胡唐超，高仕紅，崔佳咪，湯洋

（湖北民族學院，湖北 恩施 445000）

新能源發(fā)電，尤其是風力發(fā)電近些年得到了大規(guī)模的應用。推廣初期，因為風力發(fā)電機容量一般都比較小，風力發(fā)電機都沒有配置專門的保護。隨著風力發(fā)電項目的增多，風力發(fā)電機的容量也不斷增大。目前應用比較成熟的永磁同步風力發(fā)電機單機容量2MW，最大的單機可以做到5MW甚至10MW。但是，風力發(fā)電機的保護卻沒有得到相應的重視。以目前應用最多的2MW機組為例，發(fā)電機在繞組內(nèi)部預埋了溫度傳感器，發(fā)電機的各種故障基本通過溫度繼電器來切除。

在風機運行過程中，發(fā)電機內(nèi)部故障率很高，可達到電機故障總數(shù)的65%～85%，因為氣隙磁場的諧波分量很強，相間短路電流數(shù)值很大，除了可能造成嚴重的機械損傷，繞組或鐵芯也會因局部過熱而燒毀，但溫度保護動作慢，即使切除故障，繞組仍可能因過流而損壞。

風力發(fā)電機一般裝設在高原或沿海地區(qū)較多，高原地區(qū)設備絕緣條件差，沿海地區(qū)潮濕，發(fā)生絕緣擊穿短路的概率大。發(fā)電機發(fā)生外部短路時，會引起發(fā)電機內(nèi)部繞組過流。如果定子繞組發(fā)生相間短路，會產(chǎn)生諧波電流，并且定子短路側(cè)產(chǎn)生環(huán)流。因為發(fā)電機是電源，外部電流測量無法正確反應內(nèi)部故障情況。多數(shù)產(chǎn)家在設計永磁風力發(fā)電機時，定子側(cè)中性點側(cè)繞組未考慮引出，無法測量中性點側(cè)的電流，因此，現(xiàn)有的永磁風力發(fā)電機無法配置差動保護。為了解決上述永磁風力發(fā)電機無法配置差動保護的問題，本文提出利用相線與相線之間短路和相線與地短接時產(chǎn)生的弧光信號，設計出永磁發(fā)電機內(nèi)部的弧光保護系統(tǒng)。

1 保護檢測原理

弧光保護檢測的原理關(guān)鍵在于采集發(fā)電機內(nèi)部短路時產(chǎn)生的弧光信號，弧光的產(chǎn)生強度與相線之間短路和相線與地短接的形式有關(guān)，但是由于短路的持續(xù)放電，弧光的強度以及能量將以指數(shù)形式遞增，詳見圖1。若是小電流的放電也將導體升溫，逐步引起導體絕緣損壞，最終將導致大電流放電，即使故障電流很小，如果不及時檢測切除，通過時間的累計也可能引起重大的事故。

圖1 電弧故障釋放能量大小與燃弧時間的關(guān)系

永磁同步風力發(fā)電機內(nèi)部定子側(cè)發(fā)生相線之間短路和相線與地短接時，會引起弧光放電，電弧會在1毫秒內(nèi)體現(xiàn)。滿足了燃弧條件將會導致空氣的進一步電離，從而加速促進弧光的強度增加，空氣電離擊穿后其阻值也會迅速降低，加速其對周圍環(huán)境的破壞。但永磁同步風力發(fā)電機內(nèi)部是個封閉的無光環(huán)境，此時若產(chǎn)生弧光，通過電弧光傳感器來采集短路引起的光信號則可以達到解決檢測故障信號的目的，內(nèi)部封閉的環(huán)境也避免了外部其他光信號的干擾。同時為了降低永磁同步風力發(fā)電機出線端外部短路引起的故障，可以在發(fā)電機定子側(cè)出線端裝設電流互感器檢測外部電流的改變情況，同時可以通過采集的信號傳于微機保護中配置電流速斷保護，限時電流速斷保護，定時限過電流保護等。最后，為了避免發(fā)電機整體的配套系統(tǒng)如接線端口、定子出線電力電纜接口、風機艙內(nèi)部控制柜等因絕緣破損、環(huán)境腐蝕導致絕緣破壞引起漏電起火等現(xiàn)象，考慮在永磁同步風力發(fā)電機艙觀察口安裝點型煙霧探測傳感器，微機保護裝置可以通過采集煙霧信號及時發(fā)現(xiàn)危險情況。

