电弧光保护在风力发电机中的应用

摘要：全球变暖加剧，环保问题凸显，中国提出“碳达峰、碳中和”目标，发展清洁能源成关键。风力发电技术显著进步，单机容量提升，安装地点拓展至海上。针对海上大容量风电机组，我们创新提出保护方案，融合弧光传感器与电流测量技术，设计单判据和双判据实施方案，提升运行安全性。本文深入研究和全面分析风力发电技术，提出电弧光保护在风力发电机中的建设性意见。

1风力发电系统类型

1.1 依据机组容量划分

风力发电系统按机组容量分四类，每类容量有差异。

1）机组容量为0.1～1kW的小型机组

2）机组容量为1～1000kW的中型机组

3）机组容量为1～10MW的大型机组

4）机组容量为10MW以上的巨型机组。

1.2 依据发电机运行特征及控制方式划分

根据发电机的运行特征或控制方式，一般可分为两种系统：变速恒频风力发电系统和恒速恒频风力发电系统。前者风力机转速可调，能合理利用风能提升发电率；后者使用较少，虽便捷但风能利用率低，发电率不高。

1.3 运行方式分类

根据风力发电的运行机制，通常可以将其划分为两大类别。首要提及的是并网型风力发电系统，该系统与常规的发电模式相类似，普遍依赖于大型电网以增强风能的利用效率。其显著优势在于成本相对较低，因此在当前阶段颇为常见。紧接着是离网型风力发电系统，该系统通常独立运行，且其容量相对较小。这类系统在城乡公路等场景中较为普遍，展现出其独特的应用价值。

2弧光保护原理

2.1电弧光的产生

电弧光是气体放电的终极表现形式。在气体原子周围的电子被电离成等离子体后，这些自由电子便游离而出，并在外部因素或强大电场的影响下，向外辐射电磁波。这种在放电通道周围释放出的电磁波，正是我们所称的电弧光。

据相关文献记载，电弧光的能量主要集中在两个特定的光谱区域：一是300至400纳米的紫外光波段，其中心波长约为330纳米；二是500至600纳米的可见光波段，其中心波长约为530纳米。值得注意的是，电弧光在紫外光波段的能量往往高于其在可见光波段的能量。

2.2弧光传感器

弧光传感器为光感应元件，短路时弧光增强，其内电子元件将光信号转电信号，通过光纤将光信号传至采集或保护单元完成光电转换，支撑后续动作。弧光传感器应具抗干扰、精度高、可靠性强的特点。

2.3快速性保护

电弧光故障危害由电流大小和切除时间决定，电弧光产生的能量I2t随切除时间T指数增长。图1显示，电弧燃烧超100ms能量激增，损坏电缆、铜排等，超过200ms，其能量达柜体燃烧级别，保护动作时间应越快越好。为防设备受损，需缩短切除时间，标准规定纯弧光跳闸时间<10ms，带电流双重判据动作时间<20ms。

图1电弧光的危害示意图

3.弧光保护在风电中的应用

风力发电用电弧光保护装置装于塔基控制柜内，由主控单元、弧光传感器等组成。主控单元管理、控制系统，通过检测弧光和电流增量信号，同时，对接收到的单一信号或两种信号进行细致的处理与判断。弧光传感器被精准地安装在中压开关柜及塔基变频器内部。一旦满足跳闸条件，系统将立即发出跳闸指令，以迅速切除故障。弧光传感器安装在中压开关柜及塔基变频器内，检测到弧光信号后传输给弧光采集单元，后者再反馈信号给主控单元。

3.1总体结构设计

在风力发电机箱的高压、低压侧及变频器内布置弧光传感器，称单判据。若同时布置电流互感器，弧光装置主控单元将接收弧光传感器信号及电流增量信号，任一触发则发送切除指令，使风力发电机快速脱离电网，称双判据。

3.2电流监测

采用电流互感器测量变频器内电流，将其大电流转换为小电流（国标5A），供测量和继电保护，并与高电压隔离。使用时，原线圈串联负载线路，副边线圈与电阻闭合回路。选型需区分测量或保护用途，考虑电流比和容量。风力发电机电流检测装置安装在中压开关柜进线电缆处，共3个电流互感器分别测量A、B、C相电流，并传送给弧光主控单元。

3.3主控单元功能设计

弧光装置的主控单元在执行弧光传感器与电流互感器的信号逻辑处理之余，还需涵盖以下核心功能：首先，需具备全面的自检机制，涵盖装置硬件、软件及弧光传感器异常等多方面的自检，一旦检测到任何故障，将立即触发告警信号，并自动封锁整套保护系统，确保设备安全；其次，应提供清晰的状态指示，如运行状态、装置异常等，便于用户及时掌握设备状况；再者，需展示详尽的信息界面，涵盖时间、定值、配置、采集量、动作记录等，并支持事件记录与操作记录的便捷查询；最后，在通讯方面，主控单元应支持RS485、以太网等多种通讯方式，并符合MODBUS规约或IEC60870-5-103、104等国际通讯标准，确保设备间的顺畅通讯与数据交互。

4风力发电机组的控制

4.1定桨距控制技术

定桨距控制技术固定叶片于轮毂，叶片失速时控制功率达到顶峰，实现风力发电质量控制。该技术源自丹麦，运用桨叶翼型失速理论，使气流攻角在额定风速下促使设备达特定值，涡流在桨叶表面出现降低效率，限制功率。该技术已被全球先进制造商广泛使用，生产大型风电设备，行业使用率达70%。

4.2变桨距控制技术

变桨距控制技术调节风电机组，通过纵向轴心叶片变化实现[6-8]。Vestas风力机可作为研究案例。调节分三阶段：（1）开机运行，调整节距角至合适位置，控制转速，实现并网发电。（2）风速低于额定风速时，调整发电机转差率，优化功率输出。（3）功率稳定后，调节输出功率，超额定功率时调整桨叶节距角。大于750kW机组常用变桨距调节，不足则可用定桨距失速调节。

5安科瑞弧光保护装置的功能和选型

5.1功能

弧光保护装置采用高度模块化的硬件设计，涵盖电源模块、CPU模块、弧光采集模块、模拟量采集模块、开入开出模块、通讯模块及人机接口模块等，全面集成了保护、测量、监视、控制、通讯、故障录波及事件记录等多重功能。该装置能够实时监测弧光信号、保护电流或电压信号，专为0.4kV至35kV的中低压配电系统提供高效的电弧光保护。其配套的软件搭载了专业的保护算法，不仅抗干扰能力强，且具备高可靠性，保护实现方式灵活多变。此外，该装置还能与Acrel-2000电力监控系统无缝对接，共同为电力系统的安全稳定运行提供坚实保障。

5.2 选型

6、结语

电弧光产品在风力发电机领域的应用尚处于初步阶段，其卓越性能能够迅速对风力发电机内产生的电弧光及过流现象进行实时告警，并立即切断断路器以实施保护，此举显著降低了风力发电机发生火灾等严重事故的风险。未来，随着技术的不断进步，我们期待能将电弧光产品与气溶胶等先进的消防系统产品相结合，以构建更为全面和高效的保护体系。

参考文献：

[1]王海，电弧光保护在风力发电机中的应用研究

[2]刘立忠，柴卫军，郑小翠.基于电子传感技术的低压开关柜弧光保护方法［J］.自动化与仪表，2020，35（12）：98-102.

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册2020.06版．

[4]安科瑞用户变电站变配电监控解决方案2021.10