探索过电压探讨风电并网合闸操作过电压中国

论文导读：关，将产生或大或小的涌流，在最不利的条件下，合闸涌流可超过变压器的额定电流，持续时间会长达数秒之久，在关合涌流出现的过程中，如由于合闸弹跳等原因，断路器开断，此时出现的截流值会大大超过变压器稳态空载电流的峰值，导致危险的截流过电压。加装R－C阻容保护装置和避雷器可以抑制过电压。本文首先分析了截流过电压的
摘要：由于近年来我国科学技术的不断发展，风电技术发展迅速，风电场并网运行时经常出现电气设备过电压损坏事故，研究分析认为，开关合闸弹跳是引起过电压产生的重要原因。对产生过电压的机理进行了分析，对过电压过程和加保护装置后的效果进行了 MATLAB 仿真，并与试验结果进行了比较。研究表明，适度增加变压器对地电容可以降低合闸弹跳过电压。
关键词：风电场；变压器：合闸弹跳过电压
引言
随着全球能源安全和气候问题的日益突出，风电作为技术相对成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的新能源发电技术，在全球范围内得到迅猛发展。但因为其间歇性、随机性及反调峰等特点，其大规模并网给电网的安全和经济运行带来了诸多影响，其中之一便是并网时因合闸弹跳等原因引起的过电压问题。真空开关灭弧能力很强，往往使小电弧在电流过零前熄灭，造成截流现象，容易产生截流过电压。35 kV 真空断路器引起的切空变过电压峰值在 55 ～85 kV 之间，未超过系统最高运行电压幅值的 4 倍，对变压器的绝缘损害不大。但是考虑到变压器关合时，与合闸相位有关，将产生或大或小的涌流，在最不利的条件下，合闸涌流可超过变压器的额定电流，持续时间会长达数秒之久，在关合涌流出现的过程中，如由于合闸弹跳等原因，断路器开断，此时出现的截流值会大大超过变压器稳态空载电流的峰值，导致危险的截流过电压。加装 R － C 阻容保护装置和避雷器可以抑制过电压。
本文首先分析了截流过电压的产生过程，针对某风电场变压器，使用MATLAB/SIMU-LINK 软件，通过引入较精确的变压器模型，对合闸弹跳引起的过电压进行了仿真，并与试验结果进行了比较。
1 截流过电压的产生
图 1 为切空变的等值电路。其中 Ls为电源等值电感; Cs为母线对地杂散电容; Lk为母线至变压器连线的电感; K 为断路器; L 为空载变压器的激磁电感; C 为变压器等值对地电容与空载变压器侧全部联线及电气设备对地电容的并联值。
图 1 切空载变压器等值电路
切断空载变压器的操作是通过断路器 K 完成的，电流的切断过程显然与断路器的灭弧能力有关。在使用灭弧能力与电流大小有关的断路器( 如一般油断路器) 时，由于在切断小电流时熄弧能力较弱，不会产生在电流过零前熄弧的现象。在使用灭弧能力与电流大小关系不大的高压断路器 ( 如压缩空气断路器、压油式源于：论文参考文献www.7ctime.com
少油断路器等)时，由于断路器的灭弧能力是按切断大电流设计的，当用这种断路器切断较小的激磁电流时，可能在激磁电流到达零点之前发生强制熄灭 ( 如果激磁电流很小，甚至可在电流接近最大值时突然切断) ，这就是断路器的截流现象。截流后产生过电压的倍数 Kn为
Kn= ηm·（f0÷f）
可以看出，过电压倍数与截流值成正比。
本文主要根据某风电场的 ZGS-ZF-1600/36.75 箱式变压器出现合闸弹跳过电压情况进行计算。等值电路如图2 所示。进行35 kV 侧负荷开关合闸操作时出现合闸弹跳过电压，从而导致箱式变压器故障。研究表明，变压器处于稳态时，分闸导致的截流过电压并不严重。但如果在励磁涌流出现的过程中大电流被截断，将出现比稳态时大得多的过电压。由于励磁电感的非线性特性，无法通过理论计算来得出合闸暂态过程中过电压的具体数值。本文通过引入变压器较精确的非线性电感模型来模拟由于弹跳导致的过电压。
2操作过电压特点及产生
空载线路合闸时，由于线路电感和电容的振荡将产生合闸过电压。线路重合时，由于电源电势较高和线路上残余电荷的存在，加剧了这一电磁振荡过程，使过电压进一步提高。操作过电压的特点是持续时间一般较雷电过电压长，而比暂态过电压短，且衰减很快，一般在数百微秒到100ms之间。造成操作过电压的原因很多，主要有以下几点：
（1）截流过电压。电流截断后，回路中的电感和电容将发生高频振荡，截止电流在负载电感上的能量，往往就在负载的分布电容上以电压形式释放出来，振动频率可达几千赫兹。此时，积累在负载电感中的能量全部转换到并联电容上，负载上电压达到最大值。
(2)三相不同期过电压。即三相不同期跳闸或合闸(跳闸时更严重)时，若第一相分断后，发生不正常的重燃，由此引起暂论文导读：
态高频电流通过相间互感器和电容藕合到第

二、三相上，并在第三相上与原有工频电流叠加形成过电压。

(3)重燃过电压。重燃过电压分为电流型和电压型。电流型过电压系截流过电压使触头间隙再次击穿，电弧熄灭后又再次重燃。电压型过电压出现的概率极低。断路器在电流过零附近断开，触头分开还不充分，回路的电感、电容又正好引起高频振荡，而真空灭弧室对高频电弧有极强的灭弧能力，从而引发高频率振荡过电压。
3 仿真模型的建立

3.1 系统电源模型

电源的三相电压分别描述为
ua= Umsin ( wt + α)
ub= Umsin ( wt + α － 2π /3)
uc= Umsin ( wt + α + 2π /3)
式中: Um为相电压幅值; α 为初相角。
考虑系统电源的内部阻抗，用 Ls来表示，与电源串联，
Ls= V^2/ ( ωSf)
式中: V 为系统线电压有效值，kV; Sf为系统短路容量，10 kV 系统取 120 MVA，35 kV 系统可取220 MVA。

3. 2MATLAB 搭建的模型

仿真模型如图2 所示。断路器用理想开关来模拟，控制其在特定时刻分闸/合闸，可以模拟励磁涌流和截断过程，改变变压器对地等效电容的值可以模拟加装保护前后的弹跳过电压。

图 2切空变三相仿真模型
4 仿真结果

4. 1 未加装保护时的弹跳过电压

合闸弹跳过电压波形如图 3 所示，现场试验波形如图3 ( b) 所示。由图可知，加保护之前合闸弹跳过电压倍数 Kn=1

7. 36，

作者通过现场实测，得到过电压倍数为 1

6. 4。两者相吻合，合闸弹跳导致的过电压很大，对电力设备会造成损坏。

图 3加保护之前合闸弹跳过电压仿真与测试波形
结论
本文在理论上分析了稳态分闸时的过电压情况，并建立了考虑变压器非线性电感的较精确数
学模型，仿真了在合闸弹跳时导致的弹跳过电压过程，得出以下结论: 合闸弹跳引起的过电压很大，会对风电联网系统电力设备造成损坏。通过增加变压器对地等效电容等措施，可以有效降低变压器弹跳过电压。该项研究对于风电场并网时产生的过电压抑制具有较大的参考价值。
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