2 永磁同步風力發(fā)電機保護的系統(tǒng)構(gòu)成

風力發(fā)電機電弧光保護根據(jù)永磁風力發(fā)電機的特點設計而成，同時具備永磁風力發(fā)電機弧光保護和電流保護的功能。該系統(tǒng)采用弧光檢測和過流檢測原理，動作快、可靠性高，能有效保護發(fā)電機內(nèi)部弧光故障和外部短路的過流。

（1）保護裝置構(gòu)成。保護裝置系統(tǒng)通過傳感器采集發(fā)電機內(nèi)部的光信號、定子出線側(cè)電流信號以及機艙內(nèi)部的煙霧信號作為報警及跳閘動作的依據(jù)。當采集到發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生光信號和定子側(cè)出線的電流信號異常時，信號會通過傳感器的電纜傳輸?shù)街骺貑卧藭r主控單元可以根據(jù)設定發(fā)出跳閘指令或者告警信息，當檢測到煙霧信號時，僅發(fā)出告警信號，原理如圖2所示。

圖2 弧光和過流組合保護原理圖

主控單元能擁有持續(xù)的系統(tǒng)自檢，當弧光傳感器出現(xiàn)斷線等故障時，能發(fā)出弧光傳感器故障的告警信號。主控單元能夠顯示故障點定位，控制部分可顯示弧光、煙霧發(fā)生點的位置，方便快速處理故障、恢復供電。

（2）系統(tǒng)構(gòu)成。保護主機由兩大部分組成，分別為信號處理單元和界面顯示單元。兩部分分別由2塊CPU控制，之間的信號傳輸通過串口完成。信號處理單元主要通過傳感器完成對發(fā)電機內(nèi)部弧光信號的采集、發(fā)電機定子側(cè)出線端三相電流的采集、發(fā)電機機艙內(nèi)部煙霧信號的采集，將采集到的信號進行保護算法的處理后，傳輸給界面顯示單元進行顯示和觀察。保護主機具有實時檢測傳感器的狀態(tài)，同時對于故障信號可以定點定位顯示。信號處理單元可以通過通信管理機傳輸給遠程計算機，完成遠程監(jiān)控，實現(xiàn)現(xiàn)場無人值班。

3 具體應用和安裝

總體配置。風電項目中，每臺永磁同步風力發(fā)電機機艙內(nèi)部配置一臺保護主機，每一臺保護主機配置8個弧光檢測傳感器，一組電流互感器以及一個煙霧傳感器。8個弧光檢測傳感器分為2組，每組4個安裝于發(fā)電機前后端蓋，具體位置如圖3所示。煙霧傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場情況于機艙發(fā)電機中心吸頂安裝，也可安裝于發(fā)電機內(nèi)部的觀察孔洞中檢測煙霧信號。

4 結(jié)語

圖3 發(fā)電機端部弧光開孔位置

目前為止弧光微機保護在10kV開關(guān)柜、中高壓變配電站的應用比較成熟，在風力發(fā)電上的應用還缺乏。永磁同步風力發(fā)電機的弧光保護系統(tǒng)可實時檢測發(fā)電機定子側(cè)出線端電流狀態(tài)、監(jiān)測發(fā)電機內(nèi)部物理環(huán)境，保護電纜設備正常運行，提供了風力發(fā)電機組無法配置差動保護的解決方案。