风电专用接触器电寿命监控和预警装置的研究

周云红, 李志宏

(1.南京工程学院 电力工程学院, 南京 210000;2.上海良信电器股份有限公司, 上海 201206)

0 引 言

目前,在可再生能源的利用中,风力发电技术最适用于大规模发电,在实际应用中最广泛[1-2]。风力发电机是将风能转换成机械能,继而转化为电能的装置。风轮叶片在风的作用下使风轮旋转,将风能转换成机械能,再通过传动系统和电磁转化将机械能转成为电能。

1 风力发电系统

风力发电系统由电气传动系统、电网联接系统、风机控制和保护系统、偏航与变桨系统、雷电保护系统、液压和冷却系统、辅助系统等组成。

风力发电系统基本可分为两种类型:恒速恒频(CSCF)风力发电系统,变速恒频(VSCF)风力发电系统。当发电机将风能转化为电能然后给电网供电时,只有发电机输出的电能满足与电网电能的频率保持一致,才能实现并网。即使风速发生变化,发电机也要保持转速不变化,从而使其输出电能的频率仍与电网电能的频率保持一致,这种系统称为恒速恒频风力发电系统。当风速发生变化时,发电机转速随风速的变化而发生改变,再运用控制方法使其输出电能的频率仍与电网电能的频率保持一致,这种系统称为变速恒频风力发电系统。

变速恒频风力发电系统有多种,如交流-直流-交流系统、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统等,这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的,有的是通过改造发电机本身机构而实现变速恒频的。

2 双馈发电系统

双馈发电系统是一种变速恒频系列,采用的发电机为转子交流励磁双馈发电机,其结构与绕线式异步电机类似。当风速变化引起转速变化时,控制转子电流的频率,可使定子频率恒定,即应满足:

f1=pfm±f2

式中:f1——定子电流频率,与电网频率相同;

fm——转子机械频率,fm=n/60;

p——电机的极对数;

f2——转子的电流频率。

双馈型风力发电机系统示意如图1所示,定子绕组接工频电网,转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源激励,一般采用交-直-交变流器。双馈发电机可以在不同的风速下运行,其转速可以随风速的变化做相应的调整,使风机运行始终处于最佳状态,提高风能的利用率。同时通过控制馈入转子绕组的电流参数,不仅可以保持定子输出的电压和频率不变,还可以调节电网的功率因数,提高系统的稳定性。双馈发电机能变速恒频运行,实现机组和电网的柔性连接,从而大大缓解机组轴系的机械应力,并降低系统成本。

图1 双馈型风力发电机系统示意

双馈型风力发电机通过直接连接电网的定子馈入2/3额定功率,通过转子馈入1/3额定功率。变流器用于控制发电机的速度和功率因数,允许机组工作在更宽的发电速度范围,同时产生无功功率,以支撑电网的能力。电气传动系统分为定子主回路、主励磁回路和起动回路,元器件通常都在变流器柜中。

定子回路中一般选用万能式断路器或塑壳断路器用于保护发电机和电缆,提供快速、可靠的短路和过载保护,还为发电机维修提供隔离。风机运行过程中经常处于非额定状态,导致主回路频繁切换,每年高达2 000～5 000次,所以采用风电专用接触器来分合切换发电机主回路和断路器配合,能够延长断路器的使用年限。

转子电路的励磁电路由变流器控制。变流器的电网侧安装接触器,用于电路的分合切换,同时也可以加装断路器或熔断器,起到线路的保护及与接触器短路保护配合。

双馈式风力发电机组采用的断路器控制器具备触头磨损报警功能,能够及时提醒用户断路器触头的状态,但接触器却不具备该功能。接触器作为分合切换定子和转子回路的关键元器件,如果出现主触头磨损严重,不能及时得到维护和更换,影响机组的可靠性和持续性,所以对风电专用大功率接触器寿命监控及预警系统进行深入的研究。

3 风电接触器电寿命和预警系统理论研究

3.1 接触器寿命指标分析

使用寿命是反映接触器和断路器等执行元件运行可靠性的一项重要性能指标,而影响使用寿命的决定性因素是触头的电磨损[3-6]。在断路器使用寿命监测方面,一种比较简便的方法是根据断路器的电寿命曲线对分断电流加权累计,但由于断路器单次分断电流相差很大,触头烧损机制不同,损伤量差别很大,因此单纯考虑累积的分断电流不能取得理想的监测效果。文献[3]提出相对电磨损的概念,即在总磨损量保持一定的基础上,通过对断路器每一次分断时的相对电磨损量进行累积,来判断剩余电寿命,然而影响触头的电磨损量不仅是分断电流,还包括燃弧时间。针对这一问题,文献[4]考虑燃弧时间,改进高压断路器的电寿命监测方法。

