风力发电系统中ABB剩余电流动作保护器的应用

　　1 引言

　　随着能源的日益匮乏，能源危机日益临近，倡导节约资源，大力倡导提高对可持续清洁能源的发展。风能就是其中关键的可持续发展的清洁能源。中国风能储量很大、分布面广，仅陆地上的风能储量约2.53亿千瓦。虽然中国对利用风力发电与其他国家风电行业的发展水平还有很大差距，但近年中国政府大力支持，积极推动风电产业的发展，相信不久的将来，中国的风力发电将成为其主要的供电来源之一。

　　2 风能特点

　　风能属于无污染的可再生能源，具有明显的环境效益，主要表现在它不排放任何有害气体和不消耗资源。从而不会引起人的各种疾病、产生酸雨、温室效应等毁灭性灾害。但同时，风又是一种过程性能源，具有较大的随机性、波动性和低密度性等特点。这又给风力发电的发展带来了一系列不利因素。它不像其它常规能源一样可以直接被储存，它只有当被转化成其它能源时才能被存储。尽管如此，风力发电不仅是目前风能利用的主流形式；又是在新能源开发利用中技术成熟、成本日益趋于降低、商业化规模的发电方式。风力发电之所以在全世界获得快速发展，除了能源需求增加，环保压力加大外，还因为风力发电本身具有独特的优点。归纳起风电具有下列优点：

　　（l）风能资源丰富

　　据统计，风能潜力约为目前用电量的5倍。美国0.6%的陆地面积安装风力发电机，便可以满足美国目前电力需求的20%。中因风力资源十分丰富，全国对1腼高度的风力估算约有1亿千瓦。

　　（2）风能是可再生能源

　　随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，而地球上可利用的常规能源日趋缺乏，常规能源必然是越用越少，总有一天要用尽的。但是从长远来看，风能是取之不尽。

　　（3）用之不竭的能源，清洁无污染

　　据“绿色和平”组织和欧洲风能协会组织估计，到2020年风力发电可提供世界电力需求的10%，创造170万个就业机会，降低二氧化碳排放量超过10万亿吨。

　　（4）施工周期短

　　风电场安装施工期很短。单台风机的运输安装时间不超过三个月，10Mw级风电场建设期不到一年，而且安装一台可投产一台。

　　（5）实际占地少，风电场机组与监控、对土地要求低

　　变电设备等建筑仅约占风电场1%，其余场地仍可供农、牧、渔使用，而且在山丘、海边、河堤、荒漠等地形条件下均可建设。

　　（6）风电场运行简单

　　风电场生产管理过程中自动化程度较高，可以无人值守。发电设备装机容量每万，瓦使用人数比火电少。

　　（7）风力发电技术比较成熟

　　近二十年来，美国、德国、丹麦、娜威等国家投入了大量的人力、物力和财力研’可以商业运营的风力机，取得了突破性的进展。可利用率从原来的50%提高到98%，能利用系数超过了40%，由于采用计算机技术，实现了风机自诊断功能，安全保护措一更加完善，并且实现了单机独立控制、多机群控和遥控。风机设计寿命可达20年，：的能达30年，维修工作量少。目前，百千瓦级风机已经商品化，投入批量生产，兆级机组也正小批量生产。

　　（8）风力发电具有经济性

　　据美国能源部2仪刃年统计，全世界风力发电机组单位kw造价已降为1}美元单位发电成本为4~7美分瓜从币，而火力发电单位k造价为700~歇X）美元，单位发成本为5一8美分瓜认币，因此风力发电可以和火力发电相竟争。而且随着风电事业的展和时间的推移，风电的价格还会呈下降的趋势。

　　3 风力发电配电系统的特点

　　与常规的火力发电站和水力发电站相比，风力发电站的配套设施较少，其用电设备也少，所以一般很少给风力发电站提供专用的配电电源，特别是在风力发电的塔筒内，都是由塔筒内部690V母线经过降压变压器降压后得到配电电源，供照明以及监测设备等一些用电器使用。

　　由于使用环境气象条件比较恶劣，需要用阻燃性和温度范围宽的器件。

　　针对其来源特点，可以看出其配电电源质量决定于690V母线电源质量和相关配电器件的性能。和常规电站有专用的配电电源相比对风力发电的配电系统提出了更高的要求。

　　4 风力发电配电系统的解决方案

　　4.1配电系统原理

　　在风力发电系统的塔筒内只有690V的母线会长期带电，成为了塔筒供电电源，通常只经过690V:400V的变压器降压后直接给用电设备提供电源。配电系统原理图如下：

　　整个400V电压等级（三相四线制）的电源开关设备对下级用电系统的安全可靠性起到了举足轻重的作用，选择性能优良参数匹配的开关保护设备对整个系统的安全稳定运行显得尤其重要。

