风电机组非接触式火花探测器设计与应用

内蒙古华电蒙东能源有限公司 李强强 霍春元 财吉拉胡 华电吉林能源有限公司 王德海

随着新能源产业的繁荣兴盛，风电装机规模逐年增加，但随着风电行业的快速发展，风电火灾事故常见于报端。2011年4月13日，甘肃某风电场风电机组机舱着火，事故原因是变桨故障引起风电机组加速，在紧急刹车时产生火花引起火灾；2017年9月19日，河北一家风电场的风电机组发生了火灾，造成了严重的损失，事故原因是高速刹车系统刹车片不能正常归位导致刹车片摩擦刹车盘产生高温，致使风电机组起火；2018年2月1日，吉林某风电场风电机组机舱着火，事故原因是桨叶故障不能及时顺桨，高转速持续刹车剧烈摩擦导致高温，最终致使机舱着火。火灾事故对风电机组的影响是极其恶劣的，不仅会导致人员伤亡，还会严重损害企业的声誉。

1 背景介绍

由于刹车片与刹车盘之间的持续摩擦，产生的火花、熔融物等成为风电机组火灾事故的诱发因素，严重的情况下，可能会造成人员的伤亡或者整个机舱的损坏。因为机组的控制策略存在问题，再加上制动器的故障，所以一旦火灾发生，很难立即采取有效的应对措施。此外，如果没有采取必要的预防措施，比如保持系统的稳定性，就可能导致系统的故障，甚至发生事故。

风电机组火灾主要呈现以下几个方面的特征：蔓延速度快、自救能力依赖性强、火灾危险性高、扑救难度大、火灾类型复杂等。鉴于此，为了避免大规模的火灾，需要首先确保风电机组的安全，有效及时发现火花、火星，及时扑灭[1]消除潜在隐患，控制风电机组火灾的关键在于消除潜在危险源。因此，在风电机组联轴器防护罩内设计并安装火花探测器，实时检测和预警制动引燃源，及时触发风电机组安全链、应急侧风偏航系统，以有效消除起火源，最终消灭火灾隐患，从而达到安全运行的目的。当火势刚刚开始蔓延时，应及时启动风电机组的自动消防设备，以便有效地扑救火势，以免风电机组受到惨重损失。

2 工作原理

风电机组非接触式火花探测器对风电机组刹车盘摩擦火花进行在线实时探测，红外线测温仪可以实现对风力发电机组刹车盘温度的远程实时监测，其中处理器可以同步收集火花探测器和红外线测温仪的相关信息，以便更好地分析结果，当最高温度超过设定的临界值，火花探测器就会被激活，接口模块辅助触点会被闭合，这样就会使风电机组的安全链、应急侧风偏航系统和自动消防设备运作，从而有效地抑制火焰的蔓延，并能够在火灾刚刚开始的时候就及时扑灭。

3 组成结构

风电机组非接触式火花探测器包括火花探测器、红外线测温仪、处理器、接口模块（外围安全接口）等。如图1所示，火花探测器、红外线测温仪、接口模块分别与处理器连接，其中，火花探测器在线实时检测风电机组刹车盘及其周边红外能量，探测火花或余火的存在[2]；红外线测温仪对风电机组刹车盘温度进行在线实时监测；处理器同步采集火花探测器和红外线测温仪数据，处理信号并自动给出应对措施；接口模块用于连接外部安全设备，实现对应对措施的执行。

图1 风电机组非接触式火花探测器拓扑图

火花探测器是一种先进的工业级光学辐射能传感器，具有高灵敏度、稳定性和低功耗，并且能够长寿命使用。火花探测器能够实时检测微小火花、炽热颗粒、燃烧颗粒或阴燃物的红外线特征，并且能够防尘防水。探测波长在780～1180nm，火花探测器灵敏度可以达到毫秒级，探测红外光变特征，再经过信号处理、信号修复和信号过滤得出检测结果。采用低温型火花探测器，其关键技术特性包括：输入电压DC24V，功率损耗小于3W，探测范围100°，工作环境范围-40℃～+85℃，安全防爆性能达到ExtdA21等级，以及最高可达IP67的防护要求。

红外线测温仪具有先进的工业级在线点温仪的特点，能够快速测量温度，并具有高精度和广泛的测量范围。其核心技术特点包括：DC24V 的工作电源，0.1℃的分辨率，150ms 的响应时间，从-20℃～+500℃的测量范围，±1.5%的精确度，8～14μm 的光谱响应，15:1的光学分辨率，可在-10℃～+70℃的环境中宽限工作，并且提供了最高可达IP66防护等级。

安装外围安全接口的处理器可以从火花探测器和红外线测温仪获取有效的数据，从而实现对监测环境的监控与控制，以信号为判据判定故障并立即激活安全接口，自动触发警报并可以使风电机组停机[3]。通过实时同步采集火花探测器和红外线测温仪的数据，可以获取有关火花、火星的精确信息，并将这些信息传输给处理器，以便进行分析处理。

