海上風(fēng)電場(chǎng)斷路器重燃過(guò)電壓研究

周歧斌，程 彧，趙 洋

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615；3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044）

海上風(fēng)電場(chǎng)斷路器重燃過(guò)電壓研究

周歧斌1，2，程 彧1，趙 洋3

（1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615；3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044）

海上風(fēng)電場(chǎng)真空斷路器投切時(shí)，其多次重燃產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的電力設(shè)備會(huì)造成影響。由過(guò)電壓引發(fā)的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故會(huì)破壞電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)這一問(wèn)題，在詳細(xì)分析真空斷路器重燃機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用ATP-EMTP建立真空斷路器模型實(shí)現(xiàn)對(duì)重燃過(guò)程的模擬，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其正確性。首次將此真空斷路器模型應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中，通過(guò)建立海上風(fēng)電場(chǎng)等值模型，模擬斷路器重燃時(shí)海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)過(guò)電壓情況，分析海底電纜及海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)操作過(guò)電壓的影響，提出在真空斷路器后加裝合適的避雷器抑制由真空斷路器重燃引起的操作過(guò)電壓。研究結(jié)果表明：未加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，危害其安全運(yùn)行；加裝避雷器后，能有效減小過(guò)電壓，保護(hù)海上風(fēng)電場(chǎng)。

海上風(fēng)電場(chǎng)；斷路器重燃過(guò)電壓；多次重燃；避雷器；ATP-EMTP

0 引言

隨著人們對(duì)可再生清潔能源需求的增加，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大，與此同時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行也越來(lái)越受到重視。事故經(jīng)驗(yàn)表明，風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓會(huì)引起絕緣擊穿，進(jìn)而發(fā)生風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)會(huì)損失大量出力，拉低電網(wǎng)頻率，嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)和電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。因此，風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓防護(hù)十分重要。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已對(duì)風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓?jiǎn)栴}展開(kāi)研究。文獻(xiàn)[4-5]仿真計(jì)算了單臺(tái)及多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組在遭受雷擊時(shí)雷電過(guò)電壓和雷電流分布。文獻(xiàn)[6]模擬風(fēng)機(jī)直接被雷擊中時(shí)，風(fēng)機(jī)各部分過(guò)電壓隨時(shí)間變化的規(guī)律。文獻(xiàn)[7-9]指出風(fēng)電場(chǎng)遭雷擊時(shí)風(fēng)機(jī)接地問(wèn)題，提出防雷接地設(shè)計(jì)方案。

除此之外，操作過(guò)電壓也是引起風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓的重要因素。文獻(xiàn)[10-11]首先分析海上風(fēng)電場(chǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)操作過(guò)電壓與風(fēng)電場(chǎng)饋電電纜長(zhǎng)度和通電饋線數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[12-13]計(jì)算了風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)操作過(guò)電壓的影響。文獻(xiàn)[14]通過(guò)仿真，說(shuō)明風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓對(duì)風(fēng)機(jī)升壓變壓器的影響。文獻(xiàn)[15]針對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)中單臺(tái)或多臺(tái)風(fēng)機(jī)投切時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，提出風(fēng)機(jī)升壓變壓器的優(yōu)化配置方案。文獻(xiàn)[16-20]表明：斷路器重燃是產(chǎn)生暫態(tài)操作過(guò)電壓的主要來(lái)源之一，但是到目前為止，還沒(méi)有研究具體分析斷路器重燃過(guò)程對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓影響。

海上風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部電壓等級(jí)比普通電廠高，因此遭受暫態(tài)過(guò)電壓時(shí)，海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中設(shè)備安全性及可靠性會(huì)受到更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。此外，海底電纜在海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中大量使用，由于電纜的波阻抗遠(yuǎn)小于架空線，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)遭受過(guò)電壓入侵時(shí)，電纜中的電壓陡度會(huì)比架空線大很多。

海上風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)出口斷路器與電網(wǎng)相連，斷路器分閘時(shí)，觸頭間可能會(huì)出現(xiàn)電弧重燃，電弧重燃又會(huì)引起電磁暫態(tài)的過(guò)渡過(guò)程。因此有必要對(duì)斷路器的重燃過(guò)程進(jìn)行分析。筆者在詳細(xì)分析斷路器開(kāi)斷后重燃熄弧機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用ATP-EMTP建立斷路器熄弧重燃模型，首次將其應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)中，分析斷路器重燃過(guò)電壓對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的影響，提出并驗(yàn)證過(guò)電壓抑制措施。

