摘要：全球變暖加劇，環保問題凸顯，中國提出“碳達峰、碳中和”目標，發展清潔能源成關鍵。風力發電技術顯著進步，單機容量提升，安裝地點拓展至海上。針對海上大容量風電機組，我們創新提出保護方案，融合弧光傳感器與電流測量技術，設計單判據和雙判據實施方案，提升運行安全性。本文深入研究和全面分析風力發電技術，提出電弧光保護在風力發電機中的建設性意見。

1風力發電系統類型

1.1?依據機組容量劃分

風力發電系統按機組容量分四類，每類容量有差異。

1）機組容量為0.1～1kW的小型機組

2）機組容量為1～1000kW的中型機組

3）機組容量為1～10MW的大型機組

4）機組容量為10MW以上的巨型機組。

1.2?依據發電機運行特征及控制方式劃分

根據發電機的運行特征或控制方式，一般可分為兩種系統：變速恒頻風力發電系統和恒速恒頻風力發電系統。前者風力機轉速可調，能合理利用風能提升發電率；后者使用較少，雖便捷但風能利用率低，發電率不高。

1.3?運行方式分類

根據風力發電的運行機制，通常可以將其劃分為兩大類別。首要提及的是并網型風力發電系統，該系統與常規的發電模式相類似，普遍依賴于大型電網以增強風能的利用效率。其顯著優勢在于成本相對較低，因此在當前階段頗為常見。緊接著是離網型風力發電系統，該系統通常獨立運行，且其容量相對較小。這類系統在城鄉公路等場景中較為普遍，展現出其獨特的應用價值。

2弧光保護原理

2.1電弧光的產生

電弧光是氣體放電的終極表現形式。在氣體原子周圍的電子被電離成等離子體后，這些自由電子便游離而出，并在外部因素或強大電場的影響下，向外輻射電磁波。這種在放電通道周圍釋放出的電磁波，正是我們所稱的電弧光。

據相關文獻記載，電弧光的能量主要集中在兩個特定的光譜區域：一是300至400納米的紫外光波段，其中心波長約為330納米；二是500至600納米的可見光波段，其中心波長約為530納米。值得注意的是，電弧光在紫外光波段的能量往往高于其在可見光波段的能量。

2.2弧光傳感器

弧光傳感器為光感應元件，短路時弧光增強，其內電子元件將光信號轉電信號，通過光纖將光信號傳至采集或保護單元完成光電轉換，支撐后續動作。弧光傳感器應具抗干擾、精度高、可靠性強的特點。

2.3快速性保護

電弧光故障危害由電流大小和切除時間決定，電弧光產生的能量I2t隨切除時間T指數增長。圖1顯示，電弧燃燒超100ms能量激增，損壞電纜、銅排等，超過200ms，其能量達柜體燃燒級別，保護動作時間應越快越好。為防設備受損，需縮短切除時間，標準規定純弧光跳閘時間<10ms，帶電流雙重判據動作時間<20ms。

圖1電弧光的危害示意圖

3.弧光保護在風電中的應用

風力發電用電弧光保護裝置裝于塔基控制柜內，由主控單元、弧光傳感器等組成。主控單元管理、控制系統，通過檢測弧光和電流增量信號，同時，對接收到的單一信號或兩種信號進行細致的處理與判斷。弧光傳感器被精準地安裝在中壓開關柜及塔基變頻器內部。一旦滿足跳閘條件，系統將立即發出跳閘指令，以迅速切除故障。弧光傳感器安裝在中壓開關柜及塔基變頻器內，檢測到弧光信號后傳輸給弧光采集單元，后者再反饋信號給主控單元。

3.1總體結構設計

在風力發電機箱的高壓、低壓側及變頻器內布置弧光傳感器，稱單判據。若同時布置電流互感器，弧光裝置主控單元將接收弧光傳感器信號及電流增量信號，任一觸發則發送切除指令，使風力發電機快速脫離電網，稱雙判據。

