黃世通

（湖北省華網(wǎng)電力工程有限公司 重慶分公司，重慶 400000）

0 引 言

隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，主流風(fēng)電機(jī)組的容量不斷上升，我國(guó)新能源裝機(jī)總量也日漸增加，這對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全生產(chǎn)提出了更高的要求。目前，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)普遍采用“一機(jī)一變”的單元接線形式，與風(fēng)機(jī)配套的箱式變壓器也成為風(fēng)電場(chǎng)的重要設(shè)備組成。作為智能電氣設(shè)備，箱式變壓器內(nèi)集成了保護(hù)測(cè)控裝置，采集各類信號(hào)沿光纖集中傳輸至風(fēng)電場(chǎng)集中控制室，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理[1]。因此，箱式變壓器二次側(cè)的運(yùn)行安全同樣不可忽視。通過(guò)理論分析，在箱式變壓器信號(hào)側(cè)安裝電涌保護(hù)器可以達(dá)到降低變壓器副邊信號(hào)側(cè)浪涌電壓的目的。

1 箱式變壓器內(nèi)的典型電氣結(jié)構(gòu)

1.1 箱式變壓器一次側(cè)結(jié)構(gòu)

箱式變壓器相當(dāng)于一個(gè)小型變電站，內(nèi)部設(shè)備較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。研究針對(duì)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的箱式變壓器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為高壓室、變壓器室、低壓室。箱式變壓器高壓側(cè)包括高壓母排、斷路器或熔斷器、電壓互感器、避雷器等，電壓等級(jí)通常為35 kV或10 kV，主要連接風(fēng)電場(chǎng)集電線路、開關(guān)站、電網(wǎng)側(cè)等；低壓側(cè)連接風(fēng)機(jī)出口，電壓等級(jí)為1 kV左右，常為0.69 kV。近年來(lái)，為了適應(yīng)風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的提升，箱式變壓器低壓側(cè)電壓開始頻繁采用0.9 kV、0.95 kV、1.14 kV等稍高的電壓接入，這也體現(xiàn)了新能源行業(yè)的迅速發(fā)展[2-5]。

箱式變壓器低壓室還設(shè)有一臺(tái)自用變壓器，將風(fēng)機(jī)出口電壓降至0.4 kV市電電壓等級(jí)，為箱式變壓器提供照明、加熱、除濕以及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）等自用電電源。其中UPS電源裝置自帶儲(chǔ)能功能，為二次側(cè)保護(hù)測(cè)控裝置的運(yùn)行提供不間斷電源。

箱式變壓器主要電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 箱式變壓器電氣結(jié)構(gòu)

1.2 箱式變壓器二次側(cè)配置

箱式變壓器內(nèi)配備的保護(hù)測(cè)控裝置可采集箱式變壓器的各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，并將信號(hào)上傳至風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)配套箱式變壓器運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障記錄、遠(yuǎn)程測(cè)控等運(yùn)行管理需求。保護(hù)測(cè)控裝置需采集及上傳的信號(hào)具體包括以下內(nèi)容。

（1）開關(guān)量信號(hào)：高壓隔離開關(guān)狀態(tài)信號(hào)、高壓斷路器狀態(tài)信號(hào)、高壓斷路器故障信號(hào)、高壓斷路器遙控位置、低壓斷路器狀態(tài)、低壓斷路器故障、低壓斷路器遙控位置、變壓器油溫過(guò)高報(bào)警、變壓器油溫超高跳閘、變壓器壓力釋放、變壓器油位異常以及箱式變壓器箱體門開啟信號(hào)等，這些信號(hào)來(lái)自設(shè)備本體或傳感器。

（2）模擬量信號(hào)：變壓器高壓側(cè)電流幅值、變壓器低壓側(cè)電流幅值、變壓器油面溫度信號(hào)等，這些信號(hào)來(lái)自變送器或傳感器。

