CN209637944U - 一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于风力发电技术领域，公开了一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置；设置有弧光传感器；弧光传感器通过螺丝固定在发电机的主轴盖内侧；弧光传感器电连接有弧光信号采集处理主机，弧光信号采集处理主机内通过螺丝固定有主控芯片，弧光信号采集处理主机通过螺栓固定于发电机内部。本实用新型通过设置弧光传感器和弧光信号采集处理主机，其弧光传感器对光电信号进行滤波和编码，传输给弧光信号采集处理主机，弧光信号采集处理主机采用高速浮点DSP进行对弧光信号的处理，保护动作快、可靠性高，可以将故障损失降到最低，为快速处理事故、恢复供电创造条件，填补了国内风力发电机组内部定子、转子绕组保护的一个空白。

Description

一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置

技术领域

本实用新型属于风力发电技术领域，尤其涉及一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

风力发电近几年才得到大规模应用，推广初期，因为风力发电机容量一般都比较小，风力发电机都没有配置专门的保护。随着风力发电项目的增多，风力发电机的容量的也不断增大。目前应用比较广泛的直驱式同步发电机单机容量2MW，最大的单机可以做到5MW甚至10MW。但是，风力发电机的保护却没有得到相应的重视。以目前应用最多的2MW机组为例，发电机在绕组内部预埋了温度传感器，发电机的各种故障通过温度继电器来切除，温度保护存在惯性环节，响应速度慢。

直驱式风力发电机一般装设在高原或沿海地区较多，高原地区设备绝缘条件差，发生绝缘击穿短路的概率大。风力发电机如果装设在海上，更容易受潮。发电机发生外部短路时，会引起发电机内部绕组过流，温度保护会动作。但温度保护动作慢，即使切除故障，绕组仍可能因过流而损坏。如果绕组发生内部相间短路、相对地短路，由于风力发电机中性点侧没有引出，无法测量中性点的电流，所以无法配置差动保护，电机绕组有可能烧毁。

风力发电机内部短路故障时有发生，有相间短路，也有相对地短路。一旦发生故障，只有更换绕组，不但造成了发电损失，而且带来了高额的更换维修费用。

直驱式发电机内部短路电流与短路性质和短路位置有很大关系，但一般都会造成弧光放电，弧光对设备的损害与其持续的时间有很大的关系，当弧光时间超过100ms时，弧光产生的能量指数级别上升。即使是小电流故障也能产生弧光，当发生非金属性短路故障时，故障电流可能很小，但如不及时切除故障，完全可能发展成直接短路直至烧毁发电机。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)发电机采用温度保护时，由于温度保护存在惯性环节，响应速度慢，无法及时切除故障，容易造成短路直至烧毁发电机。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置。

本实用新型是这样实现的，一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置设置有：

弧光传感器；

弧光传感器通过螺丝固定在发电机的主轴盖内侧；

弧光传感器电连接有滤波电路，滤波电路电连接有放大电路，放大电路电连接有光电隔离电路，光电隔离电路与弧光信号采集处理主机电连接；

弧光信号采集处理主机外侧嵌装有测控板和人机交互面板，测控板内部设置有CPU供电电路、弧光信号采集电路、控制输出电路和通信电路；人机交互面板设置有单片机，单片机电连接有5路LED电路、7路按键电路、LCD电视电路以及与测控板通信电路；

弧光信号采集处理主机电连接有报警器，弧光信号采集处理主机通过螺栓固定于发电机内部。

本实用新型通过设置弧光传感器和弧光信号采集处理主机，当发电机内部发生各种短路故障(相间短路、接地短路)时，通过传感器采集短路时产生的弧光物理量，其弧光传感器对光电信号进行滤波和编码，传输给弧光信号采集处理主机，弧光信号采集处理主机发出跳闸信号或者告警信号(可选择)，从而切断发电机运行。风力发电机弧光保护内部故障的动作时间为7～10ms，远快于传统的温度保护，可在绕组大面积烧毁或者损坏之前进行保护，为快速处理事故，恢复供电创造条件，通过人机交互面板可以显示测控板所采集的数据、修改测控板参数、就地告警显示等。

进一步，通信电路中设置有两个相互独立的通信模块，一个模块与人机交互面板通过一路RS485接口就地通信，另一个模块与远程监控计算机通过另一路RS485接口通信。

进一步，弧光传感器共设置有八个，平均分布安装在发电机前后两端主轴盖内侧开设的安装孔内。

本实用新型通过在发电机前端盖板和后端盖板均匀开设有安装孔，通过安装孔可以方便安装弧光传感器，均匀分布安装能够全面实时的监测发电机的内部情况，以便出现故障时快速做出反应，及时处理，降低故障损失。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的用于直驱式风力发电机的弧光保护装置连接示意图；

图2是本实用新型实施例提供的弧光传感器结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的弧光信号采集处理主机结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的安装孔结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的用于直驱式风力发电机的弧光保护装置工作原理图；

