CN207947605U - 短路保护装置及风力发电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种短路保护装置及风力发电设备，包括：电子式电流互感器，所述电子式电流互感器的输入端与风力发电机连接；比较控制器，接收所述电子式电流互感器输出的感应电信号和参考电信号，并将感应电信号和参考电信号进行比较以生成开关控制信号；开关电路，设置在所述风力发电机的输电线路中，所述开关电路的控制端与所述比较控制器的输出端连接，用于根据所述开关控制信号控制所述输电线路的通断。由于电子式电流互感器能够检测的电流的频率范围较宽，其检测频率的范围可以为零赫兹到几十千赫兹，可以在频率小于20Hz电流发生瞬时短路时，可以触发开关电路脱扣实现保护。因此，实现全频段瞬时短路电流的保护。

Description

短路保护装置及风力发电设备

技术领域

本实用新型涉及风力发电技术领域，具体涉及到一种短路保护装置及风力发电设备。

背景技术

新能能源的兴起，尤其风力发电越来越收到人们重视，而式风力发电由风力直接驱动发电机，低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点，逐渐成为主流风力发电方式。在风力发电机组并网发电过程中，一旦风力发电机输出电流超过瞬时短路设计要求，风力发电机将有烧毁，甚至导致整机发生火灾的危险。

为对发电机进行瞬时短路电流保护，通常在发电机和变流器之间一般串接互感器、比较器和开关电路，依托开关电路所具有的瞬时短路保护功能来实现对发电机进行瞬时短路保护。然而，申请人发现发电机输出电流超过瞬时短路设计时，开关电路存在不动作的状况进而导致瞬时短路电流烧毁发电机。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于开关电路对发电机不能完全进行瞬时短路保护。

因此，根据第一方面，本实用新型实施例提供了一种短路保护装置，该保护装置中可以包括开关电路，与变流器连接，开关电路在发生瞬时短路时断开，对风力发电机进行瞬时短路保护。该保护装置还可以包括电子式电流互感器和比较控制器，电子式电流互感器与风力发电机连接，采集检测风力发电机输出的电流，并根据接收到的风力发电机的电流输出一个电压信号，该电压信号与电流大小相关，可以反映风力发电机的输出状态，电子式电流互感器另一端与比较控制器连接，电子式电流互感器的输出端与比较控制器感应电信号输入端连接，比较控制器的参考电信号输入端接入参考电信号，接入的参考电信号为预设的电压值。电子式电流互感器根据采样到的风力发电机的瞬时电流值输出对应的电压信号，在比较控制器中与参考电信号进行比较，如果电子式电流互感器电压值高于设定保护值，比较控制器向开关电路发出短路开关控制信号，开关电路将脱扣实现保护。

由于电子式电流互感器能够检测的电流的频率范围较宽，且不受直流电流的限制，其检测频率的范围可以为零赫兹到几十千赫兹，可以检测到风力发电机输出频率小于20Hz电流，在频率小于20Hz电流发生瞬时短路时，可以触发开关电路脱扣实现保护。由于在风力发电机普遍存在输出电流的频率小于20Hz的工作状态。因此，该保护装置尤其适用于风力发电机的保护。

可选地，电子式电流互感器的工作频段较宽，可以检测零到几十千赫兹的电流，具体的，电子式电流互感器可以为霍尔电流传感器、光学电流传感器等电子式电流互感器。具体的为适应交宽频段的短路电流，电子式电流互感器的采样频率为0Hz～2.5kHz。如果采用霍尔传感器，霍尔传感器的霍尔变比可以为500A/V-800A/V，可以将大电流转换为小电压，以适应参考电信号，可以减小参考电信号的电压输入。

可选地，比较控制器可以包括比较判断电路和比较触发电路。比较判断电路与电子式电流互感器连接，将感应电信号比较判断电路与参考电信号进行比较，输出比较结果，如果感应电信号电压值高于设定保护值，比较触发电路向开关电路发出开关控制信号，触发开关电路脱扣实现瞬时短路保护。

