（CS37 浙江正泰电器股份有限公司）

1.风力发电的前景

在自然界中，风能是一种可再生、绿色无污染、能量巨大、储量无限的绿色清洁能源，风能的利用前景广阔，大力发展绿色清洁能源，是世界各国的战略选择。我国风能资源丰富，主要集中在东北、华北、西北和东南沿海地区，这些地区具有建设大型风电场的资源条件（见图1）。风力发电是风能利用的主要形式，自20世纪80年代以来，风力发电技术发展迅速，已经比较成熟，大量建设风电场，将风能转换为电能，通过输变电设备，将电能送入电网中，风能得到充分利用。风力发电具备规模开发和商业发展的条件，应用前景十分广阔。

图1 风电场

2.万能式断路器在风力发电系统中的作用及功能

NA1系列万能式断路器是一种广泛用于风力发电场中的重要低压电器设备，作为风力发电系统中的核心控制元件，担负着使风电场各设备免受过载、欠电压、短路与单相接地等故障危害的任务，电网中出现故障时及时切断故障电流，保护电网中的电器设备的安全运行。

1）万能式断路器的过电流保护特性功能

NA1系列万能式断路器的各种保护和控制功能，是通过其内部核心元件智能控制器来实现的，智能控制器采用单片机系统，通过软件编程来实现各种保护和控制功能。

智能控制器，硬件上以单片机为核心，由电源模块、检测传感器、AD转换模块、实时处理模块、显示模块、人机交换模块、保护执行模块等组成，采用模块化编程，由测量模块、计算分析模块、保护算法模块等组成，采用主程序与中断程序结合的方法编程思想，来实现万能式断路器的过载长延时、短路短延时、特大短时瞬时及单相接地故障等保护功能。

万能式断路器的保护过程如下：

智能控制器由电子部分、基座和互感器等构成，互感器安装在智能型万能式断路器内部的母线上，用于检测主回路的电流，互感器输出毫伏级电压信号。互感器引线与智能控制器的电子部分相连，将互感器检测到的信号提供的电子部分。电子部分内部的单片机通过执行程序对互感器提供的信号进行实时处理，通过执行程序作出判断，需要进行保护时，输出一个脱扣信号给磁通变换器。磁通变换器安装在智能控制器基座上，通过推杆与断路器的操作机构配合，磁通变换器收到脱扣信号后立即动作，推动操作机构的分闸半轴，产品断开，进行保护。

智能控制器原理图如图2所示。

图2 智能控制器原理

智能控制器具有四段保护功能，即过载长延时、短路短延时、特大短路瞬时、单相接地故障四段保护功能。过载长延时电流整定范围I_R＝（0.4～1）I_n；1.5I_R过载长延时时间整定范围t_L＝（15～480）s；短路短延时电流整定范围I_sd＝（1.3～15）I_R；短路短延时时间整定范围t_sd＝（0.1～0.4）s；特大短路瞬时电流整定范围I_i＝1.3I_n～50/65/75kA；单相接地故障电流整定范围I_g＝（0.2～0.8）I_n；单相接地故障延时时间整定范围tan＝（0.1～0.4）s。四段保护功能的保护动作曲线如图3所示。

2）万能式断路器的通讯功能

万能式断路器具有通信功能时，可通过RS485通信接口，按照Modbus-RTU或Profibus-DP通信协议，上位机可对万能式断路器实现四遥功能，即遥测、遥信、遥控、遥调。

四遥功能介绍如下：

① 遥测：上位机能实时显示各断路器检测的电流、电压、功率、频率等参数。

② 遥控：在上位机上发出合闸、分闸指令，对断路器进行合闸、分闸操作，实现电路的接通与断开。

③ 遥调：在上位机上能对各断路器的各种保护参数进行调节，以满足系统的保护要求。

④ 遥信：上位机能及时正确地反映出各断路器的合分闸状态信号、保护动作信号、故障报警信号以及其他的异常信号。

具有通信功能的万能式断路器，组网时，连接示意图如下：

采用Modbus-RTU协议组网时，通信连接示意图如图4所示。

采用Profibus-DP协议组网时，通信连接示意图如图5所示。

在风电场，一般风机距控制室都很远，去现场操作非常不便。采用通信型万能式断路器后，经过组网，控制室的主机可对风电场的多台万能式断路器实现四遥功能，实现集中控制，在控制室中通过主机就可对风电场中的各台断路器实现各种操作，非常方便。

3.万能式断路器在风力发电系统中应用发现的问题(www.daowen.com)

在风电项目中，NA1系列产品配套的欧式箱变和美式箱变在全国多个风电场得到了广泛使用，总体应用情况良好，极个别产品在调试和使用过程中发现一些问题，情况如下：

图3 保护动作曲线

图3 （续）

图4 通信连接示意图（Modbus-RTU协议）

1）智能型控制器误动作

风力发电机输出的电能如需并网，则必须跟踪电网的电压、频率和相位，风力发电机发出的交流电能经过整流后，由并网逆变器将电能馈送至电网。风力的大小决定着风力发电机的输出能量，即输出电流的大小最终只能取决于风力的大小。

a）过载长延时误动作：风力发电机输出的电流随风力的大小而波动，风力较大时，输出电流有时会超过智能控制器的过载长延时保护设定值，触发智能控制器的长延时保护功能，长延时保护具有模拟双金属片的热记忆功能，电流所产生的热容被记忆，并进行累加，风力减小时，输出电流减小，电流所产生的热容按照冷却曲线减小，在热容未被衰减完时又发生波动时，热容会从未被衰减完的值的基础上进行累加。虽然每次波动的时间很短，未超过过载长延时整定值，但经过几次波动后，就会引起智能控制器的热容值达到过载长延时动作值而进行保护，就产生了风力发电中正常的电流波动却被错误地进行过载保护的情况。