图6是本实用新型实施例提供的弧光信号处理流程图；

图中：1、弧光传感器；2、弧光信号采集处理主机；3、发电机主轴盖；4、安装孔。

图7是本实用新型实施例提供的光耦器件原理图。

图8是本实用新型实施例提供的控制输出电路原理图。

图9是本实用新型实施例提供的STM32与液晶屏接口电路原理图。

图10是本实用新型实施例提供的LED电路原理图。

图11是本实用新型实施例提供的按键输入电路原理图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

如图1至图6所示，本实用新型实施例提供的用于直驱式风力发电机的弧光保护装置包括：弧光传感器1、弧光信号采集处理主机2、发电机主轴盖3、安装孔4。

弧光传感器1通过螺丝固定在发电机的主轴盖3内侧；弧光传感器1设置有光敏元件、转换元件、基本转换电路、门槛电路；弧光传感器1电连接有弧光信号采集处理主机2，弧光信号采集处理主机2内通过螺丝固定有主控芯片，主控芯片电连接有报警装置和保护装置，弧光信号采集处理主机2通过螺栓固定于发电机内部。

进一步，弧光传感器1共设置有八个，平均分布安装在前后两端主轴盖内侧开设的安装孔4内。

8个传感器分2组分别安装在发电机前后两端的主轴盖上；在前端主轴盖上由厂家预留正对气息位置的开孔，由电机厂家预留安装槽，开孔直径约为10mm，将弧光探头分别插入开孔内检测是否产生弧光，开孔位置如图3。

同理，在后端主轴盖上由厂家预留正对气息位置的开孔，由电机厂家预留安装槽，开孔直径约为10mm，插入弧光探头。弧光传感器是探测弧光的光感应元件，当绕组发生电弧光故障时，光强度大幅度增加，弧光传感器将光信号转换成电信号传送给保护单元。开孔位置如图3。

设计具有非线性特性的弧光传感器由光敏元件、转换元件、基本转换电路、门槛电路组成，将探测到的光强高于3000lux的弧光信号传送给主控单元，弧光传感器的大小和外形结构如图1。

弧光信号采集处理主机对弧光信号进行处理，每个弧光传感器可单独选择投入或退出。每个弧光传感器回路出现故障时保护系统都会发出告警信号，保护单元能精确定位到哪个传感器出现故障，弧光信号采集处理主机大小和结构如图2。

备有8路弧光信号检测，每一个弧光信号通道设计的接口和结构相同，实现的功能也相同，其主要流程为：弧光传感器检测是否当前有电弧光产生，如果有则将电弧光信号转化为电信号，通过前级滤波电路将信号滤波，再通过放大电路将信号放大后传输给DSP进行相应处理，如图6所示。

本实用新型的工作原理是：

永磁同步风力发电机内部定子侧发生相间短路、相对地短路时，会伴随着电弧光的产生，弧光能在1ms内很快产生。不光在低阻抗短路的情况下会产生燃弧现象，在相应的高阻抗和低电流情况下，一旦满足起弧机理条件，同样会燃弧，在燃弧的同时，由于空气电离的作用，会促使附近电阻迅速发生变化，弧光电阻将会逐步接近于0欧。

发电机舱内部是一个密闭黑暗的环境，这为弧光探头快速检测内部绕组生的弧光提供了有利的条件。当检测到发电机内部有弧光信号时，弧光传感器将光信号转换成电信号传送给保护主控单元。通过检测弧光的原理保护发电机内部故障，能有效解决风力发电机无法安装差动保护的缺陷，且动作速度更快。

弧光保护系统的告警或者动作判据为故障时产生的条件为电弧光。当检测到发电机内部产生弧光号时，信号会通过弧光传感器的电缆传输到主控单元，此时主控单元可以根据设定发出跳闸指令或者告警信息。

主控单元通过程序的编写能拥有持续的系统自检，当弧光传感器出现断线等故障时，能发出弧光传感器故障的告警信号。主控单元能够显示故障点定位，控制部分可显示弧光点的位置，方便快速处理故障、恢复供电。

当发电机绕组内部发生短路时，通过弧光检测能迅速判断出故障并发出跳闸信号。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种用于直驱式风力发电机的弧光保护装置，其特征在于，所述用于直驱式风力发电机的弧光保护装置设置有：

弧光传感器；

弧光传感器通过螺丝固定在发电机的主轴盖内侧；

弧光传感器设置有光敏元件、转换元件、基本转换电路、门槛电路；

弧光传感器电连接有弧光信号采集处理主机，弧光信号采集处理主机内通过螺丝固定有主控芯片，主控芯片电连接有报警装置和保护装置，弧光信号采集处理主机通过螺栓固定于发电机内部。

2.如权利要求1所述的用于直驱式风力发电机的弧光保护装置，其特征在于，弧光传感器共设置有八个，平均分布安装在前后两端主轴盖内侧开设的安装孔内。

3.如权利要求1所述的用于直驱式风力发电机的弧光保护装置，其特征在于，通信电路中设置有两个相互独立的通信模块，一个模块与人机交互面板通过一路RS485接口就地通信，另一个模块与远程监控计算机通过另一路RS485接口通信。