可选地，比较判断电路可以包括：第一二极管、第一晶体管、第二二极管、第二晶体管、第三二极管、第三晶体管、第四二极管、第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管；其中，第一晶体管的控制极与电子式电流互感器输出端连接，第一晶体管的发射极与第三晶体管的控制极连接，第一晶体管的集电极接地；第二晶体管的控制极接入预设的参考电信号，第二晶体管的发射极与第四晶体管的控制极连接，第二晶体管的集电极接地；第一晶体管的发射极、第二晶体管的发射极、第三晶体管的发射极和第四晶体管的发射极与第一电源连接；第三晶体管的集电极与第五晶体管的集电极连接，并连接至第五晶体管的控制极；第四晶体管的集电极与第六晶体管的集电极连接；第五晶体管的控制极与第六晶体管的控制极连接，第五晶体管的发射极和第六晶体管的发射极接地；第一二极管的正极与第一晶体管的控制极连接，第一二极管的负极与第一晶体管的发射极连接；第三二极管的负极与第一二极管的负极连接，第三二极管的正极与第一电源连接；第二二极管的正极与第二晶体管的控制极连接，第二二极管的负极与第二晶体管的发射极连接；第四二极管的负极与第二二极管的负极连接，第四二极管的正极与第一电源连接。

可选地，比较触发电路包括：第七晶体管、第八晶体管以及电阻；第七晶体管的控制极与比较判断电路的比较结果输出端连接；第七晶体管的漏极与第八晶体管的控制极连接，并连接至第二电源，第八晶体管的漏极端输出开关控制信号，第七晶体管的源极和第八晶体管的源极连接接地；电阻，设置在第七晶体管的漏极与第二电源之间。

可选地，第二电源为电压小于或等于60V。第二电源的电压为开关控制信号的电压值，第二电源的大小可以根据开关电路的脱扣电压决定。通常，开关电路的脱扣电压小于或等于60V。

可选地，开关电路为可以为框架式断路器；开关电路的响应频率为0～ 2.5kHz。比较控制器的相应频率为1MHz-5MHz，开关电路的额定电压和额定电流可以较大，适用范围广，具有短延时，可以满足选择性保护的需求，并且短路分段能力较强，可以根据不同的需求安装不同的脱扣器。将相应频率设置在0Hz～2.5kHz可以较好的适应不同频率的瞬时短路电流，尤其是20Hz以下的较低频率的瞬时短路电流。

根据第二方面，本实用新型实施例提供了一种风力发电设备，包括：风力发电机；以及如上述任意一种短路保护装置；短路保护装置设置在风力发电设备的机舱的开关柜内。

附图说明

图1示出了本实用新型实施例短路保护装置的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例比较控制器的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

由于在风力发电机和变流器之间设置了开关电路，在实际使用过程中也会出现发电机输出电流超过瞬时短路设计要求时，开关电路不动作的状况。在更换性能更佳的开关电路后，问题并没有得到解决，经过分析与测试，申请人发现，风力发电机的转速是随着风速的变化而变化的，因此风力发电机输出电流的频率存在一个变化频段，可能从0Hz变化到风力发电机的最大输出频率，但是现有各种型号的开关电路，由于受到所使用电流互感器的限制只能对大于或等于20Hz的电流进行瞬时短路保护，而现有风力发电机普遍存在输出电流的频率小于20Hz的工作状态，现有技术是无法对工作频率小于20Hz的风力发电机进行瞬时短路保护，因此，申请人提供了一种短路保护装置以解决开关电路对发电机不能完全进行瞬时短路保护的问题。

