王朝明

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，南京 210096）

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔無污染的可持續(xù)能源，利用其發(fā)電有利于改善我們能源結(jié)構(gòu)，緩解火力發(fā)電等帶來的化石能源供給及環(huán)境污染問題[1]。近十年來，風(fēng)電行業(yè)在我國得到快速發(fā)展。截止2017年，我國累計裝機(jī)容量占全球的35%。但隨著優(yōu)質(zhì)風(fēng)能資源地區(qū)的減少，風(fēng)機(jī)正快速朝低風(fēng)速方向發(fā)展，即要求風(fēng)機(jī)具有更高的高度，更大的單機(jī)掃略面積，給安裝在孤立曠野易遭受雷擊的機(jī)組帶來更大的防雷挑戰(zhàn)[2-3]。

自然界中的風(fēng)具有波動性、隨機(jī)性和間歇性等特點(diǎn)，決定了風(fēng)力發(fā)電具有不穩(wěn)定性[3]。在雙饋型異步發(fā)電機(jī)中，需要變流器通過對轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵磁，從而使定子側(cè)輸出達(dá)到并網(wǎng)條件的電能。因此，變流器是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的重要組成部分。目前大部分變流器中使用的核心部件為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其本身的耐受過電壓值為6 kV，因此在變流器遭受過電壓時，為保證變流器能夠正常工作需要加裝浪涌保護(hù)器。目前風(fēng)電行業(yè)中針對變流器中浪涌保護(hù)器的使用主要是根據(jù)IEC 61400-24標(biāo)準(zhǔn)，但是標(biāo)準(zhǔn)中僅僅對變流器機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)要求安裝合適的SPD，但對其具體型號及安裝方式并沒有做詳細(xì)要求[4-10]。此外，周歧斌[11]針對風(fēng)電機(jī)組變流器SPD的安裝方式進(jìn)行試驗(yàn)分析，但對于變流器網(wǎng)側(cè)的SPD選型問題，僅按照GB 50057—2010內(nèi)要求的在LPZ0B到LPZ1區(qū)安裝一級SPD進(jìn)行了測試。

筆者選擇風(fēng)電機(jī)組中使用較為廣泛的雙饋型機(jī)組，根據(jù)實(shí)際雷電浪涌路徑，分析變流器網(wǎng)側(cè)可能遭受的雷電流類型，進(jìn)而確定風(fēng)電機(jī)組中變流器網(wǎng)側(cè)SPD型號。此外，針對目前風(fēng)電機(jī)組中對于SPD接地過長的不規(guī)范問題，以變流器網(wǎng)側(cè)SPD為例，進(jìn)行了理論計算與試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。

1 理論計算

SPD兩端的殘壓不僅包括SPD自身的殘壓。由于雷電流是瞬變電流，會在接地線上產(chǎn)生很高線壓，從而導(dǎo)致整體殘壓抬升。因此GB 50057—2010中[10]提出SPD接地線盡量短，需要保證在0.5 m以內(nèi)。

浪涌保護(hù)器安裝殘壓示意圖見圖1。

圖1 浪涌保護(hù)器殘壓Fig.1 Residual voltage of SPD

圖中：U0為SPD總殘壓，U1為SPD本身產(chǎn)生的殘壓，U2為SPD接地線a和b上產(chǎn)生的線壓，故存在下式關(guān)系[10]：

接地線a和b上線壓U2計算公式如下：

式中：R為線纜a和b上總電阻；L為總電感值。

線纜電阻計算式為

式中：ρ為導(dǎo)線的電阻率，銅為1.75×10-8Ω·m；l為線纜長度。

線纜電感計算如下：

式中：μ0為常數(shù) 4π×10-7；l為電纜長度；r為線纜半徑。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 變流器試驗(yàn)圖及SPD參數(shù)選擇

如圖2所示為雙饋型風(fēng)電機(jī)組變流器SPD的安裝示意圖。按照IEC 61400-24中要求，風(fēng)電機(jī)組變流器機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)均安裝SPD進(jìn)行雷電過電壓或操作過電壓保護(hù)。本文主要對變流器網(wǎng)側(cè)SPD進(jìn)行試驗(yàn)分析。

圖2 雙饋型機(jī)組變流器SPD安裝示意圖Fig.2 The diagram of SPD installation of double feed converter

