ABB剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用
北京利德華福電氣技術(shù)有限公司 寇斐
摘要：本文對(duì)常用的低壓配電開關(guān)器件作了比較，而后根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)其配電系統(tǒng)的解決方案進(jìn)行了初步探討。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電 剩余電流動(dòng)作保護(hù)器
1 引言
隨著地球常規(guī)資源的日益匱乏，全球倡導(dǎo)節(jié)約資源，一種環(huán)保清潔的可再生能源--風(fēng)能，在這個(gè)能源短缺的時(shí)代扮演了重要的角色。中國(guó)政府也提出建設(shè)節(jié)約型社會(huì)、環(huán)保型社會(huì)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)提供了很大的發(fā)展空間。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量很大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量約2.53億千瓦。雖然中國(guó)對(duì)利用風(fēng)力發(fā)電與其他國(guó)家風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展水平還有很大差距，但近年中國(guó)政府大力支持，積極推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相信不久的將來，中國(guó)的風(fēng)力發(fā)電將成為其主要的供電來源之一。
2 風(fēng)力發(fā)電配電系統(tǒng)的特點(diǎn)
與常規(guī)的火力發(fā)電站和水力發(fā)電站相比，風(fēng)力發(fā)電站的配套設(shè)施較少，其用電設(shè)備也少，所以一般很少給風(fēng)力發(fā)電站提供專用的配電電源，特別是在風(fēng)力發(fā)電的塔筒內(nèi)，都是由塔筒內(nèi)部690V母線經(jīng)過降壓變壓器降壓后得到配電電源，供照明以及監(jiān)測(cè)設(shè)備等一些用電器使用。
由于使用環(huán)境氣象條件比較惡劣，需要用阻燃性和溫度范圍寬的器件。
針對(duì)其來源特點(diǎn)，可以看出其配電電源質(zhì)量決定于690V母線電源質(zhì)量和相關(guān)配電器件的性能。和常規(guī)電站有專用的配電電源相比對(duì)風(fēng)力發(fā)電的配電系統(tǒng)提出了更高的要求。
3 風(fēng)力發(fā)電配電系統(tǒng)的解決方案
3.1配電系統(tǒng)原理
在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的塔筒內(nèi)只有690V的母線會(huì)長(zhǎng)期帶電，成為了塔筒供電電源，通常只經(jīng)過690V:400V的變壓器降壓后直接給用電設(shè)備提供電源。配電系統(tǒng)原理圖如下：
如圖可見，整個(gè)400V電壓等級(jí)（三相四線制）的電源開關(guān)設(shè)備對(duì)下級(jí)用電系統(tǒng)的安全可靠性起到了舉足輕重的作用，選擇性能優(yōu)良參數(shù)匹配的開關(guān)保護(hù)設(shè)備對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤其重要。
3.2配電系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備的選擇
常見的配電保護(hù)產(chǎn)品有：微型斷路器、負(fù)荷開關(guān)、隔離開關(guān)、剩余電流動(dòng)作保護(hù)器等。現(xiàn)就其功能特點(diǎn)簡(jiǎn)述如下：
（1）微型斷路器
·具備過流保護(hù)
·具備開斷負(fù)荷的能力，以及一定的短路分?jǐn)嗄芰Α?/DIV>
·工作原理
·剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的分類
·剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的使用
·具備隔離負(fù)載的功能
·根據(jù)負(fù)載特性具備不同的脫扣特性
（2）負(fù)荷開關(guān)
·不具備保護(hù)功能
·具備開斷負(fù)荷的能力
·具備隔離負(fù)載的功能
（3）隔離開關(guān)
·不具備保護(hù)功能
·不具備開斷負(fù)荷的能力
·具備隔離負(fù)載的功能
（4）剩余電流動(dòng)作保護(hù)器
剩余電流動(dòng)作保護(hù)器俗稱“漏電開關(guān)”，具有微型斷路器的全部功能，還增加了漏電保護(hù)。現(xiàn)針對(duì)其漏電保護(hù)功能簡(jiǎn)述如下：
·工作原理
剩余電流動(dòng)作保護(hù)器主要包括檢測(cè)元件(零序電流互感器)、中間環(huán)節(jié)(包括放大器、比較器、脫扣器等)、執(zhí)行元件(主開關(guān)) 以及試驗(yàn)元件等幾個(gè)部分。
所有的電源進(jìn)線全部穿過零序電流互感器后供給負(fù)載使用。在被保護(hù)電路工作正常, 沒有發(fā)生漏電或觸電的情況下, 由基爾霍夫定律可知, 通過零序電流互感器一次側(cè)的電流相量和等于零，則零序電流互感器鐵心中的磁通的向量和也為零，如此在零序電流互感器的二次側(cè)就不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器認(rèn)為被保護(hù)回路運(yùn)行正常，執(zhí)行元件不動(dòng)作，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
當(dāng)被保護(hù)電路發(fā)生漏電或有人觸電時(shí), 由于漏電電流的存在, 通過零序電流互感器一次側(cè)電流的相量和不再等于零,產(chǎn)生了漏電電流。此漏電電流會(huì)在鐵心中產(chǎn)生交變磁通，導(dǎo)致二次側(cè)產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，信號(hào)經(jīng)中間環(huán)節(jié)進(jìn)行處理和比較, 當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí), 使主開關(guān)分勵(lì)脫扣器線圈通電, 驅(qū)動(dòng)主開關(guān)自動(dòng)跳閘, 切斷故障電路,從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)。
·剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的分類
剩余電流動(dòng)作保護(hù)器按脫扣方式不同分為電子式與電磁式兩類：
① 電磁脫扣型剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，以電磁脫扣器作為中間機(jī)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生漏電電流時(shí)使機(jī)構(gòu)脫扣斷開電源。 這種保護(hù)器缺點(diǎn)是：成本高、制作工藝要求復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)是：電磁元件抗干擾性強(qiáng)和抗沖擊（過電流和過電壓的沖擊）能力強(qiáng)；不需要輔助電源；零電壓和斷相后的漏電特性不變。
② 電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，以晶體管放大器作為中間機(jī)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生漏電時(shí)由放大器放大后傳給繼電器，由繼電器控制開關(guān)使其斷開電源。 這種保護(hù)器優(yōu)點(diǎn)是：靈敏度高（可到5mA）；整定誤差小，制作工藝簡(jiǎn)單、成本低。缺點(diǎn)是：晶體管承受沖擊能力較弱，抗環(huán)境干擾差；需要輔助工作電源（電子放大器一般需 要十幾伏的直流電源），使漏電特性受工作電壓波動(dòng)的影響；當(dāng)主電路缺相時(shí)，保護(hù)器會(huì)失去保護(hù)功能。
·剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的使用
① 根據(jù)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的工作原理得知，用電設(shè)備的電源線必須全部通過剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的零序電流互感器一次線圈，不然會(huì)人為的造成穿過零序電流互感器一次線圈的電流向量和不為零，引發(fā)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器誤動(dòng)作。
② 針對(duì)三相四線制配電系統(tǒng)，如果選取四級(jí)式剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，則不管電源中性線是否使用都必須接入保護(hù)器的輸入端。經(jīng)過漏電保護(hù)器的中性線不得作為保護(hù)線, 不得重復(fù)接地或接設(shè)備外露可導(dǎo)電部分。
③ 針對(duì)被保護(hù)對(duì)象功能的不同，應(yīng)當(dāng)選取不同動(dòng)作特性的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。對(duì)于干線，應(yīng)選用中靈敏度、延時(shí)型剩余電流動(dòng)作保護(hù)器；對(duì)于用電負(fù)荷的末端，應(yīng)該選用高靈敏度，快速型剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。
經(jīng)過上面各器件性能和特點(diǎn)的分析，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)配電的特點(diǎn)，選取剩余電流動(dòng)作保護(hù)器作為配電系統(tǒng)的主開關(guān)最為合適。
3.3 ABB剩余電流動(dòng)作保護(hù)器
ABB公司自1968年開始就成功的推出了模式化剩余電流保護(hù)器，至今已有近40年的歷史，現(xiàn)已有針對(duì)不同用電設(shè)備特點(diǎn)而配套的剩余電流保護(hù)器產(chǎn)品。
其電氣性能特點(diǎn)為：可對(duì)系統(tǒng)中的過載、短路、接地、漏點(diǎn)等故障提供綜合的保護(hù)。同時(shí)針對(duì)不同負(fù)載類型，具有不同動(dòng)作特性的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器與其配套使用。
其硬件殼體特點(diǎn)為：殼體材料具有阻燃性，和易分解性，如果發(fā)生火情時(shí)，殼體燒壞后不會(huì)影響其動(dòng)作部件的正常動(dòng)作；殼體還具備類似“鋼化玻璃”的特性，被撞擊后不會(huì)由于變形而影響動(dòng)作部件的正常動(dòng)作，只會(huì)自行分離成小塊脫落。
較好的溫度特性：工作溫度為-25℃～+55℃，儲(chǔ)存溫度為-40℃～+55℃。
綜合考慮ABB公司的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器各種性能，適合在風(fēng)力發(fā)電配電系統(tǒng)使用。由于負(fù)載類型多樣化，有三相負(fù)載也有單相負(fù)載，所以需要選擇三極和四級(jí)的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。
由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要部件均在塔筒內(nèi)，不可能長(zhǎng)期有專人職守，器件的可靠性顯得尤為重要，就算發(fā)生異常情況，也需要將事故帶來的后續(xù)影響減小的最小，例如元器件殼體損壞后動(dòng)作部件還能正常動(dòng)作顯得比較重要。ABB產(chǎn)品的這一特點(diǎn)，對(duì)異常事故后處理提供的一定的保障。
另外由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)使用環(huán)境較為惡劣要求器件的適用溫度范圍寬，針對(duì)這一特點(diǎn)ABB公司的器件對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性顯得比較重要。
4 結(jié)束語
本文只針對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器在風(fēng)力發(fā)電配電系統(tǒng)中的應(yīng)用作了簡(jiǎn)單介紹。隨著ABB低壓產(chǎn)品在市場(chǎng)上的推廣，相關(guān)產(chǎn)品的配套解決方案也將得到越來越多用戶的認(rèn)可。
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