北京利德華福電氣技術有限公司  寇斐

 

摘要：本文對常用的低壓配電開關器件作了比較，而后根據風力發電系統的特點，對其配電系統的解決方案進行了初步探討。

關鍵詞：風力發電  剩余電流動作保護器

    隨著地球常規資源的日益匱乏，全球倡導節約資源，一種環保清潔的可再生能源--風能，在這個能源短缺的時代扮演了重要的角色。中國政府也提出建設節約型社會、環保型社會，對風力發電行業提供了很大的發展空間。中國風能儲量很大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量約2.53億千瓦。雖然中國對利用風力發電與其他國家風電行業的發展水平還有很大差距，但近年中國政府大力支持，積極推動風電產業的發展，相信不久的將來，中國的風力發電將成為其主要的供電來源之一。

    與常規的火力發電站和水力發電站相比，風力發電站的配套設施較少，其用電設備也少，所以一般很少給風力發電站提供專用的配電電源，特別是在風力發電的塔筒內，都是由塔筒內部690V母線經過降壓變壓器降壓后得到配電電源，供照明以及監測設備等一些用電器使用。

    由于使用環境氣象條件比較惡劣，需要用阻燃性和溫度范圍寬的器件。

    針對其來源特點，可以看出其配電電源質量決定于690V母線電源質量和相關配電器件的性能。和常規電站有專用的配電電源相比對風力發電的配電系統提出了更高的要求。

3.1配電系統原理

    在風力發電系統的塔筒內只有690V的母線會長期帶電，成為了塔筒供電電源，通常只經過690V:400V的變壓器降壓后直接給用電設備提供電源。配電系統原理圖如下：

    如圖可見，整個400V電壓等級（三相四線制）的電源開關設備對下級用電系統的安全可靠性起到了舉足輕重的作用，選擇性能優良參數匹配的開關保護設備對整個系統的安全穩定運行顯得尤其重要。

3.2配電系統開關設備的選擇

    常見的配電保護產品有：微型斷路器、負荷開關、隔離開關、剩余電流動作保護器等。現就其功能特點簡述如下：

（1）微型斷路器 

 ·具備過流保護

 ·具備開斷負荷的能力，以及一定的短路分斷能力。

 ·具備隔離負載的功能

 ·根據負載特性具備不同的脫扣特性

（2）負荷開關

 ·不具備保護功能

 ·具備開斷負荷的能力

 ·具備隔離負載的功能

（3）隔離開關

 ·不具備保護功能

 ·不具備開斷負荷的能力

 ·具備隔離負載的功能

（4）剩余電流動作保護器

    剩余電流動作保護器俗稱“漏電開關”，具有微型斷路器的全部功能，還增加了漏電保護。現針對其漏電保護功能簡述如下：

 ·工作原理

    剩余電流動作保護器主要包括檢測元件(零序電流互感器)、中間環節(包括放大器、比較器、脫扣器等)、執行元件(主開關) 以及試驗元件等幾個部分。

所有的電源進線全部穿過零序電流互感器后供給負載使用。在被保護電路工作正常, 沒有發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就不會產生感應電動勢，剩余電流動作保護器認為被保護回路運行正常，執行元件不動作，系統穩定運行。

當被保護電路發生漏電或有人觸電時, 由于漏電電流的存在, 通過零序電流互感器一次側電流的相量和不再等于零,產生了漏電電流。此漏電電流會在鐵心中產生交變磁通，導致二次側產生了感應電動勢，信號經中間環節進行處理和比較, 當達到預定值時, 使主開關分勵脫扣器線圈通電, 驅動主開關自動跳閘, 切斷故障電路,從而實現保護。

 ·剩余電流動作保護器的分類

    剩余電流動作保護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作保護器，以電磁脫扣器作為中間機構，當發生漏電電流時使機構脫扣斷開電源。 這種保護器缺點是：成本高、制作工藝要求復雜。優點是：電磁元件抗干擾性強和抗沖擊（過電流和過電壓的沖擊）能力強；不需要輔助電源；零電壓和斷相后的漏電特性不變。 

   ② 電子式剩余電流動作保護器，以晶體管放大器作為中間機構，當發生漏電時由放大器放大后傳給繼電器，由繼電器控制開關使其斷開電源。 這種保護器優點是：靈敏度高（可到5mA）；整定誤差小，制作工藝簡單、成本低。缺點是：晶體管承受沖擊能力較弱，抗環境干擾差；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的影響；當主電路缺相時，保護器會失去保護功能。

 ·剩余電流動作保護器的使用

   ① 根據剩余電流動作保護器的工作原理得知，用電設備的電源線必須全部通過剩余電流動作保護器的零序電流互感器一次線圈，不然會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，引發剩余電流動作保護器誤動作。

   ② 針對三相四線制配電系統，如果選取四級式剩余電流動作保護器，則不管電源中性線是否使用都必須接入保護器的輸入端。經過漏電保護器的中性線不得作為保護線, 不得重復接地或接設備外露可導電部分。

   ③ 針對被保護對象功能的不同，應當選取不同動作特性的剩余電流動作保護器。對于干線，應選用中靈敏度、延時型剩余電流動作保護器；對于用電負荷的末端，應該選用高靈敏度，快速型剩余電流動作保護器。

     經過上面各器件性能和特點的分析，針對風力發電系統配電的特點，選取剩余電流動作保護器作為配電系統的主開關最為合適。

3.3  ABB剩余電流動作保護器

    ABB公司自1968年開始就成功的推出了模式化剩余電流保護器，至今已有近40年的歷史，現已有針對不同用電設備特點而配套的剩余電流保護器產品。

    其電氣性能特點為：可對系統中的過載、短路、接地、漏點等故障提供綜合的保護。同時針對不同負載類型，具有不同動作特性的剩余電流動作保護器與其配套使用。

其硬件殼體特點為：殼體材料具有阻燃性，和易分解性，如果發生火情時，殼體燒壞后不會影響其動作部件的正常動作；殼體還具備類似“鋼化玻璃”的特性，被撞擊后不會由于變形而影響動作部件的正常動作，只會自行分離成小塊脫落。

    較好的溫度特性：工作溫度為-25℃～+55℃，儲存溫度為-40℃～+55℃。

    綜合考慮ABB公司的剩余電流動作保護器各種性能，適合在風力發電配電系統使用。由于負載類型多樣化，有三相負載也有單相負載，所以需要選擇三極和四級的剩余電流動作保護器。

    由于風力發電系統主要部件均在塔筒內，不可能長期有專人職守，器件的可靠性顯得尤為重要，就算發生異常情況，也需要將事故帶來的后續影響減小的最小，例如元器件殼體損壞后動作部件還能正常動作顯得比較重要。ABB產品的這一特點，對異常事故后處理提供的一定的保障。

    另外由于風力發電系統使用環境較為惡劣要求器件的適用溫度范圍寬，針對這一特點ABB公司的器件對環境的適應性顯得比較重要。

本文只針對剩余電流動作保護器在風力發電配電系統中的應用作了簡單介紹。隨著ABB低壓產品在市場上的推廣，相關產品的配套解決方案也將得到越來越多用戶的認可。