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）

0 引言

隨著人們對(duì)可再生清潔能源需求的增加，風(fēng)電場的規(guī)模日益擴(kuò)大，與此同時(shí)，風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運(yùn)行也越來越受到重視[1-3]。近年來，風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致其遭雷擊損壞率超過預(yù)期，因此對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行雷電防護(hù)十分重要[4-9]。

風(fēng)電機(jī)組防雷主要分為直擊雷和雷電浪涌防護(hù)。風(fēng)電機(jī)組葉片最容易遭受直擊雷，雷電流經(jīng)接閃器、引下線和接地體泄放入地。針對(duì)直擊葉片及相關(guān)接地問題，目前已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究[10-15]。文獻(xiàn)[10-11]研究風(fēng)電機(jī)組正常工作時(shí)葉片遭雷擊情況，提出葉片旋轉(zhuǎn)會(huì)增大雷擊閃絡(luò)電壓；文獻(xiàn)[12]計(jì)算雷電流在碳纖維復(fù)合材料葉片的分布特性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13-15]分析接地對(duì)防雷的影響，給出風(fēng)電場電氣設(shè)備的接地建議。此外，雷電還可以以浪涌入侵的形式危害風(fēng)電機(jī)組，對(duì)發(fā)電機(jī)及風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部電力電子設(shè)備安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅[16-18]。基于絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的風(fēng)電機(jī)組變流器可提高風(fēng)電機(jī)組輸出的電能質(zhì)量使其滿足并網(wǎng)要求[19-20]，因此變流器雷電防護(hù)是風(fēng)電機(jī)組防雷的重要環(huán)節(jié)。風(fēng)電機(jī)組防雷標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-24提出變流器兩側(cè)需加裝合適的浪涌保護(hù)器（Surge Protec?tion Device，SPD）作為保護(hù)[21]，但SPD的接地方式以及SPD參數(shù)選型都未做出具體規(guī)定，目前也沒有關(guān)于變流器雷電防護(hù)的研究。針對(duì)這一問題，筆者借助高壓實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)并具體分析，給出參考建議，為變流器雷電防護(hù)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

為了研究不同風(fēng)電機(jī)組類型變流器防護(hù)效果，第一組實(shí)驗(yàn)選取直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組。雷電浪涌分別從發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)入侵變流器，比較變流器在兩種運(yùn)行狀態(tài)（不工作、正常工作）下，不同接地方式的過電壓防護(hù)效果，選出最佳接地方案。第二組實(shí)驗(yàn)以雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，取實(shí)驗(yàn)一中最佳接地方式，雷電流注入位置、變流器工作狀態(tài)設(shè)定與實(shí)驗(yàn)一相同，比較幾種市場常見SPD的過電壓防護(hù)效果，分析SPD參數(shù)與過電壓的關(guān)系，篩選滿足雷電防護(hù)要求的SPD型號(hào)。此外，實(shí)驗(yàn)二還討論了線路寄生電感和變流器諧波電壓對(duì)變流器入口電壓的影響，并給出SPD參數(shù)選取的建議。

1 變流器防雷分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 雷電流傳播路徑

風(fēng)電場通常位于空曠地區(qū)，遭雷擊概率較大。風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場集電線路遭直擊雷時(shí)，雷電浪涌分別沿發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和線路側(cè)（電網(wǎng)側(cè)）侵入風(fēng)電機(jī)組，最終都通過SPD泄放入地。

1.2 變流器防雷要求

風(fēng)電場遭雷擊時(shí)，雷電浪涌從電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)入侵變流器，危害其正常工作。由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，變流器雷電防護(hù)一般遵循風(fēng)電機(jī)組絕緣配合要求。通常變流器內(nèi)核心器件IGBT管耐壓值為6 kV[22]，需要安裝合適的SPD將變流器兩側(cè)電壓限定在6 kV以內(nèi)。此外，雷電流經(jīng)SPD泄放入地，接地方式不同會(huì)影響SPD接入點(diǎn)電壓大小，因此，選擇合適的接地方式也是變流器防護(hù)的重要環(huán)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，SPD接入點(diǎn)與變流器入口側(cè)存在線路寄生電感、變流器工作時(shí)產(chǎn)生諧波電壓都會(huì)影響SPD參數(shù)選型。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為了保護(hù)變流器免遭雷擊侵害，筆者設(shè)計(jì)SPD接地方式選取及SPD選型兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案如下：

實(shí)驗(yàn)一：SPD接地方式選取

沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生浪涌電流，按照以下三種方案注入變流器中，比較不同接地方式下過電壓情況，尋找最佳接地方式。為了保護(hù)變流器，首先在變流器不工作的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

