摘要：海上風(fēng)電因具有不占用陸上土地資源、風(fēng)能利用效率高等諸多優(yōu)勢，隨著海上風(fēng)電場建設(shè)成本的下降，得到了迅速發(fā)展。目前，海上風(fēng)電場的場內(nèi)集電線路一般采用35 kV電壓等級，風(fēng)電機組采用一機一變的方式升壓至35 kV，多臺風(fēng)電機組組合成一個聯(lián)合單元后，再送入升壓變電站。由于受外界系統(tǒng)故障的影響，系統(tǒng)恢復(fù)后，風(fēng)機啟機送電受風(fēng)況和海浪制約，其可達性將決定損失電量的大小?，F(xiàn)著重探討遠距離快速送電的并聯(lián)諧振問題及可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電;送電;諧振;解決方案

0? ? 引言

全球能源轉(zhuǎn)型為海上風(fēng)電發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間，我國“十三五”規(guī)劃將建設(shè)4個千萬千瓦級海上風(fēng)電場。通過近十年的發(fā)展，海上風(fēng)電投資逐步下降，建設(shè)速度逐步加快，積累了一定的海上風(fēng)電場運行經(jīng)驗。目前，海上風(fēng)電場的場內(nèi)集電線路一般采用35 kV電壓等級，風(fēng)電機組采用一機一變的方式升壓至35 kV，多臺風(fēng)電機組組合成一個聯(lián)合單元后，根據(jù)遠近再送入陸上升壓變電站或海上升壓變電站。近海海上風(fēng)機的運維需要借助運維船舶，目前采用的運維船舶多由交通船改裝，抗風(fēng)等級6級，新型自航雙體高速風(fēng)電運維船，抗風(fēng)等級可提升至7級，但仍然不能滿足全天候作業(yè)條件，風(fēng)機運維受到制約。尤其是在電網(wǎng)故障或站內(nèi)設(shè)備故障時，如修復(fù)后面臨連續(xù)大風(fēng)天氣，船舶避風(fēng)無法恢復(fù)送電，則將遭遇巨大的電量損失，而通過遠程停送風(fēng)機電源，可以為風(fēng)電場經(jīng)濟運行提供保障。

1? ? 35 kV分支線路集中送電的諧振問題

1.1? ? 故障停機事件

上海臨港海上風(fēng)電場位于南匯邊灘的近海海域，場址區(qū)西側(cè)距離岸線最近處約10 km，最遠處約20 km，一期工程安裝25臺4 MW風(fēng)機，二期工程安裝28臺3.6 MW風(fēng)機。二期工程風(fēng)機出口電壓為0.69 kV，經(jīng)過風(fēng)電機組自帶的箱變（3～35 kV）升至35 kV。28臺機組分為4組，其中兩組7臺，一組6臺，一組8臺，同一組內(nèi)的風(fēng)電機組分支纜相連后與35 kV主海纜連接，所有風(fēng)電機組通過4根主海纜接入岸上（35/220 kV）升壓站，升壓至220 kV后接入臨港站。二期工程2018年曾發(fā)生電網(wǎng)220 kV送出電纜中間接頭爆炸事故，搶修后，升壓站恢復(fù)送電，但因為風(fēng)況原因船舶無法出海，停機一周，損失電量約2 000萬kWh。2018年10月4日，因主變壓力釋放閥動作跳閘，35 kV Ⅱ段母線失電，后查明原因并恢復(fù)送電，由于風(fēng)況原因無法出海，35 kV風(fēng)機組4條回路風(fēng)機分別采取中控遠程集中送電方式，前3條回路（#5回路、#6回路、#7回路）送電正常，風(fēng)機陸續(xù)恢復(fù)啟機，當(dāng)送電至第4條回路（#8回路）時，回路開關(guān)跳閘，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)#8回路其中一臺風(fēng)機（#27）變壓器損壞。

1.2? ? 原因分析

#8回路陸纜經(jīng)海纜轉(zhuǎn)換井后由海纜主纜送電至#8回路第一臺風(fēng)機，再由分支海纜連入后續(xù)6臺風(fēng)機，由于海纜相間和對地電容較大，與風(fēng)機主變并聯(lián)，故障原因除主變本身絕緣因素外，發(fā)生并聯(lián)諧振從而造成#27機主變損壞也是可能的原因。下面重點對可能發(fā)生并聯(lián)諧振的情況進行分析。

海上風(fēng)場采用的電纜為35 kV光纖復(fù)合海底纜（型號HYJQF41-26/35），登陸后轉(zhuǎn)為陸纜（型號ZSFF-YJA-26/35）。三芯電纜電容分布其等效電路如圖1所示，其相間電容可等效轉(zhuǎn)換為對中性點電容。

一般電力電纜對地電容Cy和線間電容3Cx近似相等，即Cx≈1/3Cy，則換算后電纜一相對中性點電容C=2Cy，后文電容量均為換算后對中性點電容，變壓器阻抗亦為換算后對中性點阻抗。

