永磁風力發電機內部短路故障的弧光保護研究

胡唐超，高仕紅，崔佳咪，湯洋

（湖北民族學院，湖北 恩施 445000）

新能源發電，尤其是風力發電近些年得到了大規模的應用。推廣初期，因為風力發電機容量一般都比較小，風力發電機都沒有配置專門的保護。隨著風力發電項目的增多，風力發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，發電機在繞組內部預埋了溫度傳感器，發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，發電機內部故障率很高，可達到電機故障總數的65%～85%，因為氣隙磁場的諧波分量很強，相間短路電流數值很大，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。

風力發電機一般裝設在高原或沿海地區較多，高原地區設備絕緣條件差，沿海地區潮濕，發生絕緣擊穿短路的概率大。發電機發生外部短路時，會引起發電機內部繞組過流。如果定子繞組發生相間短路，會產生諧波電流，并且定子短路側產生環流。因為發電機是電源，外部電流測量無法正確反應內部故障情況。多數產家在設計永磁風力發電機時，定子側中性點側繞組未考慮引出，無法測量中性點側的電流，因此，現有的永磁風力發電機無法配置差動保護。為了解決上述永磁風力發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生的弧光信號，設計出永磁發電機內部的弧光保護系統。

1 保護檢測原理

弧光保護檢測的原理關鍵在于采集發電機內部短路時產生的弧光信號，弧光的產生強度與相線之間短路和相線與地短接的形式有關，但是由于短路的持續放電，弧光的強度以及能量將以指數形式遞增，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系

永磁同步風力發電機內部定子側發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毫秒內體現。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，加速其對周圍環境的破壞。但永磁同步風力發電機內部是個封閉的無光環境，此時若產生弧光，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，內部封閉的環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電機出線端外部短路引起的故障，可以在發電機定子側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，為了避免發電機整體的配套系統如接線端口、定子出線電力電纜接口、風機艙內部控制柜等因絕緣破損、環境腐蝕導致絕緣破壞引起漏電起火等現象，考慮在永磁同步風力發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現危險情況。

2 永磁同步風力發電機保護的系統構成

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

（1）保護裝置構成。保護裝置系統通過傳感器采集發電機內部的光信號、定子出線側電流信號以及機艙內部的煙霧信號作為報警及跳閘動作的依據。當采集到發電機內部產生光信號和定子側出線的電流信號異常時，信號會通過傳感器的電纜傳輸到主控單元，此時主控單元可以根據設定發出跳閘指令或者告警信息，當檢測到煙霧信號時，僅發出告警信號，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的系統自檢，當弧光傳感器出現斷線等故障時，能發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、煙霧發生點的位置，方便快速處理故障、恢復供電。

（2）系統構成。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電機內部弧光信號的采集、發電機定子側出線端三相電流的采集、發電機機艙內部煙霧信號的采集，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，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，完成遠程監控，實現現場無人值班。

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電機機艙內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個安裝于發電機前后端蓋，具體位置如圖3所示。煙霧傳感器可以根據現場情況于機艙發電機中心吸頂安裝，也可安裝于發電機內部的觀察孔洞中檢測煙霧信號。

4 結語

圖3 發電機端部弧光開孔位置

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