本实用新型实施例提供了一种短路保护装置，由于在发电机中，尤其是风力发电机普遍存在输出电流的频率小于20Hz的工作状态，甚至可能出现频率为8Hz的电流。而保护装置中的电子式电压互感器检测频率的范围可以为零赫兹到几十千赫兹，该保护装置可以实现全频段瞬时电流保护，尤其是对频率小于20Hz的瞬时短路电流的保护，因此，该保护装置尤其适用于风力发电机的保护。如图1所示，该保护装置可以包括：开关电路30，与变流器50连接，开关电路30在发生瞬时短路时，断开，对风力发电机 40进行瞬时短路保护。该保护装置还可以包括电子式电流互感器10和比较控制器20，在本实施例中，电子式电流互感器10可以为空心线圈电流互感器、光学电流传感器或铁心线圈式低功率电流互感器中的至少之一，具体的，在本实施中，可以采用霍尔电流传感器，电子式电流互感器10与风力发电机40连接，采集检测风力发电机40输出的电流，并根据接收到的风力发电机40的电流输出一个感应电信号，该感应电信号可以为电压信号，该电压信号与电流大小相关，可以反映风力发电机40的输出状态，电子式电流互感器10另一端与比较控制器20连接，具体的，电子式电流互感器 10的输出端与比较控制器20感应电信号输入端连接，比较控制器20的参考电信号输入端接入参考电信号，在本实施例中，接入的参考电信号为预设的电压值。电子式电流互感器10根据采样到的风力发电机40的瞬时电流值输出对应的电压信号，在比较控制器20中与参考电信号进行比较，如果电子式电流互感器10电压值高于设定保护值，比较控制器20向开关电路30发出短路开关控制信号，开关电路30将脱扣实现保护，具体的开关电路可以为断路器。

由于电子式电流互感器10能够检测的电流的频率范围较宽，而且可以检测直流电流，其检测频率的范围可以为零赫兹到几十千赫兹，不仅可以检测到风力发电机40输出频率小于20Hz电流，而且能后检测到较高频率的电流，从而可以实现风力发电机40全频段的电流检测，在频率小于20Hz 电流发生瞬时短路或在较高频率电流发生瞬时短路时，可以触发开关电路 30脱扣实现保护。

在可选的实施例中，电子式电流互感器10的工作频段较宽，可以检测零到几十千赫兹的电流，具体的，电子式电流互感器10可以为霍尔电流传感器、光学电流传感器等电子式电流互感器10。在本实施例中，示例性的举出了电子式电流传感器的例子，其他工作频段零到几十千赫兹的电流互感器也同样适用。

为实现全频段瞬时短路保护，电子式电流互感器10的采样频率为0 Hz～2.5kHz。在本实施例中，只是示例性的示出了电子式电流互感器10的采样频率，其他从0Hz开始的采样频率的范围同样适用。电子式电流传感器的变比可以为500A/V-800A/V，具体的，变比可以为625A/V，风力发电机40的瞬时电流为0A时，电子式电流互感器10输出的感应电信号的电压值为0V，在风力发电机40的瞬时电流为2500A时，电子式电流互感器10 的感应电信号的电压值为4V，在风力发电机40的瞬时电流为-2500A时，电子式电流互感器10的感应电信号的电压值为-4V。参考电信号的电压值可以设为4V，在风力发电机40的瞬时电流超过2500A时，比较控制器20 输出短路开关控制信号，具体的该短路开关控制信号可以为高电平，触发开关电路30脱扣。保护装置的保护比为500A/V-800A/V。在本实施例中只是示例性的示出了电子式电流传感器的变比，以及保护装置的保护比，其他变比在本实施例中同样适用。

在可选的实施例中，如图2所示的比较控制器，该比较控制器可以包括比较判断电路21和比较触发电路22。比较判断电路21与电子式电流互感器10连接，将感应电信号比较判断电路21与参考电信号进行比较，输出比较结果，如果感应电信号电压值高于参考电信号，比较触发电路22向开关电路30发出开关控制信号，触发开关电路30脱扣实现瞬时短路保护。为适应电子式电流互感器10的采样频率，在本实施例中，比较控制器20 的相应频率可以为1MHz-5MHz，具体可以为3.3MHz。