1 海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型搭建

海上風(fēng)電場(chǎng)由20臺(tái)3 MW風(fēng)機(jī)組成，單臺(tái)風(fēng)機(jī)與0.69/35 kV升壓變壓器相連，通過(guò)海底電纜連接至風(fēng)電場(chǎng)出口斷路器，經(jīng)主變并網(wǎng)。因此系統(tǒng)中包括發(fā)電機(jī)、變壓器、電纜、真空斷路器模型。海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)等值模型見(jiàn)圖1。

圖1 海上風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)模型Fig.1 Model of offshore wind farm system

考慮到海底電纜呈容性，過(guò)電壓經(jīng)過(guò)電纜后會(huì)有抬升；由于連接風(fēng)機(jī)間的電纜長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于集電線路電纜長(zhǎng)度，可以將其忽略。因此集電線路末端電壓為過(guò)電壓發(fā)生時(shí)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)電壓最高點(diǎn)，故選取A點(diǎn)的電壓作為仿真時(shí)電壓測(cè)量點(diǎn)。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)與升壓變

由于過(guò)電壓主要來(lái)源于斷路器開(kāi)斷后風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)振蕩，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與過(guò)電壓的產(chǎn)生關(guān)系不大；且升壓變壓器鐵芯飽和作用可以抑制過(guò)電壓升高，風(fēng)機(jī)受到斷路器重燃產(chǎn)生的過(guò)電壓影響很小，因此將風(fēng)機(jī)簡(jiǎn)化處理為一個(gè)理想的電壓源。對(duì)于升壓變壓器，采用G型等效，將繞組參數(shù)全部歸算至高壓側(cè)?？捎墒剑?）和式（2）得出?？紤]到變壓器相間雜散電容及對(duì)地電容會(huì)對(duì)斷路器斷開(kāi)后RLC振蕩產(chǎn)生影響，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，將這些電容等效為變壓器的入口電容，并用文獻(xiàn)[22]中提出的方法計(jì)算。除了變壓器的繞組損耗外，還需要考慮變壓器鐵心損耗，用激磁阻抗表示。激磁阻抗分為激磁電阻Rm和激磁電抗Xm，激磁電阻反應(yīng)鐵心有功損耗；變壓器工作需要建立磁場(chǎng)，激磁電抗為主磁通在繞組中引起的等效電抗。Rm、Xm可由式（3）、式（4）、式（5）計(jì)算得出。

式中：k，Vs%，VN，SN，PK，PFe分別為變壓器的變比，短路電壓百分?jǐn)?shù)，額定電壓，額定容量，負(fù)載損耗，鐵芯損耗；U2N，I20分別為變壓器二次側(cè)額定電壓，二次側(cè)額定空載電流，這些參數(shù)均可通過(guò)變壓器出廠報(bào)告獲取。

1.2 海底電纜

1.2.1 海底電纜的結(jié)構(gòu)

目前我國(guó)風(fēng)機(jī)出口電壓多為690 V，海上風(fēng)電場(chǎng)升高壓通常為二級(jí)升壓方式，即風(fēng)機(jī)輸出電壓690 V經(jīng)箱變升壓至35 kV，然后通過(guò)海底電纜將電能匯至110 kV或220 kV升壓站，再通過(guò)110 kV或220 kV線路接入電網(wǎng)。

海底電纜線芯采用銅芯作為導(dǎo)體，主絕緣為交聯(lián)聚乙烯，外護(hù)套為聚氯乙烯加鋼帶鎧裝，其截面圖見(jiàn)圖2。

圖2 海底電纜截面圖Fig.2 Section diagram for submarine cable

1.2.2 海底電纜參數(shù)計(jì)算

由于海底電纜較長(zhǎng)，考慮到波過(guò)程對(duì)過(guò)電壓的影響，在仿真軟件中海底電纜采用分布參數(shù)模型，其等值RLC參數(shù)可由式（6）、式（7）、式（8）、式（9）確定。

