电弧光保护系统在风力发电场集电母线保护中的应用

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电弧光保护系统在风力发电场集电母线保护中的应用

龚优华，安海光，李赵华

(中广核风电有限公司内蒙古分公司，内蒙古呼和浩特010020)

摘要：对风电场断路器桓故障——孤光短路以及变压器的动稳定时间，研究风电场集电母线保护动作时间要求，做出风电场断路器柜电孤光短路故障的集电母线保护方案及防护措施。

关键词：风电场；电弧光；集电母线保护中图分类号：TM595文献标识码：A

在风力发电场升压站中，35kV及以下电压等

级的风电场集电母线由于延续电网以往的方法设计，不会装设保护。但是，由于风电场集电母线上的

文章编号：1006--7981(2014)04—0037—02

上保护动作时间，切除短路故障时间应小于100ms

才能防止短路故障大造成危害。

集电线路较多，大地与三相导体线间距离间的距离

较近，容易受小型动物的危害，设备制造质量比高压设备恶劣，误操作，运行环境比较差、设备机械老化和绝缘降低，等原因，风电场集电母线的故障几率比一般的电网变电站故障要高。长期以来，对风电场集

电母线的保护不重视，一般采用带有较大延时的后备保护来切除集电母线故障，这已不能适应风电场

集电母线的运行要求，使故障扩大，从而使投资商蒙

受损失。

近年来，由于风力发电的快速发展，各种原因断路器设备被严重烧毁，越级跳闸事件屡见不鲜。受外部短路电流冲击损坏主变压器的事故也呈现增长态

势，事故处理不当会扩大发展为大型电网事故，已引

2

0100900

400Ⅱ惜

图l电弧能量与燃烧时间对比

起电网营销部门的重视。究其大多是风电场没有装

设集电母线保护，故障未能快速切除造成。必然为了

断路器柜短路故障的保护措施研究2．1消极的防护措施

限制故障电弧产生的各种效应是这种措施的原理，如隔离各单元室、强化断路器柜的内部结构、设置泄压通道和释放板等，采用这种措施能使电弧光

保证风电场母线断路器设备及变压器的稳定运行，根据继电保护四性的要求，在风电场配置专用集电母线保护已成为燃眉之急。

1路器柜燃弧耐受时间指标分析

表l

故障损失少量降低。

表2

增加弧耐受时间和增加成本对比评估

开关柜增加的成本费用

10％i00％

燃弧持续时间下对设备的损害程度

设备损坏程度

没有显著的损坏，一般可以在检验绝缘电阻后投入使用。

设备损坏较小。在开关柜再次投入运行以前仅需要进行清洁或可能的某些小的修理。设备损坏很严重．现场工作人员可能受到严

开关柜提供的燃弧耐受时问

200毫秒1秒

电强燃烧时间

．，

35m5

然而，如果要通过强化内部结构的方法从i面提

．

100m5

高断路器柜的燃弧耐受时间会产生更高的成本。

2．2积极的防护措施

500ms

重伤害．必须更换部分设备才可以再投入运

行。

当前一般采用的集电母线保护方案是：

2．2．1变压器后备保护。对于馈线和母线分段开关配合方面考虑，保护跳闸时限正常情况下，设为1．

O一1．4秒，那么不难得出是不能够满足要求的。2．2．2集电线路过流保护闭锁保护方案。这一方案提高了动作速度，一般动作时限为300到1400ms．显然，还是不能满足100ms以内切除故障。

2．2．3

断路器柜燃弧耐受时间。IEC298标准附录AA中规定的燃弧时间是100ms，目前风电场配置的断

路器柜绝大部分是按照IEC298标准制造的。

由于弧光故障一般在断路器动作前发生并且持

续燃烧的，燃烧的持续时间等于断路器分闸时间加

电流差动集电母线保护方案。电流差动集

收稿日期：2014一01一08

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内蒙古石油化工

2014年第4期

电母线保护方案，保护动作时限一般是35．0ms。再加上断路器分闸时间，这个速度对于100ms还是太长。而且采用电流差动集电母线保护方案接线复杂，对电流互感器的精度要求很高，安装在有风电场这

样有很多集电线路母线上有很大的困难，且造价很高。

显而易见，以上方案是不能满足保护覆盖范围要求或快速切除母线故障的，那么采用一种新的集电母线保护系统是迫切需要的，从而达到解决运行中由于集电母线发生故障率高、切除故障时间长而

导致故障扩大，造成大量的经济损失。

3电弧光母线保护系统及应用情况3．1

电孤光的特点

空气弧光产生时候最大的瞬时功率可以达40

MW

内部温度可以升至1万20，000℃

弧光产生时和结束时的温度可以达到4，500℃

(中压范围内)

弧光的最大电压可达500一1，000V

弧光的光强可以超过正常的照明光强2，000

倍

有效降低故障危害是弧光保护系统必须解决的

问题，而解决问题的关键在于尽快切断电源，熄灭电弧。弧光保护系统就是为实现快速切断电弧故障而研制的，在低压或中压开关装置中产生电弧故障瞬间，向断路器发出快速跳闸命令。

在发生电弧故障时，弧光保护系统可通过检查、检测电弧传感器的覆盖区域来迅速定位故障。有两种类型电弧检测传感器：缠绕光纤传感器，能检测光信号并通过光纤传输；聚光透镜型传感器，按问隔配

置的传感器。

3．2保护装置的配置

装置采用一体式主机设计，电流监测、弧光监测

和信号处理系统在一个主机内完成。与现行的分体式设计相比，避免了系统的电流单元外部连接故障，系统的运行可靠性更高。具有以下组成部分：主单元、扩展单元、弧光传感器。

弧光保护装置的动作时间≤2．5ms，弧光保护

装置应具备故障定位功能，应能判别出发生弧光的

具体位置，连续的自检功能可自我侦测继电器辅助电源、连接光纤，确保了系统的可靠性。提供两种弧光探测方式，环状光纤传感器或透镜式传感器，整条光纤传感器均可探测电弧光，保证了保护区域无

盲区。

3．3应用情况

电弧光保护在包括中国在内的二十个多个国家

的低压保护系统中应用已有超过一千套以上，最大20个主单元，应用已遍及电力系统的发、输、配、用各大领域。

电弧光保护系统应用最多的国家是非洲的南

不统计，该国到2013年年底已有1200多套电

弧光保护系统投入运行，最大的系统安装有18个主单元。

在内蒙古自治区，乌兰察布供电局、呼和浩特供

电局、巴彦淖尔供电局等盟市供电局相继配置了电弧光保护，且运行稳定，并进一步的开始了推广，一些风电场已经开始进行低压集电系统的母线保护改造，应用电弧光保护。4结束语

随着微机和光电子技术的不断研究更新，各种

新型母线保护原理和装置不断出现，其中电弧光保

护是针对断路器柜故障特性研发的母线保护，具有动作可靠迅速、原理简单、对风电场升压站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式、且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为风力发电企业提供

了一个理想的集电母线保护解决方案。

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