風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器低壓側(cè)雷電過(guò)電壓仿真

滿于維，余光凱，韋煥林，常泰福，張博，魯鐵成

(1.中電投廣西金紫山風(fēng)電有限公司，廣西壯族自治區(qū) 桂林市 541100；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072)

風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器低壓側(cè)雷電過(guò)電壓仿真

滿于維1，余光凱2，韋煥林1，常泰福1，張博2，魯鐵成2

(1.中電投廣西金紫山風(fēng)電有限公司，廣西壯族自治區(qū) 桂林市 541100；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢市 430072)

針對(duì)某高山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)塔頂遭受雷擊，造成風(fēng)電機(jī)組塔外箱式變壓器(簡(jiǎn)稱箱變)損壞事故，分析了箱變低壓側(cè)雷電過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理，根據(jù)風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)防雷配置情況，建立了ATP-EMTP仿真模型。利用該模型計(jì)算了電涌保護(hù)器(surge protective device，SPD)接入時(shí)和脫開后箱變低壓側(cè)的電壓，并分析了雷電流波形、幅值及接地網(wǎng)沖擊接地電阻對(duì)箱變低壓側(cè)電壓的影響，同時(shí)計(jì)算了低壓側(cè)短路后的工頻續(xù)流。計(jì)算結(jié)果表明，SPD脫開后低壓側(cè)電壓超過(guò)了箱變的沖擊耐壓值(12 kV)，低壓側(cè)工頻續(xù)流為4.50～8.75 kA。由于開關(guān)型SPD無(wú)法切斷工頻續(xù)流，提出將其更換為無(wú)續(xù)流的氧化鋅避雷器，推薦避雷器型號(hào)為YH10W-0.8/3.0，并通過(guò)仿真計(jì)算進(jìn)行了防雷效果驗(yàn)證。

風(fēng)電機(jī)組；箱式變壓器；地電位升高；雷電過(guò)電壓；工頻續(xù)流；電涌保護(hù)器(SPD)

0 引 言

2013年，國(guó)家能源局連續(xù)出臺(tái)了一系列政策措施，為加強(qiáng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)體系，有序推進(jìn)風(fēng)電基地建設(shè)，促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)快速發(fā)展，提供政策支撐，同年我國(guó)風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電量達(dá)1 350億kW·h，連續(xù)第2年成為繼火電、水電之后的第3大能源[1]。在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間里，我國(guó)風(fēng)電行業(yè)仍將保持快速發(fā)展勢(shì)頭，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量將超過(guò)100 GW，風(fēng)能成為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的支柱能源之一[2-3]。為了獲取充足的風(fēng)能資源，風(fēng)電場(chǎng)多建于高海拔山區(qū)、平原曠野或沿海地區(qū)，葉片和塔筒位置較為突出，遭受雷擊概率較高。風(fēng)電場(chǎng)遭受雷擊損壞的部件主要集中于風(fēng)機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)內(nèi)部通信及控制系統(tǒng)以及變壓器、電力電纜、避雷器等電氣一次設(shè)備[4]。

關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)防雷問(wèn)題的研究，文獻(xiàn)[5-7]對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的引雷特性及雷擊損害機(jī)理進(jìn)行了模擬試驗(yàn)和分析；文獻(xiàn)[8-12]利用電路模型對(duì)風(fēng)電機(jī)組及風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)雷電暫態(tài)過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算和分析；文獻(xiàn)[13-15]研究了雷電流對(duì)風(fēng)電機(jī)組接地裝置沖擊接地電阻和地電位抬升的影響。近年來(lái)，經(jīng)常發(fā)生由于遭受雷擊造成風(fēng)電機(jī)組塔外箱式變變壓器(簡(jiǎn)稱箱變)損壞的事故，并且以箱變低壓側(cè)損壞居多，而國(guó)內(nèi)外在這方面研究較少，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)風(fēng)機(jī)箱變的防雷保護(hù)也沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明。

