永磁风力发电机内部短路故障的弧光保护研究

2019-03-07胡唐超高仕红崔佳咪汤洋

中国设备工程 2019年4期

胡唐超，高仕红，崔佳咪，汤洋

（湖北民族学院，湖北恩施 445000）

新能源发电，尤其是风力发电近些年得到了大规模的应用。推广初期，因为风力发电机容量一般都比较小，风力发电机都没有配置专门的保护。随着风力发电项目的增多，风力发电机的容量也不断增大。目前应用比较成熟的永磁同步风力发电机单机容量2MW，最大的单机可以做到5MW甚至10MW。但是，风力发电机的保护却没有得到相应的重视。以目前应用最多的2MW机组为例，发电机在绕组内部预埋了温度传感器，发电机的各种故障基本通过温度继电器来切除。

在风机运行过程中，发电机内部故障率很高，可达到电机故障总数的65%～85%，因为气隙磁场的谐波分量很强，相间短路电流数值很大，除了可能造成严重的机械损伤，绕组或铁芯也会因局部过热而烧毁，但温度保护动作慢，即使切除故障，绕组仍可能因过流而损坏。

风力发电机一般装设在高原或沿海地区较多，高原地区设备绝缘条件差，沿海地区潮湿，发生绝缘击穿短路的概率大。发电机发生外部短路时，会引起发电机内部绕组过流。如果定子绕组发生相间短路，会产生谐波电流，并且定子短路侧产生环流。因为发电机是电源，外部电流测量无法正确反应内部故障情况。多数产家在设计永磁风力发电机时，定子侧中性点侧绕组未考虑引出，无法测量中性点侧的电流，因此，现有的永磁风力发电机无法配置差动保护。为了解决上述永磁风力发电机无法配置差动保护的问题，本文提出利用相线与相线之间短路和相线与地短接时产生的弧光信号，设计出永磁发电机内部的弧光保护系统。

1 保护检测原理

弧光保护检测的原理关键在于采集发电机内部短路时产生的弧光信号，弧光的产生强度与相线之间短路和相线与地短接的形式有关，但是由于短路的持续放电，弧光的强度以及能量将以指数形式递增，详见图1。若是小电流的放电也将导体升温，逐步引起导体绝缘损坏，最终将导致大电流放电，即使故障电流很小，如果不及时检测切除，通过时间的累计也可能引起重大的事故。

图1 电弧故障释放能量大小与燃弧时间的关系

永磁同步风力发电机内部定子侧发生相线之间短路和相线与地短接时，会引起弧光放电，电弧会在1毫秒内体现。满足了燃弧条件将会导致空气的进一步电离，从而加速促进弧光的强度增加，空气电离击穿后其阻值也会迅速降低，加速其对周围环境的破坏。但永磁同步风力发电机内部是个封闭的无光环境，此时若产生弧光，通过电弧光传感器来采集短路引起的光信号则可以达到解决检测故障信号的目的，内部封闭的环境也避免了外部其他光信号的干扰。同时为了降低永磁同步风力发电机出线端外部短路引起的故障，可以在发电机定子侧出线端装设电流互感器检测外部电流的改变情况，同时可以通过采集的信号传于微机保护中配置电流速断保护，限时电流速断保护，定时限过电流保护等。最后，为了避免发电机整体的配套系统如接线端口、定子出线电力电缆接口、风机舱内部控制柜等因绝缘破损、环境腐蚀导致绝缘破坏引起漏电起火等现象，考虑在永磁同步风力发电机舱观察口安装点型烟雾探测传感器，微机保护装置可以通过采集烟雾信号及时发现危险情况。

2 永磁同步风力发电机保护的系统构成

风力发电机电弧光保护根据永磁风力发电机的特点设计而成，同时具备永磁风力发电机弧光保护和电流保护的功能。该系统采用弧光检测和过流检测原理，动作快、可靠性高，能有效保护发电机内部弧光故障和外部短路的过流。

（1）保护装置构成。保护装置系统通过传感器采集发电机内部的光信号、定子出线侧电流信号以及机舱内部的烟雾信号作为报警及跳闸动作的依据。当采集到发电机内部产生光信号和定子侧出线的电流信号异常时，信号会通过传感器的电缆传输到主控单元，此时主控单元可以根据设定发出跳闸指令或者告警信息，当检测到烟雾信号时，仅发出告警信号，原理如图2所示。

图2 弧光和过流组合保护原理图

主控单元能拥有持续的系统自检，当弧光传感器出现断线等故障时，能发出弧光传感器故障的告警信号。主控单元能够显示故障点定位，控制部分可显示弧光、烟雾发生点的位置，方便快速处理故障、恢复供电。

（2）系统构成。保护主机由两大部分组成，分别为信号处理单元和界面显示单元。两部分分别由2块CPU控制，之间的信号传输通过串口完成。信号处理单元主要通过传感器完成对发电机内部弧光信号的采集、发电机定子侧出线端三相电流的采集、发电机机舱内部烟雾信号的采集，将采集到的信号进行保护算法的处理后，传输给界面显示单元进行显示和观察。保护主机具有实时检测传感器的状态，同时对于故障信号可以定点定位显示。信号处理单元可以通过通信管理机传输给远程计算机，完成远程监控，实现现场无人值班。

3 具体应用和安装

总体配置。风电项目中，每台永磁同步风力发电机机舱内部配置一台保护主机，每一台保护主机配置8个弧光检测传感器，一组电流互感器以及一个烟雾传感器。8个弧光检测传感器分为2组，每组4个安装于发电机前后端盖，具体位置如图3所示。烟雾传感器可以根据现场情况于机舱发电机中心吸顶安装，也可安装于发电机内部的观察孔洞中检测烟雾信号。