式中：R′為最高溫度下單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的直流電阻；ρ20為線芯材料20℃時(shí)電阻率；A為線芯截面積；a為20℃時(shí)溫度系數(shù)常數(shù)；k為誤差系數(shù)；ys為集膚效應(yīng)因數(shù)；yp為臨近效應(yīng)因數(shù)；S為電纜中心間距離；DC為導(dǎo)電線芯外徑；Di為絕緣層外徑；ε0為真空介電常數(shù)；ε為絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)[23]。

2 真空斷路器重燃機(jī)理分析及建模

2.1 真空斷路器重燃機(jī)理

斷路器重燃機(jī)理見(jiàn)圖3。斷路器開(kāi)斷后，若加在斷路器兩端的電壓U超過(guò)其兩端能承受的電壓Uz，則斷路器間隙會(huì)被擊穿，發(fā)生重燃。斷路器兩端能承受的電壓Uz隨著開(kāi)斷時(shí)間t的增加而增大，呈線性關(guān)系。設(shè)斷路器在A時(shí)刻斷開(kāi)，系統(tǒng)發(fā)生RLC振蕩，電感中積累的能量釋放，斷路器兩端的電壓差不斷升高。在B時(shí)刻，斷路器兩端電壓超過(guò)其所能承受的電壓，斷路器發(fā)生重燃。隨著電弧燃燒釋放能量，斷路器中流過(guò)的電流慢慢減小，當(dāng)流過(guò)斷路器電流I幅值過(guò)零且電流陡度小于閾值時(shí)，斷路器再次開(kāi)斷，電弧熄滅，如圖3中C時(shí)刻。D時(shí)刻，斷路器兩端電壓再次達(dá)到重燃條件，則斷路器再次被擊穿，發(fā)生重燃[24]。在仿真軟件EMTP中，可通過(guò)MODEL模塊編寫邏輯控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)斷路器重燃與滅弧過(guò)程的模擬。

圖3 斷路器開(kāi)斷重燃原理圖Fig.3 The principle diagram of the circuit breaker tripping reignition

在三相電路中，某一相在重燃階段產(chǎn)生的高頻電流可以通過(guò)電容耦合的方式注入到其他相中，使得其他相的電流在瞬間強(qiáng)制過(guò)零，這種現(xiàn)象被稱為“虛擬截流”。若其他相處于額定運(yùn)行狀態(tài)，則額定電流瞬時(shí)過(guò)零會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)電壓，這對(duì)于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的絕緣是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

2.2 真空斷路器在EMTP中的模型及仿真

EMTP中沒(méi)有考慮重燃的真空斷路器模型，但是它提供了一種可由信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)模型。從時(shí)域角度分析，斷路器重燃對(duì)應(yīng)的是開(kāi)關(guān)在不同的時(shí)刻開(kāi)合。因此，可以通過(guò)搭建電路模擬出開(kāi)關(guān)開(kāi)斷后各參數(shù)隨時(shí)間的變化，交由邏輯模塊判斷，再向開(kāi)關(guān)發(fā)出合、分閘信號(hào)，具體流程見(jiàn)圖4。tstep表示計(jì)算步長(zhǎng)。假設(shè)在零時(shí)刻開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，從下一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)開(kāi)始，通過(guò)模擬電路計(jì)算出此時(shí)刻開(kāi)關(guān)兩端電壓差，將這個(gè)值送給邏輯模塊判斷是否大于開(kāi)關(guān)兩端能承受電壓的閾值。若小于閾值，則開(kāi)關(guān)不擊穿，時(shí)間增加一個(gè)步長(zhǎng)，計(jì)算下一個(gè)時(shí)刻開(kāi)關(guān)兩端的電壓差；若大于閾值，則開(kāi)關(guān)間隙被擊穿，邏輯模塊發(fā)出合閘信號(hào)，開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)生重燃。此時(shí)，時(shí)間增加一個(gè)步長(zhǎng)，計(jì)算發(fā)生重燃時(shí)模擬電路中流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流和電流陡度，邏輯模塊計(jì)算前一時(shí)刻與現(xiàn)時(shí)刻的電流乘積，若乘積值小于零，則判定電流過(guò)零。此時(shí)，若電流陡度也小于閾值，滿足熄弧條件，電弧已不能維持燃燒，邏輯模塊發(fā)出分閘信號(hào)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電弧熄滅。時(shí)間增加步長(zhǎng)，返回開(kāi)斷狀態(tài)繼續(xù)計(jì)算。若電流過(guò)零與電流陡度小于閾值不能同時(shí)滿足，電弧將持續(xù)燃燒，時(shí)間增加一個(gè)步長(zhǎng)，繼續(xù)進(jìn)行上述計(jì)算。當(dāng)時(shí)間達(dá)到程序設(shè)定的仿真時(shí)間，則跳出循環(huán)，程序結(jié)束。