在接触器使用寿命监测方面,文献[7]对交流接触器的分断电流和燃弧时间进行监测,根据触头的电磨损机制,研究任意分断电流下的电磨损计算方法,可以较准确地预测交流接触器的剩余电寿命。国内部分企业及科研机构也对接触器的寿命监控进行研究。例如,西安开天铁路牵引电器有限公司2010年公布一种带计数器的电磁接触器,有助于减少机车不必要的维修[8];北京首钢自动化信息技术有限公司2015年公布一种接触器寿命监控装置,可以实时记录接触器的动作次数,并在上位机中显示[9]。

文献[10]提到通过CPU测量接触器闭合过程中线圈回路和触头回路的电流几个变化点时刻,计算出触头超程是否接近磨损极限来判断接触器寿命是否终了,因触头被磨损时超程减小。

目前公布的接触器使用寿命监测技术多是在接触器面板上显示其动作次数,不能满足大规模分布式风电场的实际使用要求。拟实时采集各接触器的动作次数和动作电流信息,并传递至监控室,然后由上位机计算剩余寿命,并在达到阈值时进行报警,提示用户做好更换准备,便于用户在监控室全面监控各位置的接触器剩余寿命情况,可以节约检修和维护成本,缩短维修周期,提高供电可靠性。

3.2 影响设备准确度的关键点

(1) 准确揭示分断电流、燃弧时间、灭弧介质、冷却条件等因数对接触器寿命的影响,是提高接触器运行使用寿命估算模型精度的关键。

(2) 实时监控接触器动作,并判断接触器动作是否正常,剔除外部原因引起的不正常动作计数,是提高接触器动作次数信息采集准确度的关键。

(3) 如何实现接触器动作次数的动作电流信息的远距离传送,并在剩余寿命报警时准确定位需要更换的接触器。

3.3 方案介绍

方案示意图如图2所示。完整的接触器寿命监控系统由上位监控系统HMI、 PLC系统、PLC 数字量输出模块、PLC 数字量输入模块、接触器线圈、接触器触点、直流电源、以太网线、背板总线、信号线等组成,实现对接触器进行电寿命次数记录;通过通信总线将已使用的次数传递至上位机;当接触器达到使用寿命预警值时,由上位机向监控中心发送预警警报。

图2 方案示意图

接触器寿命监控系统工作流程如图3所示,其基本步骤如下:

(1) 读取PLC 系统时间。

(2) 监控接触器动作。

(3) 判断接触器动作是否正常,如果不正常,则记录不正常次数,并判断是否为外部条件(如线虚接或接触器线圈电源断开)所引起,如为外部原因,则恢复外部,并把不正常的次数清0。如果是接触器本身的原因,则判断不正常次数是否达到限制值,如果达到限制值,则报警,并更换接触器。

(4) 如果接触器动作正常,则循环计数。

(5) 比较是否达到该设备寿命值。如果达到寿命值,则进行更换,复位对应设备使用次数,并记录更换时间。

图3 接触器寿命监控系统工作流程

(6) 没有达到寿命值,则继续执行计数功能。

3.4 具有寿命监控及预警功能的智能接触器

新型智能接触器通过通信系统将每台接触器使用寿命进行信息传递,在监控室能够全面监控各个位置的接触器寿命情况(包括电流和电压参数);除监控使用寿命外,新型智能接触器还具有剩余寿命预报警功能,可以结合接触器厂家提供的接触器使用寿命与操作次数进行对比设置,即将到使用寿命时发出预报警,提醒用户及早准备备品进行更换,避免系统的故障运行。

4 结 语

交流接触器应用于风电场时具有数量多、分布广等特点,研究其寿命监控及寿命预警系统具有较高的工程实用价值,并且后续还可将成果推广应用于系统中其他元器件的寿命监控。

[1]陈德桂.智能电网与低压电器新的发展[J].电气制造,2012(4):23-27.

[2]何瑞华.我国智能低压配电系统发展现状与趋势[J].现代建筑电气,2015,6(11):1-6.

[3]郭贤珊,王章启.高压断路器触头电寿命预测的研究[J].高电压技术,1999,25(3):43-44.

[4]关永刚,黄瑜珑,钱家骊.真空断路器电磨损监测技术的改进[J].高压电器,2001,37(4):1-3.

[5]PONSA,SABOTA,BABUSCIG.Electricalenduranceandreliabilityofcircuit-breakers:commonexperienceandpracticeoftwoutilities[J].IEEETransonPWRD,1993,8(1):168.

[6]王章启,贤珊,吴晖,等.高压断路器开断参数的监测与记录[J].电网技术,1996,20(5):22-25.

[7]袁金丽,李奎,王尧,等.交流接触器电寿命监测技术的研究[J].低压电器,2011(17):7-10.

[8]西安开天铁路牵引电器有限公司.一种带计数器的电磁接触器:中国,ZL200920034162.1[P].2010-05-05.

[9]北京首钢自动化信息技术有限公司.接触器寿命监控装置:中国,ZL201420581448.2[P].2015-01-21.

[10]卜浩民.交流接触器的智能化综述[J].电器与能效管理技术,2017(1):32-38.