刘洪武：不断发展的风光发配电用断路器技术
（本文根据“2017第六届新能源发电系统技术创新大会”演讲PPT编辑而成）
一、风电系统对保护断路器的特殊要求
（1）风电系统对保护断路器的特殊要求
零飞弧：变流器柜及箱变柜内空间，飞弧将可能损坏其他设备，造成事故扩大。
低电压穿越：要求在网侧电压暂降时具有“故障穿越”性能，以稳定系统运行。
更丰富的智能化功能：辅助决策、优化运行、满足不同规约下并网通讯需求，提高运行效率。
更严苛的电磁兼容性要求：靠近变流器安装，面临非常严酷的电磁干扰。
更严苛的环境适应性要求：变流器柜及箱变柜内温升条件恶劣，并需满足户外、高原等使用要求。
更高的操作寿命要求：需要较频繁地在离网和并网状态之间进行切换。
（2）复合消游离技术实现零飞弧
通过对空气介质热击穿过程的仿真，确定了灭弧室溢出气体导致热击穿和电击穿的临界条件。以此为基础，开发了具有多层、逐渐收缩变截面的消游离装置，为电弧烧蚀触头、栅片后产生的金属蒸汽提供安全逃逸通道，实现开断过程零飞弧。
（3）基于混合域测试分析的设计实现优越EMC性能
采用基于混合域测试分析的方法，进行电子控制单元及软件的优化设计，获得优越的电磁兼容性能，通过比标准要求更严苛的步话机干扰测试。同时所有电子线路板采用三防涂层防护技术，确保了在各种恶劣环境下的使用安全性。
（4）主、弧触头设计大幅提高电气操作寿命
采用主触头、弧触头设计，使操作过程中，主触头相对弧触头“先合后分”，大幅度降低电弧对主触头的侵蚀，从而最大限度提高了主触头的通态可靠性和电气寿命。
（5）基于能量优化及疲劳分析的操作机构优化
在有效提高对开断电弧驱控效率及前提下，改变了依靠提高操作能量改善电气性能的传统设计思路，从根本上降低了操作机构的操作功，并通过冲击疲劳仿真与优化方法，实现了万能式断路器和塑壳断路器操作机构的长寿命设计。
（6）风电系统保护断路器：CW3系列
（7）励磁保护及风场配电解决方案：CM5系列MCCB
二、直驱型风机侧对保护断路器的特殊要求
（1）直驱型风机侧对保护断路器的特殊要求
1.双馈型风机
主要优点：变流器容量小，初装成本较低，耐盐雾性能好；主要缺点：需要配置变速齿轮箱及滑环电刷，故障率高，维护成本高，低电压穿越性能差。
2.直驱型风机
主要优点：无需配置变速齿轮箱及滑环电刷，故障率低，维护成本低，低电压穿越性能好；主要缺点：全功率变流器容量大，初装成本较高。
另据Technavio最新报告显示，在2017年-2021年间，全球直驱风机市场将以接近12%的年复合增长率增长。报告指出，到2021年，全球直驱风机市场规模预计将达到722.1亿美元。
（2）直驱型风力发电机的保护
直驱型风机的保护涉及发电侧和并网侧，发电侧由于电源频率在数赫兹到数百赫兹之间变化，传统用于工频工况的普通交流短路器难以满足要求。
直驱型风机侧的保护部分不宜采用普通工频配电断路器作为风机的保护元件，原因如下：
从开断能力看，在开断低频电流时，燃弧时间与工频相比明显延长，灭弧室内积累更多游离态高温气体，电流过零后介质恢复强度被大大削弱，增加了开断失败的风险，对设备安全构成隐患。
从保护特性看，罗氏线圈广泛应用于断路器的电流测量，但当信号频率发生变化时其增益函数也随之变化，传统用于恒定工频检测的方法将不再适用。换言之，用于工频场合的普通断路器使用于直驱型风机保护时，其保护特性将难以保证，易发生误动和拒动。
从温升特性看，断路器工作于高频段尤其是200Hz附近时，通常是风机处于满负荷运行的状态，此时由于电流频率高，导体和铁制部件的涡流效应大幅度升高，绝缘部件中的介质损耗也增高，载流温升水平将远高于工频时，如果将环境温度因素考虑在内，断路器的温升条件将变得非常严酷，这将影响设备的运行可靠性，并加速零部件的老化，降低断路器的使用寿命。
（3）通过基础研究提升对开断电弧的驱控效率
无论是直驱型风机宽频条件下的开断能力提升，还是光伏直流侧和并网侧更高电压下开断能力提升，其共性的基础科学问题，都是如何更高效地驱控开断电弧。
通过长期开展空气电弧等离子体的磁流体动力学（MHD）基础研究，极大加深了对电弧现象的认识，提升了对开断电弧的驱控效率。
（4）基础研究引领产生的新型开断技术
基于对电弧现象的更深入认识，提出了前方场强引导与后方气流反射相结合的灭弧新技术，突破性地提高了宽频和直流空气电弧的能量耗散效率，使断路器在各种非常规条件下的分断能力和分断可靠性大幅提高。
（5）比实际工况更严苛的直流替代法验证分断性能
由于国内外均缺乏低频条件下的短路开断实验条件，在低频条件下的分断性能验证是困扰业界的难题。我们采用比实际工况更为严酷的直流替代法验证产品的低频开断性能，即用断路器单极可能承受的最大电压峰值的直流电源，对单极灭弧室进行开断实验，并评估触头耐受电弧侵蚀的能力。