本文通過(guò)對(duì)某實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)箱變損壞事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，初步認(rèn)為事故原因主要是低壓側(cè)電涌保護(hù)器(surge protective device，SPD)串聯(lián)脫扣裝置跳開后，較大的雷電過(guò)電壓使低壓側(cè)絕緣擊穿，引起工頻短路。在此基礎(chǔ)上，利用電磁暫態(tài)仿真軟件ATP-EMTP建立風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)雷電暫態(tài)模型，計(jì)算分析不同雷電流幅值、波形及接地網(wǎng)沖擊接地電阻情況下，箱變低壓側(cè)SPD接入時(shí)和脫開后雷電過(guò)電壓的變化情況，并對(duì)低壓側(cè)短路后的工頻續(xù)流大小進(jìn)行計(jì)算，最后提出改進(jìn)措施，為風(fēng)電場(chǎng)防雷整改及設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 箱變低壓側(cè)過(guò)電壓產(chǎn)生機(jī)理

目前我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)電機(jī)組上網(wǎng)接線大多采用1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組配置1臺(tái)升壓變壓器的方式，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出口電壓為690 V，通過(guò)就近的升壓變壓器將電壓升至35 kV，再輸送至風(fēng)電場(chǎng)集電線路并網(wǎng)。當(dāng)升壓變壓器在風(fēng)機(jī)塔筒外布置時(shí)，通常采用箱變，風(fēng)機(jī)、690 V送電電纜、箱變構(gòu)成了風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)，圖1為某高山風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)典型接線及防雷配置情況。

風(fēng)機(jī)塔頂葉片遭受雷擊時(shí)，雷電流經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)塔筒及接地網(wǎng)流散到土壤中，引起地電位升高，此時(shí)箱變接地母排、外殼及低壓側(cè)中性點(diǎn)均處于高電位，而箱變低壓側(cè)入口處電纜芯線處于低電位，因此，低壓側(cè)SPD兩端出現(xiàn)電位差，導(dǎo)致SPD動(dòng)作導(dǎo)通；SPD導(dǎo)通就形成了電纜芯線對(duì)地短路，工頻短路電流較大，而一般開關(guān)型SPD沒(méi)有熄滅工頻續(xù)流的能力，從而造成與SPD串聯(lián)的脫扣裝置動(dòng)作跳閘。

圖1 風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)防雷配置

雷擊導(dǎo)致SPD脫扣裝置跳閘，使SPD失去對(duì)箱變的保護(hù)作用，此時(shí)若再次遭受雷擊，箱變低壓側(cè)雷電過(guò)電壓若超過(guò)其絕緣耐受強(qiáng)度，則在過(guò)電壓作用下，絕緣脆弱處被擊穿，使箱變低壓側(cè)相線對(duì)地形成導(dǎo)電通路。若風(fēng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，則會(huì)在導(dǎo)電通路上產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的工頻續(xù)流，工頻電弧在密閉箱變內(nèi)發(fā)展，對(duì)箱變內(nèi)各設(shè)備造成損害。當(dāng)SPD脫扣裝置未正常動(dòng)作時(shí)，工頻短路電流則會(huì)長(zhǎng)期作用于SPD兩端，導(dǎo)致SPD損壞。

2 仿真計(jì)算模型

為研究箱變低壓側(cè)雷電過(guò)電壓大小及其影響機(jī)制，本文利用ATP-EMTP軟件建立了風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)等值電路模型，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)-箱變系統(tǒng)等值電路

2.1 雷電流模型

仿真中雷電流函數(shù)采用Heidler函數(shù)模型[16]，其表達(dá)式為：

(1)

η=e[-(τ1/τ2)(nτ2/τ1)1/n]

(2)

式中：Im為雷電流峰值；η為電流峰值修正系數(shù)；n為電流陡度修正因子；τ1、τ2分別為電流波頭時(shí)間和下降時(shí)間。

同時(shí)考慮2.6/50μs、10/350μs2種不同雷電流波形情況。其中2.6/50μs波形是我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電參數(shù)[17]，10/350μs則是IEC風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)推薦波形[18]，計(jì)算時(shí)雷電流峰值分別取5，10，20，50，100kA，雷電通道波阻抗取300Ω。