風(fēng)機主變壓器簡化等值電路如圖2所示。

以#8風(fēng)機組回路為例，其拓撲圖如圖3所示。

等效電路如圖4所示。

同理，其他支路亦可按#8風(fēng)機組回路等效，4條風(fēng)機組回路陸、海纜型號如表1所示，忽略電纜導(dǎo)體阻抗以及風(fēng)機主變繞組電阻和漏抗，可以將各回路等效電路簡化為如圖5所示，計算得各條風(fēng)機回路變壓器等效阻抗如表2所示，電纜等效電容如表3所示。

實際變壓器空投時情況復(fù)雜，可能出現(xiàn)一相飽和、兩相飽和和三相飽和的情形，并且各相進入飽和及退出飽和的時間不同。變壓器在正常運行及外部故障時，勵磁電感數(shù)值非常大，且不具有波動性，如表2計算結(jié)果;變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時，等效勵磁電感數(shù)值很小（漏感級別），并無波動;變壓器空投等原因造成鐵芯飽和時，勵磁電感的數(shù)值在正常高值與飽和低值之間周期變化，具有明顯波動性。所以，一般情況下，勵磁阻抗并非一個常數(shù)，而是一個非線性的參數(shù)。

1.2.1? ? 直接沖擊合閘回路組總體并聯(lián)諧振分析

風(fēng)機送電如采取風(fēng)機內(nèi)所有負荷開關(guān)和風(fēng)機主變開關(guān)預(yù)先在合閘位置，由陸上集控中心35 kV開關(guān)室直接合閘方式送電，其總體發(fā)生并聯(lián)諧振可能性R及關(guān)系如圖6所示，R<，有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能。

1.2.2? ? 直接沖擊合閘回路組內(nèi)各節(jié)點分支并聯(lián)諧振分析

仍假定風(fēng)機送電采取風(fēng)機內(nèi)所有負荷開關(guān)和風(fēng)機主變開關(guān)預(yù)先在合閘位置，由陸上集控中心直接沖擊合閘方式送電，以#8回路為例分支R及關(guān)系如圖7所示，可知各節(jié)點向分支末端均有發(fā)生諧振的可能。

1.2.3? ? 將各風(fēng)機組內(nèi)主變開關(guān)斷開后逐一合閘并聯(lián)諧振分析

假定將風(fēng)機內(nèi)主變開關(guān)斷開，首先由35 kV開關(guān)室對整條海纜線路充電，風(fēng)機主變開關(guān)由前向后逐一合閘送電，每送電一臺待并網(wǎng)后進行下臺風(fēng)機主變合閘送電操作，直至全部送電完成，由于風(fēng)機并網(wǎng)完成后阻尼較大，此時僅關(guān)注后續(xù)風(fēng)機主變空載合閘時的并聯(lián)諧振情況。以#8回路為例，分支R及關(guān)系如圖8所示，可知各節(jié)點合閘仍無法避免發(fā)生并聯(lián)諧振可能。

1.2.4? ? 諧振頻率與變壓器阻抗關(guān)系特征

變壓器空載合閘瞬間由于磁通滯后電壓90°，在電壓相位過零點時合閘，此時磁通為-Φm，由于磁通不能突變，鐵芯內(nèi)會存在一個非周期分量Φm，經(jīng)1/2周期后，磁通達2Φm，會造成變壓器鐵芯嚴(yán)重飽和，導(dǎo)致勵磁電流畸變?yōu)榧忭敳?，含有大量的諧波分量，包含直流分量、2/3/4次諧波，諧波分量隨階數(shù)增加而減少。此時勵磁電抗L將隨著飽和程度的加深而減小，遠小于空載電抗Lm;磁阻R由于磁導(dǎo)率的減小而增大，大于空載穩(wěn)態(tài)磁阻Rm。

可見采取遠程風(fēng)機組開關(guān)分別合閘送電方式，比風(fēng)機組所有風(fēng)機直接沖擊合閘送電方式最大諧振頻率下降明顯。兩種送電合閘方式下的諧振頻率都較低，主要的并聯(lián)諧振為低頻鐵磁諧振。由圖5，通過計算其諧振時阻抗支路電流IL=U/

通過以上分析可知并聯(lián)諧振因素并非變壓器損壞的主要原因。變壓器沖擊合閘損壞與運行高負荷時突然跳閘，長時間停運絕緣吸潮，或漏雨加劇絕緣降低關(guān)系密切，與沖擊合閘時由于絕緣受潮，接地電流大，保護不能及時跳閘有關(guān)。