方案一：變流器不工作，浪涌電流從電網(wǎng)側(cè)注入變流器；方案二：變流器不工作，浪涌電流從發(fā)電機(jī)側(cè)注入變流器；方案三：變流器正常工作，選取方案一、二中最佳接地方式，比較過電壓保護(hù)效果。

實(shí)驗(yàn)二：SPD選型

取實(shí)驗(yàn)一中最佳接地方式，比較不同參數(shù)SPD對(duì)過電壓抑制效果，選取保護(hù)效果最好的SPD。實(shí)驗(yàn)方案如下：

方案一：變流器正常工作，浪涌電流從電網(wǎng)側(cè)注入變流器；方案二：變流器正常工作，浪涌電流從發(fā)電機(jī)側(cè)注入變流器。

目前風(fēng)電場主要采用永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組和雙饋風(fēng)電機(jī)組，由于針對(duì)此兩種風(fēng)電機(jī)組變流器保護(hù)設(shè)計(jì)的SPD接地方式選取及SPD選型實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，下節(jié)分別對(duì)永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器SPD接地方式選取實(shí)驗(yàn)和雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器SPD參數(shù)選取實(shí)驗(yàn)進(jìn)行描述和分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組變流器SPD接地方式選取實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。在永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的變流器兩側(cè)分別并聯(lián)接入SPD，近風(fēng)電機(jī)組出口側(cè)接690/380 V變壓器以提供自身控制系統(tǒng)用電，因此需要加裝SPD保護(hù)風(fēng)電機(jī)組控制電路。實(shí)際風(fēng)電場中，SPD接入點(diǎn)與變流器相距不遠(yuǎn)，SPD可經(jīng)變流器金屬框架、銅帶、電纜單獨(dú)接地，也可采取多種方式混合接地，圖2為變流器經(jīng)銅帶接地實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場圖。

圖1 永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組SPD接地實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.1 Experiment circuit of the grounding of SPDs in directdriven permanent-magnetic wind turbines

圖2 變流器經(jīng)銅帶接地Fig.2 The converter by copper grounding

實(shí)驗(yàn)選取8/20 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，浪涌電流I0幅值為15 kA。由于本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察不同接地方式對(duì)變流器的保護(hù)效果，暫選用SPD參數(shù)如下：Uc=600 V；Imax=25 kA；In=15 kA；Up=3 kV，SPD參數(shù)差異及線路寄生電感對(duì)過電壓防護(hù)效果的影響將在實(shí)驗(yàn)二中具體討論。為表述簡潔，定義SPD經(jīng)變流器金屬框架接地為G1類接地方式，經(jīng)銅帶接地為G2類接地，經(jīng)電纜接地為G3類接地。

方案一：變流器不工作，雷電流從網(wǎng)側(cè)注入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。U1為網(wǎng)側(cè)SPD接入點(diǎn)電壓，U2為控制電路前SPD接入點(diǎn)電壓，I1、I2分別為流入變流器和控制電路的電流，各測量點(diǎn)位置均已在圖1中標(biāo)注。

方案二：變流器不工作，雷電流從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)注入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。U3為發(fā)電機(jī)側(cè)SPD接入點(diǎn)電壓，U4為SPD殘壓，I3為SPD泄放電流。

由表1及表2可知，SPD采用合適的接地方式后可將雷電過電壓限制在變流器耐壓值6 kV[22]以內(nèi)且可以泄放絕大部分雷電流。比較不同的接地方式，除SPD僅經(jīng)電纜接地外，其他接地方式都能滿足變流器防護(hù)要求。SPD經(jīng)兩種方式混合接地對(duì)過電壓抑制效果優(yōu)于單一方式接地，經(jīng)變流器框架與電纜共同接地對(duì)過電壓抑制效果最好。此外，控制電路前變壓器一側(cè)為三角形接線，浪涌電流無法通過，實(shí)驗(yàn)中測得I2點(diǎn)電流為0。

方案三：變流器正常工作，選取方案一、二中最佳接地方式：經(jīng)變流器框架和電纜共同接地，浪涌電流從電網(wǎng)測注入，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表1 雷電流從網(wǎng)側(cè)注入時(shí)測量點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 1 The measuring point data for surge current injected from grid

表2 雷電流從發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)注入時(shí)測量點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 2 The measuring point data for surge current injected from the rotor side

表3 變流器工作，取最佳接地方式時(shí)測量點(diǎn)數(shù)據(jù)Table 3 The measuring point data when the converter works with the best earthing mode