　　4.2配电系统开关设备的选择

　　常见的配电保护产品有：微型断路器、负荷开关、隔离开关、剩余电流动作保护器等。现就其功能特点简述如下：

　　（1）微型断路器

　　具备过流保护

　　具备开断负荷的能力，以及一定的短路分断能力。

　　具备隔离负载的功能

　　根据负载特性具备不同的脱扣特性

　　（2）负荷开关

　　不具备保护功能

　　具备开断负荷的能力

　　具备隔离负载的功能

　　（3）隔离开关

　　不具备保护功能

　　不具备开断负荷的能力

　　具备隔离负载的功能

　　（4）剩余电流动作保护器

　　剩余电流动作保护器俗称“漏电开关”，具有微型断路器的全部功能，还增加了漏电保护。现针对其漏电保护功能简述如下：

　　工作原理

　　剩余电流动作保护器主要包括检测元件、中间环节、执行元件以及试验元件等几个部分。

　　所有的电源进线全部穿过零序电流互感器后供给负载使用。在被保护电路工作正常， 没有发生漏电或触电的情况下， 由基尔霍夫定律可知， 通过零序电流互感器侧的电流相量和等于零，则零序电流互感器铁心中的磁通的向量和也为零，如此在零序电流互感器的二次侧就不会产生感应电动势，剩余电流动作保护器认为被保护回路运行正常，执行元件不动作，系统稳定运行。

　　当被保护电路发生漏电或有人触电时， 由于漏电电流的存在， 通过零序电流互感器侧电流的相量和不再等于零，产生了漏电电流。此漏电电流会在铁心中产生交变磁通，导致二次侧产生了感应电动势，信号经中间环节进行处理和比较， 当达到预定值时， 使主开关分励脱扣器线圈通电， 驱动主开关自动跳闸， 切断故障电路，从而实现保护。

　　剩余电流动作保护器的分类

　　剩余电流动作保护器按脱扣方式不同分为电子式与电磁式两类：

　　①电磁脱扣型剩余电流动作保护器，以电磁脱扣器作为中间机构，当发生漏电电流时使机构脱扣断开电源。 这种保护器缺点是：成本高、制作工艺要求复杂。优点是：电磁元件抗干扰性强和抗冲击（过电流和过电压的冲击）能力强；不需要辅助电源；零电压和断相后的漏电特性不变。

　　②电子式剩余电流动作保护器，以晶体管放大器作为中间机构，当发生漏电时由放大器放大后传给继电器，由继电器控制开关使其断开电源。 这种保护器优点是：灵敏度高；整定误差小，制作工艺简单、成本低。缺点是：晶体管承受冲击能力较弱，抗环境干扰差；需要辅助工作电源，使漏电特性受工作电压波动的影响；当主电路缺相时，保护器会失去保护功能。

　　剩余电流动作保护器的使用

　　①根据剩余电流动作保护器的工作原理得知，用电设备的电源线必须全部通过剩余电流动作保护器的零序电流互感器线圈，不然会人为的造成穿过零序电流互感器线圈的电流向量和不为零，引发剩余电流动作保护器误动作。

　　②针对三相四线制配电系统，如果选取四级式剩余电流动作保护器，则不管电源中性线是否使用都必须接入保护器的输入端。经过漏电保护器的中性线不得作为保护线， 不得重复接地或接设备外露可导电部分。

　　③针对被保护对象功能的不同，应当选取不同动作特性的剩余电流动作保护器。对于干线，应选用中灵敏度、延时型剩余电流动作保护器；对于用电负荷的末端，应该选用高灵敏度，快速型剩余电流动作保护器。

　　经过上面各器件性能和特点的分析，针对风力发电系统配电的特点，选取剩余电流动作保护器作为配电系统的主开关为合适。

　　4.3 ABB剩余电流动作保护器

　　ABB公司自1968年推出了模式化剩余电流保护器，现已有针对不同用电设备特点而配套的剩余电流保护器产品。

　　其电气性能特点为：可对系统中的过载、短路、接地、漏点等故障提供综合的保护。同时针对不同负载类型，具有不同动作特性的剩余电流动作保护器与其配套使用。

　　其硬件壳体特点为：壳体材料具有阻燃性，和易分解性，如果发生火情时，壳体烧坏后不会影响其动作部件的正常动作；壳体还具备类似“钢化玻璃”的特性，被撞击后不会由于变形而影响动作部件的正常动作，只会自行分离成小块脱落。

　　较好的温度特性：工作温度为-25℃～+55℃，储存温度为-40℃～+55℃。

　　综合考虑ABB公司的剩余电流动作保护器各种性能，适合在风力发电配电系统使用。由于负载类型多样化，有三相负载也有单相负载，所以需要选择三极和四级的剩余电流动作保护器。

　　由于风力发电系统主要部件均在塔筒内，不可能长期有专人职守，器件的可靠性显得尤为重要，就算发生异常情况，也需要将事故带来的后续影响减小的。ABB产品的这一特点，对异常事故后处理提供的一定的保障。

　　另外由于风力发电系统使用环境较为恶劣要求器件的适用温度范围宽，针对这一特点ABB公司的器件对环境的适应性显得比较重要。

　　5 结束语

　　本文对常用的低压配电开关器件作了比较，而后根据风力发电系统的特点，对其配电系统的解决方案进行了初步探讨。