2? ? 改造實施

2.1? ? 風(fēng)機內(nèi)主變壓器保護配置

風(fēng)機組回路配置保護型號為NSR-

612RF，提供線路電流速斷、過流、零序電流保護;風(fēng)機內(nèi)主變保護型號為RF-615，提供電流速斷、過流、零序電流保護，并有涌流檢測和閉鎖功能。由于直接由集控中心遠程沖擊合閘時，風(fēng)機組尚未帶電，風(fēng)機內(nèi)保護裝置未開啟，開關(guān)柜或風(fēng)機內(nèi)主變故障只能由35 kV風(fēng)機組保護NSR-612RF判斷，保護裝置按照短路電流進行整定，如出現(xiàn)變壓器受潮絕緣降低，零序保護靈敏性低，其值達不到保護動作值，可能會造成風(fēng)機主變絕緣損壞。

改造實施后采取風(fēng)機逐一送電并網(wǎng)方式，首先讓風(fēng)機內(nèi)主變保護在投運狀態(tài)，如面臨主變受潮絕緣性降低等故障，風(fēng)機內(nèi)主變RF-615零序電流保護可以起到相應(yīng)保護作用。

2.2? ? 塔筒內(nèi)濕度控制

風(fēng)機內(nèi)濕度控制有利于風(fēng)機主變絕緣穩(wěn)定，為此需重新逐臺檢查風(fēng)機塔筒海纜登陸口封堵情況，采用新式封堵模塊進行電纜口封堵，防止漏雨。對塔筒門進行檢查，更新密封膠條，保證正常時密封良好。檢查塔底通風(fēng)扇內(nèi)百葉，確保處于完好擋雨狀態(tài)，并定期更換塔底進風(fēng)口吸濕過濾材料。

由于遠程操作合閘無法以人工方式在送電前檢測風(fēng)機主變絕緣，所以經(jīng)過SCADA系統(tǒng)實時監(jiān)控風(fēng)機主變周圍濕度很有必要，為此改造時增設(shè)就地濕度檢測儀一塊，通過電纜將信號引入主控PLC模塊，濕度控制在70%以內(nèi)，超過80%系統(tǒng)自動報警。在塔筒內(nèi)主變內(nèi)壁懸掛濕度檢測儀，平常用以巡查和與自動檢測系統(tǒng)比對，防止出現(xiàn)檢測偏差，在塔筒濕度出現(xiàn)升高時立即進行處理，長期保持風(fēng)機主變周圍環(huán)境濕度在正常合理范圍內(nèi)。更改運行規(guī)程，通常風(fēng)機停運時間不超過一周，濕度正常在70%以內(nèi)時可遠程合閘送電。

2.3? ? 風(fēng)機主變及風(fēng)機轉(zhuǎn)子開關(guān)遠程控制

將高壓柜狀態(tài)信號通過RS485數(shù)據(jù)線傳輸?shù)斤L(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng);開關(guān)柜內(nèi)開關(guān)分、合閘由硬接線接入塔底主控柜，由專門PLC模塊進行分合閘控制;在集中控制中心風(fēng)機SCADA控制界面設(shè)置開關(guān)操作頁，并有明確的狀態(tài)顯示，便于運行人員確認，操作時需操作人員和監(jiān)護人員雙重密碼確認，防止誤操作;實現(xiàn)遠程主變高壓開關(guān)合閘和風(fēng)機轉(zhuǎn)子開關(guān)遠程分合閘，從而實現(xiàn)風(fēng)機遠程送電啟停操作。

風(fēng)機內(nèi)開關(guān)的操作電源由專門的UPS提供，為了使風(fēng)機斷電后UPS電池能夠提供足夠長時間的電源，需測定風(fēng)機斷電后的放電電流，根據(jù)所需的放電容量匹配電池容量，并對電池進行適當(dāng)維護。

3? ? 結(jié)語

海上風(fēng)力發(fā)電場由于受電網(wǎng)影響不可避免會發(fā)生集電線路（海纜）中斷供電情形，由于氣候原因造成出海限制，風(fēng)機往往不可達，本文分析了支路所有風(fēng)機直接遠程沖擊合閘以及逐臺合閘的諧振情況，表明無論采取何種方式送電，均不能完全避免風(fēng)機主變發(fā)生并聯(lián)鐵磁諧振，但該諧振區(qū)間不足以對變壓器構(gòu)成嚴(yán)重危害。直接沖擊合閘時，單個變壓器失去保護，35 kV線路組保護靈敏性低，變壓器受潮時沖擊合閘易損壞絕緣。臨港海上風(fēng)場通過對海纜集電線路遠程分、合閘改造，實現(xiàn)了遠程分合閘功能，并加強了對風(fēng)機塔筒內(nèi)濕度的監(jiān)視，使突發(fā)情況下應(yīng)急操作能力得到加強，也方便了日常風(fēng)機的停送電操作，有效避免了送電合閘時風(fēng)機主變絕緣損壞造成電量損失的情況。本次改造對于風(fēng)場在設(shè)計階段考慮遠程分合閘問題有一定參考意義。

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收稿日期：2020-03-06

作者簡介：張建民（1970—），男，江蘇泰興人，工程師，研究方向：電氣工程自動化。