3.2電流監測

采用電流互感器測量變頻器內電流，將其大電流轉換為小電流（國標5A），供測量和繼電保護，并與高電壓隔離。使用時，原線圈串聯負載線路，副邊線圈與電阻閉合回路。選型需區分測量或保護用途，考慮電流比和容量。風力發電機電流檢測裝置安裝在中壓開關柜進線電纜處，共3個電流互感器分別測量A、B、C相電流，并傳送給弧光主控單元。

3.3主控單元功能設計

弧光裝置的主控單元在執行弧光傳感器與電流互感器的信號邏輯處理之余，還需涵蓋以下核心功能：首先，需具備全面的自檢機制，涵蓋裝置硬件、軟件及弧光傳感器異常等多方面的自檢，一旦檢測到任何故障，將立即觸發告警信號，并自動封鎖整套保護系統，確保設備安全；其次，應提供清晰的狀態指示，如運行狀態、裝置異常等，便于用戶及時掌握設備狀況；再者，需展示詳盡的信息界面，涵蓋時間、定值、配置、采集量、動作記錄等，并支持事件記錄與操作記錄的便捷查詢；最后，在通訊方面，主控單元應支持RS485、以太網等多種通訊方式，并符合MODBUS規約或IEC60870-5-103、104等國際通訊標準，確保設備間的順暢通訊與數據交互。

4風力發電機組的控制

4.1定槳距控制技術

定槳距控制技術固定葉片于輪轂，葉片失速時控制功率達到頂峰，實現風力發電質量控制。該技術源自丹麥，運用槳葉翼型失速理論，使氣流攻角在額定風速下促使設備達特定值，渦流在槳葉表面出現降低效率，限制功率。該技術已被全球先進制造商廣泛使用，生產大型風電設備，行業使用率達70%。

4.2變槳距控制技術

變槳距控制技術調節風電機組，通過縱向軸心葉片變化實現[6-8]。Vestas風力機可作為研究案例。調節分三階段：（1）開機運行，調整節距角至合適位置，控制轉速，實現并網發電。（2）風速低于額定風速時，調整發電機轉差率，優化功率輸出。（3）功率穩定后，調節輸出功率，超額定功率時調整槳葉節距角。大于750kW機組常用變槳距調節，不足則可用定槳距失速調節。

5安科瑞弧光保護裝置的功能和選型

5.1功能

弧光保護裝置采用高度模塊化的硬件設計，涵蓋電源模塊、CPU模塊、弧光采集模塊、模擬量采集模塊、開入開出模塊、通訊模塊及人機接口模塊等，全面集成了保護、測量、監視、控制、通訊、故障錄波及事件記錄等多重功能。該裝置能夠實時監測弧光信號、保護電流或電壓信號，專為0.4kV至35kV的中低壓配電系統提供高效的電弧光保護。其配套的軟件搭載了專業的保護算法，不僅抗干擾能力強，且具備高可靠性，保護實現方式靈活多變。此外，該裝置還能與Acrel-2000電力監控系統無縫對接，共同為電力系統的安全穩定運行提供堅實保障。

5.2 選型

6、結語

電弧光產品在風力發電機領域的應用尚處于初步階段，其卓越性能能夠迅速對風力發電機內產生的電弧光及過流現象進行實時告警，并立即切斷斷路器以實施保護，此舉顯著降低了風力發電機發生火災等嚴重事故的風險。未來，隨著技術的不斷進步，我們期待能將電弧光產品與氣溶膠等先進的消防系統產品相結合，以構建更為全面和高效的保護體系。

參考文獻：

[1]王海，電弧光保護在風力發電機中的應用研究

[2]劉立忠，柴衛軍，鄭小翠.基于電子傳感技術的低壓開關柜弧光保護方法［J］.自動化與儀表，2020，35（12）：98-102.

[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊2020.06版．

[4]安科瑞用戶變電站變配電監控解決方案2021.10

審核編輯 黃宇