圖4 斷路器狀態(tài)判定流程圖Fig.4 The flow chart of circuit breaker status decision

EMTP中搭建模擬電路見(jiàn)圖5。U為理想電源，Ru、Lu表示電源內(nèi)阻，電源與開(kāi)關(guān)直接相連。S為可受信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)，Rs、Ls、Cs表示開(kāi)關(guān)間隙的等值參數(shù)，邏輯模塊可以實(shí)時(shí)讀取仿真中開(kāi)關(guān)兩側(cè)電壓，流過(guò)開(kāi)關(guān)電流及電流陡度的數(shù)值，并判斷是否滿足開(kāi)關(guān)重燃熄弧條件，向S發(fā)送合分閘信號(hào)。S'是受時(shí)間控制的開(kāi)關(guān)，它還有一個(gè)參數(shù)截流電流Imar，只有時(shí)間t大于設(shè)定的開(kāi)斷時(shí)間topen且流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流的幅值|I|小于截流電流Imar時(shí)，開(kāi)關(guān)才會(huì)打開(kāi)。因此，可以通過(guò)設(shè)定S'的開(kāi)斷時(shí)間t及截流Imar控制開(kāi)關(guān)第一次開(kāi)斷的時(shí)間及開(kāi)斷時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

依據(jù)真空斷路器的原理及上述EMTP中模擬電路，取線路空載運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定各元件參數(shù)為額定值，模擬電弧參數(shù)取Rs=50 Ω，Ls=50 nH，Cs=200 pF[24]，按經(jīng)驗(yàn)值取斷路器兩端可承受的電壓閾值Uz（t）=2×107×（t-topen）+1 000，t為仿真總時(shí)間，topen為斷路器開(kāi)斷時(shí)刻。仿真得電壓，電流波形見(jiàn)圖6，在仿真設(shè)定的狀態(tài)下一共發(fā)生4次重燃。每發(fā)生一次重燃，開(kāi)關(guān)前后都會(huì)產(chǎn)生一次過(guò)電壓沖擊，且電壓幅值越來(lái)越大。對(duì)比圖6（a）、6（b）發(fā)現(xiàn)，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流與沖擊電壓變化趨勢(shì)一致。當(dāng)加在開(kāi)關(guān)兩側(cè)的電壓不足以再次滿足重燃條件時(shí)，開(kāi)關(guān)開(kāi)斷。

圖5 EMTP中重燃斷路器模擬電路圖Fig.5 The simulation circuit of reignition circuit breaker in EMTP

圖6 空載下斷路器重燃時(shí)電流、電壓Fig.6 Current and voltage of circuit breaker when it reignite in no load

3 海上風(fēng)電場(chǎng)過(guò)電壓仿真分析與改進(jìn)措施

3.1 斷路器重燃對(duì)過(guò)電壓的影響

由斷路器開(kāi)斷引起的過(guò)電壓幅值為斷路器開(kāi)斷前的電壓幅值與振蕩電路產(chǎn)生的電壓幅值之和。斷路器開(kāi)斷前的電壓取決于開(kāi)斷時(shí)刻的電源角度。因此，電源角度會(huì)對(duì)過(guò)電壓的幅值產(chǎn)生影響。

斷路器發(fā)生重燃時(shí)仿真得到過(guò)電壓波形如圖7所示。電源角度為0°，電壓測(cè)量點(diǎn)為圖1中A點(diǎn)，即集電線路末端。斷路器在50 ms斷開(kāi)，最大過(guò)電壓達(dá)70.8 kV。斷路器開(kāi)斷后2～4 ms內(nèi)發(fā)生了4次重燃，每一次重燃引起電壓波動(dòng)的幅值逐漸增加，最大電壓波動(dòng)達(dá)40 kV。由于此時(shí)電壓幅值不大，與重燃產(chǎn)生的電壓疊加后沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電壓。從圖7中可以看出重燃產(chǎn)生的電壓陡度遠(yuǎn)大于斷路器開(kāi)斷時(shí)的電壓陡度。斷路器斷開(kāi)后，不同電源角度下最大電壓陡度與重燃次數(shù)見(jiàn)表1。由圖7及表1可知，重燃會(huì)增大過(guò)電壓的電壓陡度。且重燃次數(shù)越多，發(fā)生重燃時(shí)的電壓陡度越大。