（3）RS485通信信號(hào)：變壓器油面溫度傳感器通信、箱式變壓器箱體溫濕度控制器通信信號(hào)等，這些信號(hào)來(lái)自傳感器或控制器。

（4）以太網(wǎng)通信信號(hào)：箱式變壓器保護(hù)測(cè)控裝置與箱變后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)通信信號(hào)等，這些信號(hào)來(lái)自風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器監(jiān)控網(wǎng)。

信號(hào)電涌保護(hù)器的連接示意如圖2所示。

圖2 箱式變壓器信號(hào)回路及通信回路接線

2 箱式變壓器雷電防護(hù)

2.1 箱式變壓器雷擊過(guò)電壓風(fēng)險(xiǎn)

考慮到風(fēng)能資源的分布情況，風(fēng)電場(chǎng)主要分布于曠野地區(qū)或山脊部位，箱式變壓器布置于風(fēng)機(jī)塔筒附近。目前，主流機(jī)型的風(fēng)機(jī)塔筒高度已高達(dá)140 m甚至以上。風(fēng)機(jī)塔筒易受雷擊，產(chǎn)生的雷擊過(guò)電壓通過(guò)風(fēng)機(jī)組流向箱變，導(dǎo)致箱式變壓器遭受雷電損害。因此，箱式變壓器受到的雷擊過(guò)電壓類型主要為感應(yīng)過(guò)電壓[6]。

2.2 箱式變壓器防雷分區(qū)

防雷分區(qū)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器的各部分空間受累計(jì)電磁脈沖影響程度的不同，可以將機(jī)組需要保護(hù)的空間從外部到內(nèi)部劃分為若干個(gè)防雷區(qū)，并對(duì)每個(gè)防雷區(qū)編以序號(hào)，各區(qū)以在其交界處的電磁環(huán)境有明顯改變作為劃分不同防雷區(qū)的特征。防雷區(qū)的序號(hào)越大，區(qū)內(nèi)的電磁場(chǎng)越小。箱式變壓器防雷區(qū)如圖3所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)以美變?yōu)槔Ｏ渥兘饘贇んw內(nèi)部防雷分區(qū)主要為L(zhǎng)PZ1及LPZ2，這兩種分區(qū)內(nèi)均不需要耐受直接雷擊電流，且防雷區(qū)的序號(hào)越大，則其可耐受的雷電流大小需要進(jìn)一步抑制，使之降低到本區(qū)設(shè)備耐受水平的規(guī)定指標(biāo)[7]。

圖3 箱式變壓器防雷分區(qū)圖

2.3 常見箱式變壓器防雷配置

箱式變壓器的防雷主要依靠有效的接地及避雷器、浪涌保護(hù)器的有效保護(hù)。在風(fēng)電場(chǎng)中，箱式變壓器的基礎(chǔ)內(nèi)會(huì)敷設(shè)接地網(wǎng)，并與風(fēng)機(jī)的接地網(wǎng)相連，滿足接地電阻不高于4 Ω的要求。箱式變壓器的金屬骨架、高、低配電裝置及變壓器部分的金屬支架均有符合技術(shù)條件的接地端子，并與專用接地導(dǎo)體可靠連接。箱式變壓器高、低壓配電裝置及變壓器部分的專用接地導(dǎo)體相互連接，否則通過(guò)專用的端子可靠連接，箱式變壓器所有高、低壓設(shè)備的非帶電金屬裸露部分均可靠接地，在正常運(yùn)行條件下可抽出部分保證在打開或隔離位置時(shí)仍能可靠接地。

在箱式變壓器內(nèi)部，高低壓側(cè)均配置避雷器，其中35 kV高壓側(cè)設(shè)氧化鋅避雷器，低壓側(cè)設(shè)浪涌保護(hù)器。當(dāng)回路中產(chǎn)生過(guò)高的感應(yīng)雷電過(guò)電流或過(guò)電壓時(shí)，避雷器、浪涌保護(hù)器動(dòng)作，從而保護(hù)高低壓設(shè)備免受侵害。

