低压电器元件在风力发电机组中的应用

于海舒 宋晓阳 陈靖

（浙江运达风电股份有限公司，浙江省风力发电技术重点实验室，浙江杭州 310012）

0.引言

虽然人类社会在很早的年代就会利用风能进行抽水、磨面，但是风能的大规模利用和兆瓦级风力发电机组的全面推广，还不到20年时间，因此，风力发电这个可再生能源行业还是个年轻的行业。而风力发电机组往往建设在高山，戈壁和海上等地区，所处环境条件恶劣，这对许多部件来说，都是不小的挑战，工程技术人员也是在不断的探索、总结经验和开发更适用于风力发电的产品，努力的提高风力发电机组的稳定性、可靠性，尽可能的利用好风能资源。低压电器元件是其中重要的控制和保护产品，如何将低压电器元件设计好、生产好、使用好，也得到了越来越多的技术人员的重视。

1.低压电器元件的功能与分类

1.1 断路器

断路器是能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电流下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器，根据应用不同主要有以下3类：

框架断路器：又称万能式断路器或空气断路器，简称ACB（Air Circuit-breaker），适用于交流50/60Hz、额定电压至1140V，直流额定电压至1500V，额定电流至7500A的线路中做过载、短路、接地、漏电和过、欠压等故障保护之用。

塑壳断路器：又称塑料外壳式断路器，简称MCCB（Moulded-case Circuit-breaker），是指用模压绝缘材料制成的外壳作为断路器整体部件的断路器。适用于交流50/60Hz，额定电压至1140V，直流额定电压至1500V，额定电流至1600A的低压配电回路或电动机保护回路中做过载、短路保护之用。

微型断路器：又称小型断路器，简称MCB（Micro circuit breaker/ Miniature circuit breaker），适用于交流50/60Hz，额定电压230/400V，直流额定电压至1000V，额定电流至125A的线路中做过载和短路保护之用。

那么这三者有哪些不同呢？

1.1.1 应用场景不同

（1）塑壳断路器主要应用于二级配电系统的馈线回路或电机馈线回路保护。

（2）框架断路器主要应用于一级配电系统的进线、母联和重要负载馈线，做电力的分配和多种保护用。微型断路器主要用于民用、工商业末端三级配电系统或控制系统的保护。

1.1.2 脱扣器型式不同

（1）塑壳断路器有电磁式、热磁式和电子式3种脱扣器型式，电磁式脱扣器仅提供短路瞬时保护，热磁式脱扣器提供过载、短路瞬时保护，电子式脱扣器可提供过载保护、短路短延时保护、短路瞬时保护和接地保护共4种保护特性。其中电磁式、热磁式为A类使用类别，无选择性保护，400A及以上电子式脱扣器满足B类使用类别，可实现选择性保护。电子式脱扣器带测量（如电流）功能，可选配通信模块。

（2）框架断路器采用智能型脱扣器，可具备3段（过载、短路短延时、短路瞬时）保护和4段（过载、短路短延时、短路瞬时、接地）保护，为B类应用，可实现完全选择性保护。具有电流、电压、功率、谐波等多种测量功能，标配或选配通信模块。

（3）微型断路器主要提供过载、短路瞬时2段保护，分别采用双金和电磁线圈两种脱扣方式实现过载和瞬动保护。

1.2 接触器

接触器是指工业电中利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到远距离、频繁地接通和断开主电路和大容量控制电路的电器。接触器由电磁系统（衔铁、静铁心、电磁线圈）触头系统（常开触头和常闭触头）和灭弧装置组成。按控制线圈电压，一般分为交流接触器和直流接触器；按灭弧介质来分，可分为空气式接触器、真空式接触器等，空气式接触器依靠空气绝缘，通常用于一般负载，而采用真空绝缘的常用在大电流等一些特殊的场合；如果按有无触点可分为有触点接触器和无触点接触器，目前常用的接触器多为有触点接触器，而半导体式接触器属于无触点接触器，由于半导体器件触发电压很小，回路通断时无火花产生，因此常用于高操作频率的设备和易燃、易爆、要求无噪声的场合。