圖7 電源角度為0°的過(guò)電壓波形Fig.7 Phase A voltage waveform before switch when source angle is 0°

表1 各電源角度下斷路器重燃次數(shù)與最大電壓陡度Table 1 Times of the reignition and the maximum voltage steepness in different angle power source

3.2 海底電纜及系統(tǒng)參數(shù)對(duì)過(guò)電壓的影響

斷路器開(kāi)斷時(shí)，電弧電流在工頻自然過(guò)零前突然截?cái)嘟抵亮?，截?cái)鄷r(shí)刻的電流稱為截流。斷路器截流值的大小與真空斷路器觸頭材料及電路參數(shù)有關(guān)。截流值越大，電路中儲(chǔ)存的能量越大，產(chǎn)生過(guò)電壓幅值也越大。對(duì)于正常運(yùn)行系統(tǒng)，截流值取額定電流，電感中儲(chǔ)存的能量最大，振蕩產(chǎn)生的過(guò)電壓也最大。

海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)變組通過(guò)海底電纜與主變相連，由于海底電纜容抗大于感抗，表現(xiàn)出容性特征，過(guò)電壓在經(jīng)過(guò)電纜線路后在幅值與陡度上會(huì)有一定抬升，因此在海上風(fēng)電場(chǎng)集電線路末端（圖1中A點(diǎn)）會(huì)出現(xiàn)較大的過(guò)電壓。

海底電纜采用分布參數(shù)模型，由于海底電纜電阻與電感值都較小，其變化對(duì)過(guò)電壓影響不大，因此只考慮單位長(zhǎng)度電容對(duì)過(guò)電壓的影響。選取某一型號(hào)海底電纜單位長(zhǎng)度電容C=1.21×10-4μF/m為基準(zhǔn)值，改變C值，在發(fā)生重燃線路末端產(chǎn)生的過(guò)電壓見(jiàn)圖8。

其他條件不變，隨著單位長(zhǎng)度電容增大，線路容抗減小，因此線路末端過(guò)電壓也減小。除此之外，電纜長(zhǎng)度會(huì)影響總的線路參數(shù)，電纜越長(zhǎng)，線路總?cè)菘乖酱螅瑒t電纜末端過(guò)電壓會(huì)隨之增大。從過(guò)電壓角度考慮，實(shí)際鋪設(shè)海底電纜時(shí)，在容量滿足要求的前提下，可選擇單位長(zhǎng)度電容較大的電纜型號(hào)。

圖8 單位長(zhǎng)度海底電纜電容與過(guò)電壓幅值關(guān)系Fig.8 The relationship between the amplitude of overvoltage and the capacitance per length of the submarine cable

3.3 海上風(fēng)電場(chǎng)三相過(guò)電壓仿真及抑制

由上述分析可知，斷路器重燃會(huì)增大過(guò)電壓的陡度，電源角度及系統(tǒng)參數(shù)則對(duì)過(guò)電壓的幅值產(chǎn)生影響。因此需要從電壓幅值及陡度兩個(gè)方面抑制過(guò)電壓。

按照?qǐng)D1搭建仿真系統(tǒng)，選擇風(fēng)電場(chǎng)中電壓最高的點(diǎn)作為電壓測(cè)量點(diǎn)，即集電線路末端，如圖1中A點(diǎn)。設(shè)定斷路器截流值為額定電流，調(diào)整電源角度使流過(guò)斷路器中電流恰好到額定值截?cái)啵到y(tǒng)各元件參數(shù)均取額定值，可以得到三相電壓波形，見(jiàn)圖9，最大過(guò)電壓出現(xiàn)在B相，幅值為125 kV。