3 箱式變壓器信號(hào)側(cè)電涌保護(hù)

3.1 必要性

箱式變壓器的傳統(tǒng)防雷配置主要著眼于一次側(cè)雷電防護(hù)，然而要保證箱式變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行，除了需要保護(hù)其一次側(cè)設(shè)備外，還需要保證二次側(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行。與一次側(cè)類似，雷電事件也會(huì)造成箱式變壓器二次側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓和感應(yīng)過(guò)電流，這會(huì)對(duì)箱式變壓器保護(hù)測(cè)控裝置造成威脅，意味著在二次端與二次端信號(hào)側(cè)增設(shè)浪涌保護(hù)器勢(shì)在必行。

3.2 解決方案

目前，部分風(fēng)電場(chǎng)的箱式變壓器內(nèi)會(huì)在其低壓側(cè)并聯(lián)安裝電源電涌保護(hù)器，能保證二次裝置的工作電源不受雷電過(guò)電流影響，其原理如圖4所示。

圖4 箱式變壓器內(nèi)低壓電源電涌保護(hù)器安裝示意圖

除此之外，還需要在信號(hào)回路及通信回路增設(shè)串聯(lián)的信號(hào)電涌保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)側(cè)的電涌保護(hù)功能。信號(hào)電涌保護(hù)器的作用是把竄入信號(hào)回路及通信回路中的電涌進(jìn)行限制和泄放，防止保護(hù)測(cè)控裝置受到電涌的沖擊而損壞，以實(shí)現(xiàn)對(duì)箱式變壓器保護(hù)測(cè)控裝置的保護(hù)。

信號(hào)電涌保護(hù)器的連接方式如圖5所示。

圖5 信號(hào)電涌保護(hù)器原理

信號(hào)電涌保護(hù)器的配置方案如下：

（1）在電氣一次設(shè)備本體或傳感器與保護(hù)測(cè)控裝置的開關(guān)量輸入模塊相連的開關(guān)量信號(hào)回路中，串聯(lián)若干個(gè)開關(guān)量信號(hào)電涌保護(hù)器；

（2）在變送器或傳感器與保護(hù)測(cè)控裝置的模擬量輸入模塊相連的模擬量信號(hào)回路中，串聯(lián)若干個(gè)模擬量信號(hào)電涌保護(hù)器；

（3）在傳感器或控制器與保護(hù)測(cè)控裝置的RS-485通信模塊相連的通信信號(hào)回路中，串聯(lián)若干個(gè)RS-485通信信號(hào)電涌保護(hù)器；

（4）在箱式變壓器監(jiān)控網(wǎng)交換機(jī)與保護(hù)測(cè)控裝置的以太網(wǎng)通信模塊相連的通信信號(hào)回路中，串聯(lián)以太網(wǎng)通信信號(hào)電涌保護(hù)器。

4 結(jié) 論

在風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備的應(yīng)用中，防雷需求體現(xiàn)在方方面面，信號(hào)側(cè)的電涌防護(hù)應(yīng)是其中不可或缺的部分。圍繞風(fēng)電場(chǎng)箱式變壓器在雷擊過(guò)電壓條件下的可靠性進(jìn)行了討論，并從風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)實(shí)際中遇到的問(wèn)題出發(fā)，積極引入新技術(shù)、新設(shè)備，合理設(shè)計(jì)，對(duì)箱式變壓器二次側(cè)電涌防護(hù)方案進(jìn)行完善，引入信號(hào)側(cè)電涌保護(hù)器，提出了信號(hào)側(cè)電涌防護(hù)的具體方案。經(jīng)過(guò)防護(hù)改進(jìn)，進(jìn)一步提高了箱變的運(yùn)行穩(wěn)定性，為維護(hù)風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)安全提供了新的保障。