在可选的实施例中，比较判断电路21由以下电路组成，如图2所示，该比较判断电路21包括：该电路可以包括：第一二极管D1、第一晶体管 Q1、第二二极管D2、第二晶体管Q2、第三二极管D3、第三晶体管Q3、第四二极管D4、第四晶体管Q4、第五晶体管Q5及第六晶体管Q6；其中，第一晶体管Q1的控制极与电子式电流互感器输出端连接，第一晶体管Q1 的发射极与第三晶体管Q3的控制极连接，第一晶体管Q1的集电极接地；并连接至第一电平；第二晶体管Q2的控制极接入预设的参考电信号，第二晶体管Q2的发射极与第四晶体管Q4的控制极连接，第二晶体管Q2的集电极接地；第一晶体管Q1的发射极、第二晶体管Q2的发射极、第三晶体管Q3的发射极、第四晶体管Q4的发射极与第一电源VCC1连接；第三晶体管Q3的集电极与第五晶体管Q5的集电极连接，并连接至第五晶体管 Q5的控制极；第四晶体管Q4的集电极与第六晶体管Q6的集电极连接；第五晶体管Q5的控制极与第六晶体管Q6的控制极连接，第五晶体管Q5 的发射极和第六晶体管Q6的发射极接地；第一二极管D1的正极与第一晶体管Q1的控制极连接，第一二极管D1的负极与第一晶体管Q1的发射极连接；第三二极管D3的负极与第一二极管D1的负极连接，第三二极管 D3的正极与第一电源VCC1连接；第二二极管D2的正极与第二晶体管Q2 的控制极连接，第二二极管D2的负极与第二晶体管Q2的发射极连接；第四二极管D4的负极与第二二极管D2的负极连接，第四二极管D4的正极与第一电源VCC1连接。

在本实施例中，还可以包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3，第一电阻R1设置在第一晶体管Q1的发射极与第一电源VCC1之间，第二电阻R2设置在第二晶体管Q2的发射极与第一电源VCC1之间，第三电阻R3设置在第三晶体管Q3的发射极和第四晶体管Q4的发射极与第一电源VCC1之间。在本实施例中，晶体管可以为NPN型三极管可以为PNP型三极管，也可以为MOS管。

在可选的实施例中，如图2所示，比较触发电路包括：第七晶体管Q7、第八晶体管Q8以及第四电阻R4；第七晶体管Q7的控制极与比较判断电路的比较结果输出端OUT连接；第七晶体管Q7的漏极与第八晶体管Q8的控制极连接，并连接至第二电源VCC2，第八晶体管Q8的漏极端输出开关控制信号，第七晶体管Q7的源极和第八晶体管Q8的源极连接接地；第四电阻R4，设置在第七晶体管Q7的漏极与第二电源VCC2之间。

在本实施例中，晶体管可以为NPN型三极管可以为PNP型三极管，也可以为MOS管。

由于不同型号的开关电路的脱扣电压不同，为保证该保护结构能够使用不同的开关电路30，在可选的实施例中，第二电源VCC2为电压小于或等于60V。由图2可知，第二电源VCC2的电压为比较触发电路22输出的开关控制信号的电压值，第二电源VCC2的大小可以根据开关电路30的脱扣电压决定。通常，开关电路30的脱扣电压小于或等于60V。

在可选的实施例中，开关电路30为框架式断路器；框架式断路器的响应频率为0Hz～2.5kHz。框架式断路器的额定电压和额定电流可以较大，适用范围广，具有短延时，可以满足选择性保护的需求，并且短路分段能力较强，可以根据不同的需求安装不同的脱扣器。将相应频率设置在0Hz～ 2.5kHz可以较好的适应不同频率的瞬时短路电流，尤其是20Hz以下的较低频率的瞬时短路电流，以实现全屏段瞬时短路电流的保护。

本实用新型实施例提供了一种风力发电设备，可以包括风力发电机，上述实施例描述的短路保护装置，该短路保护装置风力发电设备的机舱的开关柜内。可以减小保护装置的占用的空间，同时可以提供相应速度。并且方便检修。