2.2 塔筒及接地網(wǎng)模型

為了模擬雷電流在塔筒上傳播的波過(guò)程，參考高桿塔雷電暫態(tài)分析的建模方法[19]，風(fēng)機(jī)塔筒采用波阻抗模型，塔筒高度為70m，塔筒上段平均半徑為1.45m，塔筒下段平均半徑為2.1m，計(jì)算得到波阻抗為187Ω。

風(fēng)機(jī)側(cè)與箱變側(cè)接地網(wǎng)通過(guò)水平接地扁鋼相連，忽略接地扁鋼的電感，接地網(wǎng)總沖擊接地電阻可等效為風(fēng)機(jī)側(cè)和箱變側(cè)沖擊接地電阻的并聯(lián)值，計(jì)算時(shí)分別取3，5，10，15，20Ω進(jìn)行分析。

2.3 電纜模型

690V側(cè)送電電纜型號(hào)為YJV-1×240，是單芯不帶屏蔽層電纜，三相電纜按品字形排列，使用ATP中LCC模型，建模如圖3所示，建模時(shí)將其分為塔內(nèi)電纜和埋地電纜2部分，塔內(nèi)電纜長(zhǎng)70m，埋地電纜長(zhǎng)15m，埋地深度為0.5m。35kV側(cè)電纜采用100Ω的波阻抗進(jìn)行等效。

圖3 690 V電力電纜模型

2.4 發(fā)電機(jī)及變壓器模型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)為變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)，包括1臺(tái)定子繞組與三相電網(wǎng)直連的異步發(fā)電機(jī)以及連接發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子輸出端的變頻器，為了簡(jiǎn)化分析，直接采用ATP中穩(wěn)態(tài)同步電機(jī)模型進(jìn)行等效；變壓器采用ATP中三相雙繞組變壓器模型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)及變壓器模型均不考慮磁飽和及鐵芯損耗的影響，計(jì)算參數(shù)如表1所示。計(jì)算工頻續(xù)流時(shí)，主要考慮風(fēng)機(jī)以額定功率發(fā)電時(shí)，箱變低壓側(cè)的短路情況。

表1 發(fā)電機(jī)及變壓器模型參數(shù)

Table 1 Model parameters of generator and transformer

2.5 SPD及避雷器模型

箱變低壓側(cè)開關(guān)型SPD和高壓側(cè)避雷器均采用非線性電阻模型等效，其伏安特性參數(shù)如表2所示。

表2 SPD及避雷器參數(shù)

Table 2 Parameters of SPD and arrester

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 雷電過(guò)電壓計(jì)算

分別計(jì)算50 kA，2.6/50 μs、10/350 μs雷電流雷擊塔頂風(fēng)機(jī)葉片情況下，箱變低壓側(cè)SPD接入時(shí)和脫開后的電壓(取三相中電壓幅值最大相)，波形如圖4所示。

接地網(wǎng)沖擊接地電阻取10 Ω，取不同雷電流峰值進(jìn)行仿真。分別計(jì)算SPD接入和SPD脫開2種情況下箱變低壓側(cè)電壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

雷電流峰值取50 kA，取不同接地網(wǎng)沖擊接地電阻分別進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 低壓側(cè)電壓仿真計(jì)算波形

(1)當(dāng)SPD接入時(shí)，由于其鉗位作用，可有效將箱變低壓側(cè)電壓限制在其保護(hù)電平(3 kV)以下；當(dāng)與SPD串聯(lián)的脫扣裝置跳閘，SPD脫開后，箱變低壓側(cè)電壓明顯增大，即使在5 kA、10/350 μs的雷電流作用下也達(dá)到10.8 kV，當(dāng)雷電流幅值或陡度更大時(shí)，箱變低壓側(cè)電壓將超過(guò)其沖擊耐壓值(12 kV)[20]。

表4 不同沖擊接地電阻下箱變低壓側(cè)電壓

Table 4 Potential difference of low-voltage side of box-type transformer with different impulse grounding resistance