图5 通信连接示意图（Profibus-DP协议）

b）电流不平衡保护误动作：电流不平衡保护是对主回路电流断相或三相电流不平衡进行保护，根据三相电流之间的不平衡率进行保护动作。

不平衡率计算方法：

式中，I_avg为I₁、I₂、I₃三相电流真有效值（RMS）的平均值（）；E_max为每相电流与I_avg之间的最大差值。

智能控制器对互感器检测到得电流进行计算时，为了保证电流精度，有一个最小显示值的要求，电流大于最小显示值时，按照实际电流值进行处理，智能控制器显示窗口显示实际检测电流，电流小于等于最小显示值时，按照0A电流进行处理，智能控制器显示窗口0A。风力较大时，风力发电机输出的电流达到几百安至一千多安，智能控制器的不平衡保护满足使用要求。风力较小时，风力发电机输出的电流很小，此时电流只有几十安至一百多安左右，当其中1相或2相电流小于等于最小显示值，智能控制器按0A处理，而其余相电流大于最小显示值，智能控制器按实际电流处理，根据上述电流不平衡保护计算公式，就会发生三相不平衡率本来很小，经过智能控制器处理后，三相不平衡率却变得很大，超过智能控制器的不平衡保护设定值，控制器进行保护，就产生了风力发电中平衡的三相电流却被错误地进行不平衡保护的情况。

2）万能式断路器出现故障

风力发电系统发出的电能，需跟踪电网的电压、频率和相位，经过交流-直流-交流的逆变过程，才能并网，主电路中电压等级高，伴有高次谐波出现，对风电系统中的电器元件提出更高的要求。常规配电产品已不能满足在风电系统中使用的要求，否则将有可能引起产品出现短路故障等引起烧毁。

4.针对在风力发电系统中应用的风电专用型万能式断路器的改进

风电系统是一个特殊的发电系统，对断路器有特殊要求，常规配电产品已经不能满足要求，针对风电系统的特殊性，对产品进行改进，提高产品可靠性。

1）智能控制器程序改进

a）内部热记忆时间更改：智能控制器的过载长延时保护功能和短路短延时功能，具有模拟双金属片散热曲线的热记忆功能，为了解决风力发电系统中输出电流随风力大小波动引起智能控制器误动作的问题，对智能控制器的热记忆功能进行改进，过载长延时和短路短延时的热记忆时间缩短，防止了风力发电中正常的电流波动引起智能控制器误动作。

b）不平衡保护加限制条件：对智能控制器的不平衡保护功能进行改进，程序中增加判定条件，I₁、I₂、I₃各相电流中至少有1相的电流必须达到大于等于长延时保护最小整定值，不平衡保护功能才启动，否则，不平衡保护功能不启动，即使控制器内部计算的三相电流不平衡率达到设定值也不进行保护，解决风力发电系统中小电流波动时引起智能控制器不平衡保护误动作的问题。

c）瞬时保护特性更改：对智能控制器的瞬时保护功能进行改进，由峰值算法改为有效值算法，超过设定值后，连续采样的点数增多，解决风力发电系统中瞬间过电流引起智能控制器误动作的问题，提高保护可靠性。

2）万能式断路器改进

a）抽屉座限制件改进：万能式断路器抽屉式产品由本体和抽屉座组成，把断路器本体由合闸状态从试验位置向连接位置摇进时，抽屉座中有联锁装置，断路器本体的隔离触头与抽屉座触桥接通前，主触头应先分闸。在断路器本体主触头刚分闸的瞬间，本体的隔离触头与抽屉座触桥的距离较小，在普通配电系统中完全满足要求，不会出现问题。在风力发电系统中，由于电压较高，有可能引起本体的隔离触头与抽屉座触桥之间的间隙，由于某种原因如过电压、高次谐波等引起该间隙发生绝缘击穿，引起抽屉座烧毁。对抽屉座内的限制件进行改进，增大本体的隔离触头与抽屉座触桥之间的间隙，提高抽屉式产品可靠性。

b）增加接线端子防护罩：万能式断路器的进端接线端子和出线接线端子之间距离较小，配电柜中铜排与万能式断路器的接线端子连接后，需用螺栓进行紧固，从而导致进出线接线端子紧固螺钉之间间隙较小。在风力发电系统中，由于电压较高，有可能引起螺钉之间的间隙，在某种特殊原因下如过电压、高次谐波等发生绝缘击穿，从而螺钉之间发生短路，引起万能式断路器接线端子处发生烧毁事故。为了增大进出线接线端子紧固螺钉之间的电气间隙，增加接线端子防护罩，将接线端子铜排紧固螺钉完全防护起来，以提高万能式断路器的可靠性。

（作者：浙江正泰电器股份有限公司 王克明 王跃鹏）