红外线测温仪可以检测到刹车盘温度的变化，一旦温度超过了预先设定的阈值，处理器就会发出警报，并将这些信息与火花、火星等相关的数据联系在一起，一旦判定火情成立将立即激活火花探测器，可实现对火星的精准探测。当安全接口被激活，与外部安全系统连接的继电器触点闭合，风力发电机组将立即执行应急程序，安全链将动作，如失效及时启动应急侧风偏航系统，若系统检测到火灾出现，则将自动启动消防系统，以确保风力发电机组的绝对安全。

4 优势特点

本文所述风电机组非接触式火花探测器在于克服现有技术的不足，通过无线技术实时监测火花和刹车盘温度，可以实时了解风电机组的运行状况，从而提高效率，实现工业级不间断工作，通过准确的信号传输，可以及时、可靠、有效地检测和识别火灾的萌芽，从而确保风电机组安全，防范火灾事故的发生，提高风电机组火灾防范能力，确保了机组安全、稳定、可靠运行。其有益效果如下。

由于采用了无接触的检测技术，传感器与风电机组之间没有任何干扰，而且具有极高的灵敏度、良好的稳定性、低功耗和较长的使用寿命，因此特别适用于连续运行设备工业现场。通过安装在风电机组联轴器罩内的先进传感器，能够实时检测到火花、刹车盘的温度变化，这样就能够更快地发现火灾的苗头，并采取有效的预防措施，避免不必要的损失。

为了确保火灾检测的准确性，需要将红外线测温仪的测量结果与火灾检测的结果进行比对，以确保其之间的一致性，从而确保火灾检测的准确性，并且满足火花探测器开启外部安全接口的要求。

当火花探测器激活外部安全接口时，风力发电机组的安全链会立刻启动，从而迅速采取措施，紧急顺桨立即停机，最大限度地防止火花的发生，并将危险情况尽早遏制。当火花探测器被激活，恰遇风电机组安全链出现故障，经设定延时后启动风电机组应急侧风偏航系统，使风电机组偏离主风向90°，以此来降低机组的转速，从而尽量减少火花的产生，从而避免事态的恶化。

如果火花探测器已启动外部安全接口并且超过预先设定的延时仍是激活状态，则被认为风电机组发生初起火灾，这时启动风电机组自动消防系统，进行紧急灭火，尽可能地避免风电机组的损失。

5 安装应用

风电机组非接触式火花探测器，如图2所示，该系统由MSE-T3型火花探测器、IS10型红外线测温仪和SD-Ⅰ型处理器组成，处理器还具有外部安全接口，K1、K2、K3继电器分别用于触发风电机组安全链、应急侧风偏航系统和自动消防装置，为安全执行机构，以确保风电机组安全运行。

图2 风电机组非接触式火花探测器电气原理图

为了有效监控风电机组联轴器罩内的火花，需要在其表面钻一个小孔，并使用专门的连接器将火花探测器固定在其上。此外，应确保联轴器罩内是一个相对封闭的环境，其密封程度至少为IP20，火花探头的安装与刹车盘保持一个直角，以便更有效地检测出刹车盘上的红外能量。

为了确保系统运行的可靠性和稳定性，需要开直径20mm 的圆孔，以便固定高精度的红外线测温仪，并用2个M18螺栓来固定。除此之外，处理器还被安装在风力发电机组的控制柜内，并通过一根特殊的屏蔽线将其与火花探测器和红外线测温仪相连，以确保数据传输的可靠性和稳定性。

6 效果效益

风电机组非接触式火花探测器是一种针对导致火灾早期诱因的预防性措施，具有良好的效果、效益，可投入实际生产应用[4]。

经效果评测，风电机组非接触式火花探测器可在0.15s 内准确有效地侦测到火花、火星，判定为故障后0.1s 内触发安全链可使风电机组响应紧急停机程序，可在12.86s 内使风电机组转速降至0rpm，能够有效控制和消除点火源；如安全链触发失效，经延时1（时间可自定义）激活风电机组应急侧风偏航系统，可使风电机组在150s 内偏航测风90°，达到降低风电机组转速的目的，亦能消除火灾源；经延时2（时间可自定义）火花探测器仍是启动状态则判断为风电机组发生初起火灾，立即激活风电机组自动消防装置动作灭火。

如果1台风电机组发生火灾事故，一般烧损机舱及叶轮需要整体更换，其直接损失约1150万元；此外风电机组停运及恢复期按2个月核算，发电量的间接损失约35.26万元。总之，预估可挽回1185.26万元的经济损失。综上，风电机组非接触式火花探测器是一种预防火灾的技术，采用先进的技术手段，加强对风电机组火灾事故的预防，不仅能够降低火灾事故的发生率，还能够极大地提升风电机组的安全性、可靠性和稳定性。

7 结论

本文从风电行业突出的火灾事故出发，针对风电机组刹车时摩擦火花易发生火灾事故的现状，分析事故原因，突破当前风力发电机组火灾预防的技术瓶颈，开发出一种新型的火花探测器，不仅可以实时监测，还可以及时报告可能的火花及其温度变化，大幅提升了安全性。此外，采用安全链、应急侧风偏航系统，还可以快速阻止起火源的扩散，有效地降低火灾的危险程度。如发生初起火灾将及时投入风电机组自动消防装置有效灭火，确保风电机组的安全运行，在风电行业安全生产工作中具有一定的指导、借鉴和推广意义。