（6）宽频电流的动态检测新技术
采用基于罗氏线圈的电流信号频率自动跟踪技术，其主要特征是对计算待测电流的信号幅值进行自动补偿，补偿系数A的取值由待测电流的角频率与积分电路的截止角频率比值决定。实现工作频率在10~200Hz范围内随机变化时，对电流的精确检测，从而确保了保护特性的准确可靠。
（7）满足直驱型风机侧的保护的断路器：CW3F-2500宽频型智能万能式断路器
可提供1-60HZ，和10Hz～200Hz频率范围内过载、短路保护。
满足风力发电机使用要求，即使在风机超速运行的情况下都可以提供过载、短路保护。
过电流保护采用了宽频自供电技术和双重滑动窗口技术，确保了宽频率范围保护精度及可靠性。
三、风机并网侧优化方案
（1）CW3R增强型断路器
1．优点：机械寿命增强：免维护机械寿命达到30000次；电气寿命增强：10000次(AC690V)满足AC-3类使用要求（CW3R-1600)；控制与保护功能增强：特色的ER型控制器；通信功能增强：增加Wife和蓝牙。
2.产品典型应用场合：CW3R除一般应用外更适合如下场合使用：风电、光伏、微网。
3.产品开发目的：针对新能源优化，尤其是风力发电和光伏发电：长寿命特点可替换传统交流接触器+断路器方案；提高通信能力，形成“互联网+”接入装置：WIFI模块、蓝牙模块及云技术的运用使信息更畅通；完善公司产品系列，引领ACB技术发展。
4.产品定位：用于1.5、2.0、2.5MW双馈型风机网侧断路器，替换传统接触器+断路器方案；用于大功率太阳能逆变器，替换接触器+断路器；高短路性能；高寿命（机械、电气）；高通用化；高环境适应性；低温升。
5.产品优秀特色和性能指标
四、光伏发电系统对保护断路器的特殊要求
（1）光伏发电系统对保护断路器的特殊要求
对直流电流开断能力和高电压的要求越来越高：直流侧故障可能产生相反方向电流，均需要可靠开断。
并网侧交流更高电压下的更大短路电流开断能力（IT系统）：并网侧电压高于常规配网的400V，并且通常采用IT系统。
更为敏感的成本要求：光伏发电单位造价成本高于其他能源，对成本更为敏感。
并网侧更丰富的智能化功能：辅助决策、优化运行、满足不同规约下并网通讯需求，提高运行效率。
更严苛的电磁兼容性要求：靠近逆变器安装，面临非常严酷的电磁干扰。
更严苛的环境适应性要求：汇流箱及并网柜内温升条件恶劣，并需满足户外、高原等使用要求。
（2）光伏发电系统电压升高使成本降低
通过增加逆变器的系统电压，可减小低压组件和电缆的使用量，从而降低初始投入。光伏系统常见的有满足UL标准的600V和TUV标准的1000V系统。一般接入单相逆变器的系统电压最高为600V，三相组串型或者电站型逆变器的系统电压最高为1000V。
2015年在德国柏林举行Solarpraxis论坛主张将光伏电站电压升级到1500V，认为1500V的光伏系统更有利于降低成本提高能效。
根据某光伏公司提供的数据，1500V电压等级下，串联组件数量从原来1000V等级下的22块/串组件提升到32块/串。10MW光伏电站可减少使用568串，38个汇流箱，约减少成本77390美元。同时由于组件数量的降低，人力成本也将降低。
（3）强增磁合成强气吹技术
优化磁场和电场，设置增磁块增加引弧磁场，改进弧根转移特性；同时优化灭弧栅片数量和开距，提升静态伏安特性；融合绝缘狭缝增压气吹灭弧技术加强电弧冷却效应。
（4）内部立体交叉联接
在断路器内部采用高可靠的专利技术对B相静触头与C相动触头间进行串联短接，确保短接排与安装板间具有双层绝缘，长期运行状态下导体与安装板间的电气绝缘更为可靠。
（5）基于多场耦合分析的优化设计降低负载温升
采用基于多物理场耦合仿真分析的方法，对主回路的载流温升设计进行优化，实现50℃环境温度下不降容，满足了塔顶设备间和箱变狭小空间内，高频负荷下严苛的温度环境要求。
（6）满足高电压1500v的CM3DC-250HU产品
五、光伏系统的发配用的解决方案：CM3
（1）精细化打造CM3产品
（2）光伏系统的发配用的解决方案：CM3
（3）CM3系列MCCB适用光伏系统的主要特点
小型化、低成本，高分断、无极性，低温升、易接线，高绝缘、高可靠，精保护、长寿命，智能化、多规约，抗干扰、更安全，耐高温、适应广。
六、总结
风能和光伏发电技术的发展，推动了保护技术的发展，背后的驱动力，来自对可持续发展的深刻思考和不懈追求。无论是新能源发电技术本身，还是新能源与传统电网的融合，以及相关保护技术发展，都以追求更高效、更经济、更安全、更环保为共同目标。