根據(jù)GB 50057—2010中要求，從LPZ0到LPZ1區(qū)需要安裝一級浪涌保護(hù)器，因?yàn)長PZ0區(qū)中LPZ0A區(qū)可能遭受直擊雷，且雷電電磁脈沖沒有減弱和LPZ0B不可能遭受直擊雷，且雷電電磁脈沖沒有減弱，從LPZ0區(qū)進(jìn)入LPZ1區(qū)時，器件可能遭受直擊雷的沖擊，因此需要安裝一級浪涌保護(hù)器。如圖3所示為風(fēng)電機(jī)組變流器及箱變安裝示意圖及防雷分區(qū)。變流器至箱變之間線纜全部使用金屬穿鋼管埋地處理，不會遭受直擊雷。箱變?yōu)?90 V轉(zhuǎn)35 kV，且高壓側(cè)和低壓側(cè)均安裝浪涌保護(hù)器。在箱變至升壓站有些風(fēng)場采用全部埋地處理，風(fēng)機(jī)距離升壓站較遠(yuǎn)的風(fēng)場采用輸電線架進(jìn)行架空處理。但箱變至第一個輸電線架也采用了埋地處理。根據(jù)以上情況分析，即使架空的輸電線路上輸電線遭受直擊雷，在箱變高、低壓側(cè)也有浪涌保護(hù)器將雷電電流泄放入地。因此風(fēng)電機(jī)組中變流器網(wǎng)側(cè)雖然處于LPZ0至LPZ1區(qū)邊界，但實(shí)際不可能遭受直擊雷的襲擊。在變流器網(wǎng)側(cè)安裝二級SPD即可[12-16]。本文試驗(yàn)中選擇二級SPD，參數(shù)如下：In=20 kA，Imax=40 kA，Up=1.5 kV。

圖3 變流器和箱變安裝位置及分區(qū)示意圖Fig.3 The location and partition diagram of convener and transformer

2.2 試驗(yàn)測試方案

變流器工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)下會有很大差異，因此分別進(jìn)行變流器正常工作狀態(tài)下網(wǎng)側(cè)SPD測試以及停機(jī)狀態(tài)下SPD測試。試驗(yàn)針對變流器網(wǎng)側(cè)SPD接地線長度對殘壓影響進(jìn)行研究，試驗(yàn)中采用2.5 mm2黃綠雙色線加柜體鋼結(jié)構(gòu)接地方式。

試驗(yàn)中對變流器網(wǎng)側(cè)SPD模擬雷電流沖擊，試驗(yàn)沖擊波形采用8/20 μs波形。試驗(yàn)回路見圖4，利用TEKDPO3012示波器對殘壓和沖擊電流進(jìn)行記錄。

圖4 雷電模擬沖擊回路Fig.4 The diagram of experiment circuit

試驗(yàn)過程中，首先對按照規(guī)范要求接地線在0.5 m以內(nèi)（0.2 m）的SPD進(jìn)行測試，沖擊電流按照5 kA，10 kA，15 kA和20 kA進(jìn)行沖擊。測試過程中記錄相應(yīng)的殘壓值。測試后，人為增加接地線長度至0.5 m和1 m，再分別重復(fù)上述沖擊試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證變流器SPD接地線長度對沖擊殘壓影響，模擬沖擊SPD接地線長度0.2 m，0.5 m和1 m，3種情況下SPD沖擊殘壓。由于變流器正常工作對殘壓會有影響，因此在沖擊試驗(yàn)時，分變流器正常工作和停機(jī)狀態(tài)下測試。

3.1 變流器停機(jī)狀態(tài)

將變流器處于停機(jī)狀態(tài)下，改變網(wǎng)側(cè)SPD接地線長度，進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)，沖擊波形為8/20 μs波形，結(jié)果見表1。