(2)雷電流峰值和陡度越大，箱變低壓側(cè)電壓越大。SPD接入時(shí)電壓變化很小，當(dāng)SPD脫開保護(hù)后，雷電流峰值從5 kA增大至20 kA，雷電流波頭時(shí)間為2.6 μs時(shí)，箱變低壓側(cè)過(guò)電壓從27.5 kV增大至428.4 kV；雷電流波頭時(shí)間為10 μs時(shí)，箱變低壓側(cè)過(guò)電壓從10.8 kV增大至145.5 kV，約為前者的1/3，這是由于雷電流陡度增加后，在電纜分布電感上壓降增大，使地電位與低壓側(cè)電纜芯線電位的差值增大。

(3)箱變低壓側(cè)電壓隨接地網(wǎng)沖擊接地電阻的增大而增大。當(dāng)SPD脫開保護(hù)后，沖擊接地電阻從3 Ω增加至20 Ω，雷電流波頭時(shí)間分別為2.6，10 μs時(shí)，箱變低壓側(cè)過(guò)電壓分別從94.6，31.9 kV增大至326.0，120.5 kV，這是由于當(dāng)沖擊接地電阻增大時(shí)，雷電流流過(guò)接地網(wǎng)引起的地電位抬升也相應(yīng)增加，使箱變低壓側(cè)相線對(duì)地的電位差增大。箱變低壓側(cè)一旦失去SPD保護(hù)，即使充分降低接地網(wǎng)沖擊接地電阻，對(duì)低壓側(cè)的雷電過(guò)電壓也無(wú)法起到理想的限制效果。

3.2 工頻續(xù)流計(jì)算

當(dāng)?shù)蛪簜?cè)SPD導(dǎo)通或低壓側(cè)絕緣擊穿后，出現(xiàn)工頻短路點(diǎn)，開始時(shí)是單相對(duì)變壓器外殼放電，由于變壓器相間母排距離較近，相線對(duì)地短路可能發(fā)展成相間短路，甚至三相短路。假設(shè)短路前風(fēng)機(jī)以額定參數(shù)運(yùn)行，功率因數(shù)為0.8，計(jì)算箱變低壓側(cè)出現(xiàn)各種類型短路后，短路電流最大瞬時(shí)值和穩(wěn)態(tài)值(取最嚴(yán)重的情況)，如表5所示。

表5 短路電流計(jì)算結(jié)果

Table 5 Calculation results of short circuit current

由表5可知，短路后最大瞬時(shí)電流可達(dá)8.75 kA，即使單相短路,工頻續(xù)流穩(wěn)態(tài)值也達(dá)到4.50 kA，而通常開關(guān)型SPD可切斷的工頻續(xù)流為200～300 A，遠(yuǎn)低于計(jì)算值，因此，在雷電流作用下，SPD導(dǎo)通后基本無(wú)法熄滅工頻電弧，導(dǎo)致SPD串聯(lián)脫扣裝置跳閘或SPD損壞。

3.3 改進(jìn)措施及仿真驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，由于開關(guān)型SPD在切斷工頻續(xù)流方面存在較大問(wèn)題，因此不適用于風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)的防雷保護(hù)。而氧化鋅閥片具有無(wú)續(xù)流的優(yōu)點(diǎn)，并且可以將電壓限制在殘壓范圍內(nèi)，因此可以考慮將原有SPD更換為通流容量大于5 kA，殘壓低于12 kV的氧化鋅避雷器。推薦避雷器型號(hào)為YH10W-0.8/3.0，其伏安特性參數(shù)如表6所示。仿真計(jì)算50 kA，2.6/50 μs、10/350 μs雷電流雷擊塔頂風(fēng)機(jī)葉片情況下，箱變低壓側(cè)改裝氧化鋅避雷器后的電壓(取三相中電壓幅值最大相)，波形如圖5所示。

表6 低壓側(cè)更換避雷器參數(shù)

Table 6 Parameters of replaced arrester at low-voltage side

圖5 低壓側(cè)電壓仿真計(jì)算波形

更換氧化鋅避雷器后，2.6/50 μs、10/350 μs雷電流波形下，低壓側(cè)最大電壓分別為2.44 kV和2.16 kV，比裝設(shè)SPD時(shí)更低，且無(wú)工頻續(xù)流，因此在箱變低壓側(cè)采用氧化鋅避雷器效果更好。