圖9 三相過(guò)電壓波形Fig.9 Three phase overvoltage waveform

由圖1可知，集電線路末端即為升壓變壓器高壓側(cè)。根據(jù)GB 1094.3《電力變壓器第三部分絕緣水平和絕緣試驗(yàn)》[25]，對(duì)于35 kV電壓等級(jí)變壓器，額定外施耐受電壓（方均根值）為85 kV，因此需要加裝保護(hù)措施抑制過(guò)電壓。35 kV氧化鋅避雷器的動(dòng)作電壓約為70 kV，略小于額定外施耐受電壓，且最大電壓陡度31.92 kV/ms，小于1.2/50 ms標(biāo)準(zhǔn)雷電波（耐壓等級(jí)為170 kV）的電壓陡度141.67 kV/ms，滿足過(guò)電壓保護(hù)需求。從保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)角度考慮，將避雷器放置于真空斷路器后，即圖1中A點(diǎn)處。再次仿真得結(jié)果如圖10所示，此時(shí)三相過(guò)電壓最大幅值不到60 kV且抑制斷路器發(fā)生重燃，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。若在斷路器兩側(cè)分別加裝避雷器，仿真發(fā)現(xiàn)過(guò)電壓抑制效果與只裝一側(cè)相近，從經(jīng)濟(jì)性考慮，只在真空斷路器后加裝避雷器即可。

圖10 加避雷器后三相過(guò)電壓波形Fig.10 Three phase overvoltage waveform after install surge arrester

4 結(jié)論

真空斷路器重燃過(guò)電壓是海上風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓主要來(lái)源。筆者通過(guò)對(duì)真空斷路器重燃機(jī)理的研究，在ATP-EMTP中建立了真空斷路器模型，并驗(yàn)證其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器重燃過(guò)程的模擬。之后將該模型應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)中，分析斷路器重燃及其他因素對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓的影響，提出在真空斷路器后加裝合適的避雷器可有效抑制海上風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓。結(jié)論如下：

1）真空斷路器開(kāi)斷時(shí)易發(fā)生重燃，重燃發(fā)生次數(shù)越多，電壓波動(dòng)的幅值越大。

2）海上風(fēng)電場(chǎng)操作過(guò)電壓不僅與真空斷路器重燃有關(guān)，電源角度、真空斷路器截流值、海底電纜長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。真空斷路器重燃會(huì)增大過(guò)電壓陡度；電源角度、海底電纜長(zhǎng)度及系統(tǒng)參數(shù)變化會(huì)對(duì)過(guò)電壓幅值產(chǎn)生影響。

3）海底電纜呈容性，過(guò)電壓經(jīng)過(guò)電纜后會(huì)有抬升，且過(guò)電壓幅值隨著電纜容抗的增大而增大。在滿足線路設(shè)計(jì)要求的前提下，使用容抗較小的海底電纜會(huì)降低過(guò)電壓幅值。

4）在真空斷路器后加裝合適的避雷器在電壓幅值和電壓陡度上都對(duì)過(guò)電壓起到良好的抑制效果，且抑制了重燃的發(fā)生。

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Analysis on Restrike Overvoltage of Circuit Breakers in Offshore Wind Farms

ZHOU Qibin1，2，CHENG Yu1，ZHAO Yang3
（1.School of Electric Power Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2.Shanghai Lightning Protection Center，Shanghai 201615，China;3.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

The electric equipment in offshore wind farm will be seriously impacted caused by the re?strike overvoltage from multiple reignition of circuit breakers.With large-scale wind turbines’trip-off from grid caused by overvoltage，the stability of power system would be decreased.In allusion to this problem，a model of reignition process in ATP-EMTP is established on the base of detailed analysis of the multiple reignition mechanism of vacuum circuit breakers，and verified that this model can simulated the reignition process of circuit breakers.Then this model is firstly applied in the overvoltage analysis of an offshore wind farm.The equivalent model of offshore wind farm is established，to simulate the overvolt?age in the offshore wind farm when the circuit breaker reignition，and the influence of the submarine ca?ble and the parameter of offshore wind farm on switching overvoltage is analyzed.Finally，it is proposed and discussed that the installation of suitable arrester to circuit breaker，so as to suppress the restrike overvoltage.The research results show that:without installation of overvoltage protection device，there will produce a very high voltage offshore wind farm，harm the safe operation;after installing the lightning arrester，it can effectively reduce the overvoltage protection of offshore wind farm.

offshore wind farm；restrike overvoltage of circuit breaker；multiple reignitions；arrester；ATP-EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.011

2016-10-09

周歧斌（1977—），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槔纂姺雷o(hù)，風(fēng)力發(fā)電。

上海市氣象局面上課題（編號(hào)：MS201602）。