1.3 继电器

继电器是具有隔离功能的开关元件，实际原理是用小电流去控制大电流，在电路中起着调节、保护、转换等作用，其广泛应用于远程控制、设备通讯中，是机电和电力电子等设备中重要的控制元件之一。按继电器的工作原理来分，使用较为广泛的继电器有电磁继电器、固体继电器、安全继电器、温度继电器、时间继电器等。

2.低压电器元件的工作环境

风力发电是新兴的行业，有着自身的一定特殊性，为了降低成本，风力发电机组的电压在低压中相对来说较高，早期是690VAC，最近几年上升到1140VAC，未来还有进一步提升的趋势；同时风力发电机组的变压器距离机组内的用电设备很近，意味着一旦出现短路电流，电流值将很大。为了降低对人类生活的影响，风力发电机组通常建设在高山、隔壁、海洋上，远离生活区域，其会面对各种各样的复杂自然环境，寒冷、酷热、强辐射、强雷暴、潮湿、凝露、结冰；同时风电机组常年受风吹动，会一直处于振动状态，这一切也是需要低压电器元件在设计和应用时需要充分考虑的。

3.低压电器元件应用分析与改善

3.1 断路器应用

在风力发电机组里，辅助电机的用电，行业内多数使用690VAC的电压，微型空气断路器基本只适用于400VAC电压，即使有用于690VAC电压的产品，也因稀少而价格极高，不具备经济性。现在行业内大多数用户都使用专用的电机保护断路器，该断路器可以用于690VAC，但是产品早期设计时还是基于400VAC的要求设计的，因此使用在690VAC的电压下，其额定短路分断能力和400VAC电压下的额定短路分断能力相比，大幅下降；而风力发电机组的辅助变压器往往距离设备很近，甚至只有几米远，这样难以保证有足够的短路分断能力。为保证设备的安全，及时切除故障设备和线路，应在总进线处使用有足够分断能力的塑壳断路器；在不满足分断能力却必须使用电机保护断路器的回路，增设后备熔丝，进行短路保护。

3.2 接触器应用

接触器是控制电机的关键元件，其需要频繁的吸合和断开工作电流，为了降低接触器损坏的概率，可以适当留大裕量，尤其是用来控制偏航电机的接触器，吸合频率高，同时带动好几个甚至十几个电机，工况复杂，使用大些裕量的接触器，可以降低触头熔化的可能，同时尽量使用带有灭弧栅片或是有金属灭弧室的接触器，不但可以迅速分断电流，还可防止触点温度过高，及时冷却。这里还建议接触器配置浪涌抑制器，因为接触器的控制线圈实际就是一个电感，接触器断开时，控制线圈会产生很高的反向冲击电压，有几百伏之高，会对其他电路产生干扰，必须进行有效的抑制。

3.3 低压电器元件改善

（1）在前面的章节中已经提到，在风力发电机组中，主流配电电压之一为690VAC，因此，开发出适应690VAC的高分断能力电机保护断路器，对风力发电机组来说，是比较必要的。为什么要特别强调这点呢？按GL安全要求，配置熔丝等辅助保护设备也是可以的，但是对用户来说，尽可能少占用安装空间，会有更好的经济性。同时添加更多的设备，也意味着会有更多的故障点，这对努力追求更高稳定性的风力发电机组来说，也是不希望的。

（2）同时建议积极研发低功耗接触器，因为通常可编程逻辑控制器（简称PLC）模块的驱动能力为0.5A，如果接触器线圈功耗过大，需加继电器进行控制，对于风力发电机组来说，这既增加了成本，也消耗了更多控制柜内的空间。目前部分国外品牌的接触器已经有低功耗产品，可喜的是越来越多的国内低压电器元件生产厂家意识到这个情况并积极投入相关研发中。

