机单机容量的增加，必然带来电气系统设计的复杂化，海上风力发电机的电气回路从机舱顶部至塔基底部一般包括发电机、变频器、中压开关柜（环网柜）、箱式变压器等设备，其单线图如图1所示。

图1 风机发电机供电单线图

目前的海上风力发电机大多采用35kV配电方案，在电压等级不变的情况下，海上风机单机容量的增加，将带来电路电流的增加，这也会对风机的继保带来很大困难，当中压开关柜（35kV）或变频器柜等柜体内发生弧光短路时，由于电弧电阻的原因，短路电流往往达不到中压开关柜内智能操控装置设定的保护阈值而不能快速动作，进而烧毁柜体，造成风力发电机烧机、倒机的严重事故。

3 弧光保护原理

3.1 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[5]，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。

3.2 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。

3.3 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[5-6]，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2所示。从图2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2 电弧光的危害示意图

4 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。

4.1 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。

4.2 弧光单判据方式功能设计

弧光整定值范围：5～20klx或1～10mW/cm2。

弧光整定误差：不超过10%。

动作时间：≤10ms。

其测点分布如图3所示（弧光传感器检测点分别为主变压器高压侧、主变压器低压侧、变频器1、变频器2共4个测点）。

图3 单判据测点分布图

4.3 电流、弧光双判据方式功能设计

弧光动作门槛值范围：5～20klx或1～10mW/cm2。

弧光整定误差：不超过10%。

电流整定值范围：0.5～10A（In）。

电流整定误差：不超过5%。

动作时间（2倍电流整定值以上）：≤20ms。

其测点分布如图4所示（弧光传感器检测点分别为主变压器低压侧、变频器1两个弧光传感器测点及变频器1内的电流互感器信号）。

图4 双判据测点分布图

4.4 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。

4.5 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。

5 结束语

随着环境保护越来越受到重视，新能源发电体系中的风力发电将继续保持较快发展速度，大规模并网在电力系统中的占比日渐增大，但风力发电发电具有间歇性、波动性等特点，继电安全保护显得更加复杂困难，通过研究弧光保护应用于新能源发电，让电力系统的保护及性能更加完善，提高保护系统的速动、可靠、选择及灵敏性。

电弧光产品在风力发电机上的应用才刚刚起步，能够较好地对风力发电机中的电弧光及过流现象进行及时告警和切断断路器保护，有效地避免了风力发电机起火等严重事故，后续可以结合气溶胶等相关的消防系统产品，进行更加完善的保护。