變流器處于工作狀態(tài)時(shí)，會(huì)分流一部分浪涌電流，變流器側(cè)電壓較不工作時(shí)更低。表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以證明，SPD經(jīng)變流器框架與電纜或銅帶共同接地可以較好抑制雷電浪涌過電壓，維持設(shè)備正常運(yùn)行。

2.2 雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器SPD參數(shù)選取實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)選取雙饋風(fēng)電機(jī)組，浪涌電流主要通過SPD泄放入地，由于SPD參數(shù)差異，其浪涌電流泄放能力不同。實(shí)驗(yàn)二分別在變流器冷態(tài)（不工作）與熱態(tài)（正常工作）下模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)遭雷電浪涌沖擊，選取目前市場上常見的幾種SPD型號(hào)，對(duì)比分析過電壓保護(hù)效果。

實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示。由2.1節(jié)結(jié)果可知，本實(shí)驗(yàn)采取SPD經(jīng)變流器框架與電纜共同接地。實(shí)驗(yàn)選取8/20 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，對(duì)于不同型號(hào)SPD，浪涌電流I0幅值取其標(biāo)稱放電電流。

圖3 雙饋風(fēng)電機(jī)組SPD參數(shù)選取實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.3 Experiment circuit of the parameter selection of SPDs in double fed induction generators

SPD通常安裝于雷電防護(hù)區(qū)域交界處，網(wǎng)側(cè)SPD位于LPZ0區(qū)與LPZ1區(qū)交界，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)SPD位于LPZ1與LPZ2區(qū)交界[21]；根據(jù)IEC 62305-4及IEC 61400-24，網(wǎng)側(cè)選用I類SPD，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)選用Ⅱ類SPD。主要參數(shù)如表4、表5所示。其中，UC為SPD的最大持續(xù)工作電壓；In為SPD標(biāo)稱放電電流，波形為8/20 μs；Iimp為I類SPD的沖擊電流，波形為10/350 μs；Imax為Ⅱ類SPD的最大放電電流，，波形為8/20 μs；Up為SPD的電壓保護(hù)水平，是表征SPD限制接線端子間電壓的性能參數(shù)。

表4 實(shí)驗(yàn)選用Ⅰ類SPD參數(shù)（近電網(wǎng)側(cè)）Table 4 Experimental selection of parameters of SPDs with classⅠ（near grid side）

表5 實(shí)驗(yàn)選用Ⅱ類SPD參數(shù)（近發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)）Table 5 Experimental selection of parameters of SPDs with classⅡ（near rotor side）

方案一：變流器不工作，沖擊雷電流分別從機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)注入。各型號(hào)SPD在沖擊電流施加不同相時(shí)，SPD接入點(diǎn)（圖3中P、R）最大電壓如圖4所示。

方案二：變流器正常工作，沖擊雷電流分別從機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)注入，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

通過圖4、圖5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合表4、表5，a、b型號(hào)SPD的In相等，b型號(hào)Up值較小，SPD接入點(diǎn)電壓較a型號(hào)明顯偏小，三種Ⅱ類SPD也有類似的對(duì)比數(shù)據(jù)。此外，b、c型號(hào)Up值相同，c型號(hào)實(shí)驗(yàn)中遭受35 kA沖擊電流，大于b型號(hào)的25 kA，因此c型號(hào)SPD接入點(diǎn)電壓較大。對(duì)比圖4、圖5，變流器正常工作時(shí)，一部分浪涌電流向變流器分流，因此各實(shí)驗(yàn)情況下，SPD接入點(diǎn)電壓較變流器不工作時(shí)小。綜上所述，SPD接入點(diǎn)電壓與施加沖擊電流幅值呈正相關(guān)；SPD的Up值越小對(duì)過電壓的抑制效果越好。浪涌電流I0取25 kA時(shí)，電壓保護(hù)水平Up為2.5 kV的SPD能夠滿足變流器絕緣配合的要求。

圖4 方案一SPD接入點(diǎn)最大電壓Fig.4 The maximum voltage at the SPD access point in case one

圖5 方案二SPD接入點(diǎn)最大電壓Fig.5 The maximum voltage at the SPD access point in case two

2.3 線路寄生電感對(duì)SPD選型影響

實(shí)際情況中，SPD接入點(diǎn)與變流器入口側(cè)往往通過一小段線路連接，如圖6所示，線路的等值電感稱為線路寄生電感，浪涌電流入侵時(shí)，線路寄生電感會(huì)產(chǎn)生電壓降，見式（1）：