虽然结合附图描述了本实用新型的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种短路保护装置，其特征在于，包括：

电子式电流互感器，所述电子式电流互感器的输入端与风力发电机连接；

比较控制器，接收所述电子式电流互感器输出的感应电信号，并将感应电信号的大小和预设的参考电信号值进行比较以生成开关控制信号；

开关电路，设置在所述风力发电机的输电线路中，所述开关电路的控制端与所述比较控制器的输出端连接，用于根据所述开关控制信号导通或断开以控制所述输电线路的通断。

2.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，所述电子式电流互感器包括空心线圈电流互感器、光学电流传感器或铁心线圈式低功率电流互感器中的至少之一。

3.如权利要求2所述的短路保护装置，其特征在于，所述电子式电流互感器的采样频率为0Hz～2.5kHz。

4.如权利要求2所述的短路保护装置，其特征在于，所述电子式电流互感器的变比为500A/V-800A/V。

5.如权利要求1所述的短路保护装置，其特征在于，所述比较控制器包括：

比较判断电路，与所述电子式电流互感器的输出端连接，用于将所述感应电信号的大小和所述参考电信号值进行比较，得到比较结果；

比较触发电路，与所述比较判断电路连接，用于根据所述比较结果生成开关控制信号。

6.如权利要求5所述的短路保护装置，其特征在于，所述比较判断电路包括：第一二极管、第一晶体管、第二二极管、第二晶体管、第三二极管、第三晶体管、第四二极管、第四晶体管、第五晶体管及第六晶体管；其中，

所述第一晶体管的控制极与电子式电流互感器输出端连接，所述第一晶体管的发射极与所述第三晶体管的控制极连接，所述第一晶体管的集电极接地；

所述第二晶体管的控制极接入预设的参考电信号，所述第二晶体管的发射极与所述第四晶体管的控制极连接，所述第二晶体管的集电极接地；

所述第一晶体管的发射极、所述第二晶体管的发射极、所述第三晶体管的发射极和所述第四晶体管的发射极与第一电源连接；

所述第三晶体管的集电极与所述第五晶体管的集电极连接，并连接至所述第五晶体管的控制极；

所述第四晶体管的集电极与所述第六晶体管的集电极连接；

所述第五晶体管的控制极与所述第六晶体管的控制极连接；

所述第五晶体管的发射极和所述第六晶体管的发射极接地；

所述第一二极管的正极与所述第一晶体管的控制极连接，所述第一二极管的负极与所述第一晶体管的发射极连接；

所述第三二极管的负极与所述第一二极管的负极连接，所述第三二极管的正极与所述第一电源连接；

所述第二二极管的正极与所述第二晶体管的控制极连接，所述第二二极管的负极与所述第二晶体管的发射极连接；

所述第四二极管的负极与所述第二二极管的负极连接，所述第四二极管的正极与所述第一电源连接。

7.如权利要求5所述的短路保护装置，其特征在于，所述比较触发电路包括：第七晶体管、第八晶体管以及电阻；

第七晶体管的控制极与所述比较判断电路的比较结果输出端连接；

所述第七晶体管的漏极与第八晶体管的控制极连接，并连接至第二电源，所述第八晶体管的漏极端输出所述开关控制信号，所述第七晶体管的源极和所述第八晶体管的源极接地；

所述电阻，设置在所述第七晶体管的漏极与第二电源之间。

8.如权利要求7所述的短路保护装置，其特征在于，

所述第二电源的电压小于或等于60V。

9.如权利要求1-8任意一项所述的短路保护装置，其特征在于，所述开关电路的响应频率为0Hz～2.5kHz。

10.一种风力发电设备，其特征在于，包括：

风力发电机；

以及如权利要求1-9任意一项所述的短路保护装置；

所述短路保护装置设置在所述风力发电设备的机舱的开关柜内。