4 結(jié) 論

(1)風(fēng)電機(jī)組升壓變壓器以箱變的形式在塔筒外布置時(shí)，經(jīng)常發(fā)生由于雷擊造成低壓側(cè)損壞的事故。事故原因主要是箱變低壓側(cè)SPD導(dǎo)通后無(wú)法熄滅工頻電弧，導(dǎo)致脫扣裝置跳開，出現(xiàn)較高的雷電過(guò)電壓使低壓側(cè)絕緣擊穿，形成相線對(duì)地或相間工頻短路，造成箱變內(nèi)設(shè)備損壞；SPD脫扣裝置未正常動(dòng)作時(shí)，工頻短路電流則會(huì)長(zhǎng)期作用于SPD兩端，導(dǎo)致SPD損壞。

(2)當(dāng)?shù)蛪簜?cè)SPD正常接入時(shí)，由于其鉗位作用，箱變低壓側(cè)電位差限制在SPD保護(hù)電平(3 kV)以下；脫扣裝置跳閘使SPD脫開后，箱變低壓側(cè)出現(xiàn)較大的雷電過(guò)電壓，并隨著雷電流幅值及接地網(wǎng)沖擊接地電阻的增大而增大。當(dāng)100 kA，2.6/50 μs的雷電流作用于沖擊接地電阻為10 Ω的風(fēng)機(jī)塔頂時(shí)，低壓側(cè)過(guò)電壓可達(dá)428.4 kV；雷電流波形為10/350 μs時(shí)，過(guò)電壓值降至145.5 kV，約為前者的1/3。

(3)箱變低壓側(cè)的工頻短路電流遠(yuǎn)大于開關(guān)型SPD允許的工頻續(xù)流值，在低壓側(cè)安裝SPD存在過(guò)流保護(hù)裝置跳開，使箱變失去防雷保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，可以將其更換為氧化鋅避雷器，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行維護(hù)工作。

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(編輯 張小飛)

Box-Type Transformer Lightning Overvoltage Simulation at Low-Voltage Side in Wind Turbines

MAN Yuwei1, YU Guangkai2, WEI Huanlin1, CHANG Taifu1，ZHANG Bo2, LU Tiecheng2

(1. Guangxi Jinzishan Branch of China Power Investment Corporation, Guilin 541100, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China;2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aimed at damage accidents of box-type transformer outside wind turbine when the top of wind tower being struck by lightning, an ATP/EMTP simulation model is established according to wind turbine-box type transformer system lightning protection, which is based on the mechanism analysis of the lightning overvoltage of box-type transformer at low-voltage side. We use this model to calculate the lightning overvoltage of box-type transformer at low-voltage side when surge protective device (SPD) is connected and disconnected, and analyze the influences of the waveform and peak of lightning current, impulse grounding resistance on the voltage on the low voltage side of box-type transformer. Meanwhile, we calculate the power frequency current after the low-voltage side short circuit of transformer. The calculation result shows that the potential differences of low-voltage side of transformer when SPD is disconnected exceed the impulse withstand voltage 12kV, and the power frequency current at low-voltage side is 4.50-8.75 kA. Because switch-type SPD cannot cut off power frequency current, it is suggested that switch-type SPD should be replaced by zinc oxide arrester (YH10W-0.8/3.0) without follow current, whose lightning protection effect is verified by simulating calculation.

wind turbines; box-type transformer; ground potential rise; lightning overvoltage; power frequency current; surge protective device(SPD)

TM 614

A

1000-7229(2016)01-0131-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.020

2015-10-09

滿于維(1989)，男，高級(jí)工程師，主要從事風(fēng)電場(chǎng)升壓站、風(fēng)電機(jī)組維護(hù)與檢修工作；

余光凱(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)過(guò)電壓及防雷接地技術(shù)；

韋煥林(1988)，男，工程師，主要從事風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)工作；

常泰福(1990)，男，工程師，主要從事風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備維護(hù)與檢修工作；

張博(1979)，男，博士，副教授，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓及仿真計(jì)算方面的研究工作；

魯鐵成(1953)，男，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事電力系統(tǒng)過(guò)電壓方面的研究工作。