從表1中可知，隨著沖擊電流的增大，SPD所產(chǎn)生的殘壓會增大。試驗(yàn)中選擇的SPD電壓保護(hù)水平Up=1.5 kV。當(dāng)沖擊電流達(dá)到SPDIn=20 kA時，由于接地線長度不同，SPD殘壓分別為1.91 kV、3.03 kV和4.78 kV。由此可知，由于SPD使用了接地線，在沖擊時線上存在線壓，會導(dǎo)致殘壓的抬升。當(dāng)接地線長度達(dá)到1m時，沖擊電流In=20 kA時，SPD所產(chǎn)生的殘壓為4.78 kV，相對于SPD本身殘壓1.5 kV，提升了3倍。因此風(fēng)機(jī)機(jī)組應(yīng)嚴(yán)格把控SPD接地線長度。目前部分整機(jī)廠家對于柜內(nèi)選擇了單點(diǎn)接地，該接地方式導(dǎo)致SPD接地線無法降低，只能夠盡量剪短。有些廠家柜內(nèi)設(shè)計為M型接地方式，該接地方式下，SPD接地線可以利用柜體鋼板進(jìn)行直接接地，從而有效保證接地線達(dá)到盡量短。

表1 停機(jī)狀態(tài)測試結(jié)果Table 1 Results of inactive converter

為進(jìn)一步驗(yàn)證接地線長度對SPD殘壓影響，進(jìn)行殘壓理論值與實(shí)際沖擊值進(jìn)行對比，如圖5所示。圖中沖擊電流In為20 kA，波形為8/20 μs，接地線為2.5 mm2的銅接地線纜，SPD本身殘壓為1.5 kV的理論與實(shí)際沖擊殘壓值。

圖5 SPD總殘壓Fig.5 Total residual voltage of SPDs

從圖5中可知，當(dāng)SPD接地線長度0.7 m時，會產(chǎn)生4 kV左右殘壓。此時會對變流器中分支線路設(shè)備造成絕緣破壞，當(dāng)SPD接地線長度1 m時，SPD產(chǎn)生的總殘壓為5.1 kV，比SPD本身殘壓1.5 kV，高出3.5 kV，上升了2.3倍。如果按照規(guī)范要求，接地線長度現(xiàn)在為0.5 m，則此時殘壓為3.5 kV左右，因此需要盡量減短SPD接地線長度。

3.2 變流器工作狀態(tài)

變流器工作狀態(tài)下，改變網(wǎng)側(cè)SPD接地線長度，進(jìn)行雷電沖擊試驗(yàn)，沖擊波形為8/20 μs波形，結(jié)果見表2。

表2 工作狀態(tài)測試結(jié)果Table 2 Results of active converter

從表2可看出，當(dāng)SPD接地線長度固定時，隨著沖擊電流的增大，SPD抑制過電壓產(chǎn)生的殘壓越大。當(dāng)沖擊電流確定時，SPD殘壓隨著接地線的長度增加而增加。對比表1和表2可知，在變流器正常工作狀態(tài)下，SPD沖擊所產(chǎn)生的殘壓相對于變流器不工作狀態(tài)下高。一般雷雨天風(fēng)況較好，風(fēng)機(jī)一般處于工作狀態(tài)，此時如果變流器受到雷電過電壓沖擊時，將會更加嚴(yán)重。此外，SPD接地線過長會進(jìn)一步增加殘壓，導(dǎo)致變流器內(nèi)部器件受損。

國內(nèi)目前風(fēng)電機(jī)組中SPD存在較多不規(guī)范處，以SPD接地線為例，在很多機(jī)組中發(fā)現(xiàn)SPD接地線均存在過長問題，影響了SPD限壓效果，提高了SPD殘壓。

4 結(jié)論

目前風(fēng)電機(jī)組中SPD使用存在接地線過長問題，以變流器網(wǎng)側(cè)SPD為例，首先結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)際情況，根據(jù)GB50057—2010，分析網(wǎng)側(cè)SPD選型，然后研究接地線對殘壓的影響，得出以下結(jié)論：

1）風(fēng)電機(jī)組箱變高、低壓側(cè)均有浪涌保護(hù)器保護(hù)時，變流器網(wǎng)側(cè)可從I級SPD降級為II級。

2）當(dāng)SPD接地線固定時，隨著沖擊電流的增大，SPD殘壓會增大。當(dāng)沖擊電流確定后，SPD殘壓隨著接地線長度增長而增加；此外，相對于變流器停機(jī)狀態(tài)，其工作時會進(jìn)一步導(dǎo)致SPD殘壓抬高。

3）隨著接地線長度增加，殘壓增大。當(dāng)線長達(dá)到1 m時，殘壓理論計算值5.1 kV，高于實(shí)際沖擊殘壓4.51 kV。