（3）风力发电机组无论受风吹还是海浪拍打，以及自身叶片转动时，都会产生振动，低压电器元件必须具有良好的抗振动性能，无论主触点还是辅助触点，在一定的振动下都不允许出现触点误动作的现象，否则会导致风电机组出现不必要的停机或是发生故障。因此应积极研发触头卡住机构，无论在触头分开还是在闭合的位置，都应该相应的卡住机构使其保持当前位置。

（4）提高防腐蚀能力。现在国家大力推动风电发展，海陆并进，因此海上风机对元器件的防腐能力要求会远高于陆上风机。当风机未发电时，风机内产品长期处于户外潮湿或含盐分（海上）环境下。部分海上风机由于管桩和机舱密封不够，含有盐分的空气会进入风机内腐蚀器件，单桩风电机组还存在海底腐殖物产生H2S气体进入机组的可能，H2S气体渗入柜体时会与银和氧气反应生成Ag2S和H2O。Ag2S会在银触头表面形成一层黑色的膜状物，导致触点表面电阻率上升，它与普通金属不同的是随着温度上升电阻率反而下降。H2S气体的出现对主触头影响不明显（主触头通常会发热和有着较高的电压，Ag2S在温度升高时氧化生成Ag2SO4,电阻率降低或被击穿），对小电流的辅助触头影响较明显，导致辅助触头接触电阻长期升高[1-2]。

在海上或沼泽、地底存在有机垃圾的地带应用的低压元件应尽可能提高对盐雾的防护能力和辅助触头耐硫的能力。

（5）研究适用于风力发电行业的低压电器元件的型式试验测试标准，风力发电有着其自身的独特性，一般性的产品标准，可能不完全适用于风力发电行业，但是过高的产品要求，也会造成不必要的成本浪费，因此要推进贴合风力发电行业的专有测试标准，标准的建立，也会反推更好的产品产生。

（6）进一步模块化设计和更加丰富的附件配套产品。由于风电机组的众多维护工作都是在机舱内进行，不比在地面工作，工作条件不足，因为模块化产品，丰富的配套附件，便于提高现场工作效率，降低工作强度。同时让风机更快的重新投入发电，为用户创造经济利益。

（7）开发更加适应高海拔的产品。部分风机应用在高海拔地区，目前西藏计划大力发展风电，而西藏平均海拔在4000m以上，由于海拔过高，空气压力和密度的降低使低压电器的绝缘更易被击穿。电弧在燃烧过程中加热周边空气产生的压强要低于低海拔地区，不容易将电弧吹进灭弧室内，使熄灭电弧更加困难，造成灭弧时间延长，同样电压电流条件下触头烧蚀更严重，产品的通断能力水平降低（即电气寿命减少）。另外，由于空气密度的降低使散热对流作用减弱，进而导致温升进一步升高，尽管存在海拔升高、气温下降有一定的补偿作用，但该作用不足以抵消温升的增加（约定发热电流降低），所以目前的办法都是进行降容使用，降低主回路电压，增大电流裕量，但是能有更适合高海拔的产品，是用户所期待的[3-4]。

（8）加大新材料的研发力度，前面也提到了，目前海上风力发电机组越来越多，防腐蚀成为众多整机厂最关心的问题之一；同时我们也知道，低压电器元件在分断电流时触头金属会产生气化，一旦进入人体，可能会有不良的影响，而且，更加耐分断电流灼烧的触头材料，也是我们期望的，这些都要求能有更好的新材料投入实际应用中。

4.结语

虽然为了减少碳排放，全球都在积极开发可再生能源，风力发电也得到蓬勃的发展，但是也需要积极控制成本，这是对每一个部件的要求，低压电器元件也有同样的要求，高可靠性、高性能、高经济性、高标准化，高度小型化将是低压电器元件不变的努力方向。