式中：UL為線路兩端電壓降；L為線路寄生電感；di/dt為浪涌電流陡度[23]。雖然L值很小，但浪涌電流陡度很大，線路兩端會(huì)產(chǎn)生明顯的電壓差。因此被保護(hù)設(shè)備入口側(cè)電壓將高于SPD接入點(diǎn)電壓。SPD參數(shù)選型實(shí)驗(yàn)中，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)增加一個(gè)電壓測量點(diǎn)Q（U6），用于考察線路寄生電感對(duì)保護(hù)設(shè)備入口側(cè)電壓抬升的影響。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示，U5、U6分別為SPD接入點(diǎn)與變流器入口側(cè)電壓，即圖3中P、Q點(diǎn)；UL為線路兩端電壓降。選取各型號(hào)SPD電壓抬升最嚴(yán)重情況，其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場示波器波形如圖7所示。

圖6 SPD接入點(diǎn)與變流器間連接線路Fig.6 The connection lines between the SPD access point and the converter

由表6及圖7可知，在各實(shí)驗(yàn)情況下，U6點(diǎn)電壓均高于U5點(diǎn)，其中f型號(hào)SPD浪涌電流從B相注入時(shí)寄生電感對(duì)變流器入口側(cè)電壓抬升最嚴(yán)重。圖7中的綠線為SPD接入點(diǎn)電壓U5，在SPD動(dòng)作后電壓迅速下降；而由于線路電感中電流不能發(fā)生突變，圖7中的藍(lán)線，即變流器入口側(cè)電壓U6在SPD動(dòng)作后先小幅上升，再下降，線路兩端電壓降UL最大可達(dá)6 kV，將嚴(yán)重削弱保護(hù)效果。GB 50343規(guī)定SPD連接線路長度不宜超過0.5m[24]。

表6 SPD接入點(diǎn)與變流器連接線兩端電壓最大值Table 6 The maximum voltage between the connection line of the SPD access point and the converter

2.4 變流器產(chǎn)生的諧波電壓對(duì)SPD選型影響

e、f型號(hào)SPD的最大持續(xù)工作電壓UC=760 V，為最大交流電壓有效值[25]，其幅值為1 074.64 V。實(shí)驗(yàn)中監(jiān)測到變流器正常工作時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)出現(xiàn)幅值約1 350 V的諧波電壓，如圖8所示。由于諧波電壓震蕩頻率較高，會(huì)導(dǎo)致SPD頻繁動(dòng)作而有電流流過，使得壓敏電阻（MOV）升溫，觸發(fā)SPD內(nèi)部脫離器誤動(dòng)作，SPD將迅速失效。實(shí)驗(yàn)中e、f型SPD均出現(xiàn)此類情況，更換UC為1000 V的d型號(hào)產(chǎn)品則可以正常工作。因此，SPD選型時(shí)應(yīng)考慮變流器的諧波電壓，選取SPD的最大持續(xù)工作電壓幅值大于諧波電壓的型號(hào)。

圖7 各型號(hào)SPD電壓抬升最嚴(yán)重情況實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Oscillogram of the most serious voltage rise cases of each SPD model

圖8 變流器轉(zhuǎn)子側(cè)諧波電壓Fig.8 Oscillogram of the harmonic overvoltage at rotor side of the converter

3 結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組變流器兩側(cè)加裝SPD可有效防護(hù)雷電浪涌沖擊。筆者通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，研究SPD接地方式及型號(hào)參數(shù)對(duì)變流器的保護(hù)效果，并考慮諧波電壓對(duì)SPD選型的影響，得出結(jié)論如下。

1）SPD經(jīng)兩種方式混合接地對(duì)雷電浪涌產(chǎn)生的過電壓抑制效果優(yōu)于單一方式接地，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明最佳接地方式為經(jīng)變流器框架與銅帶或電纜共同接地。

2）連接變流器控制電路的變壓器高壓側(cè)為三角形接線，可有效防止浪涌電流分流，保證控制電路正常工作。

3）變流器遭雷電浪涌入侵時(shí)，SPD的電壓保護(hù)水平Up越小對(duì)過電壓的抑制效果越好；浪涌電流I0為25 kA時(shí)，電壓保護(hù)水平Up取2.5 kV能夠滿足變流器雷電防護(hù)要求。

4）線路寄生電感會(huì)使被保護(hù)設(shè)備入口側(cè)電壓有明顯抬升，嚴(yán)重削弱過電壓保護(hù)效果。

5）諧波電壓會(huì)使SPD頻繁導(dǎo)通，導(dǎo)致脫離器誤動(dòng)作造成保護(hù)失效，應(yīng)選取最大持續(xù)工作電壓幅值大于諧波電壓幅值的SPD型號(hào)。

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