風電場典型過電壓分析及抑制措施研究.pdf

1、近年來，風電場的大量興建引發(fā)人們對風電機組安全問題的廣泛關注，在風電場眾多的安全影響因素中，過電壓的危害是一個重要方面，風電場中典型過電壓分為雷電過電壓和操作過電壓。雷電擊中風電機組后，經(jīng)葉片、機艙、塔筒和接地系統(tǒng)將雷電流引入大地這一暫態(tài)過程中，快速變化的雷電流會產(chǎn)生快速變化的磁場，而塔筒、信號電纜屏蔽層和信號電纜芯線間存在耦合電容和互感，在這種暫態(tài)磁場作用下信號電纜上會產(chǎn)生很高的感應過電壓，將嚴重影響機組控制系統(tǒng)的正常運行。除此之外，

2、風電場集電系統(tǒng)中真空斷路器進行開關操作時可能會在斷路器斷口間產(chǎn)生多次預擊穿和重燃現(xiàn)象，形成幅值和頻率極高的暫態(tài)過電壓，嚴重威脅集電系統(tǒng)內(nèi)設備的安全運行。
　　本文為探明風電場典型過電壓形成機制，運用電磁暫態(tài)仿真軟件 EMTP/ATP搭建了風電機組雷擊下的一體波阻抗仿真模型以及考慮真空斷路器合閘預擊穿和分閘重燃的風電場操作過電壓仿真模型，針對風電場存在的典型過電壓進行電磁暫態(tài)仿真，總結(jié)了該類過電壓具有的電氣特性以及風電場內(nèi)關鍵因素對

3、其影響規(guī)律，最后提出了相關抑制措施并進行了定量計算。本論文的研究工作主要由以下幾個方面構(gòu)成：
　　①搭建風電機組主要部件的暫態(tài)分析模型，包括葉片、機艙、塔筒、信號電纜、電力電纜和接地系統(tǒng)，并計算各部件的電氣參數(shù)，同時考慮塔筒、信號電纜屏蔽層、信號電纜芯線間的靜電感應分量和電磁感應分量，接地系統(tǒng)根據(jù)實際結(jié)構(gòu)采用多導體π型電路進行等效，從而建立風電機組雷擊下的一體波阻抗模型。
　?、诨谝惑w波阻抗暫態(tài)分析模型，分析信號電纜過電壓

4、產(chǎn)生的原因并討論了電纜屏蔽層、土壤電阻率、雷電流波形3種因素對過電壓水平的影響，在此基礎上開展了過電壓抑制措施的研究，驗證了信號電纜外屏蔽層雙端接地和電纜加裝浪涌保護器(SPD)對于抑制其過電壓的有效性。
　?、刍陲L電場中真空斷路器的實際參數(shù)，結(jié)合EMTP/ATP在MODELS模塊中利用Fortran語言對真空斷路器編寫控制程序，建立其合閘預擊穿和電弧重燃模塊。此外對比不同的線路模型，選擇合適的模型對電纜進行建模。對現(xiàn)有變壓器模

5、型進行了合理的改進，建立變壓器的高頻模型。然后在此基礎上搭建典型風電場操作過電壓仿真模型，驗證了本文建立的真空斷路器模型在風電場過電壓分析中的有效性，綜合分析合閘初相角、饋線長度和拓撲結(jié)構(gòu)對于風電場集電系統(tǒng)過電壓水平的影響，并在此基礎上開展了操作過電壓抑制措施的研究。
　　綜合上述研究可得出：
　　雷電過電壓方面：風電機組屏蔽層對電纜上產(chǎn)生的感應過電壓有抑制作用，雙層結(jié)構(gòu)效果較明顯。信號電纜頂端或者末端由于有較高的過電壓，更

6、易遭受絕緣擊穿進而影響風電機組的可靠運行。土壤電阻率越大，塔基電位越高，但是塔筒同一位置處的電纜芯線與屏蔽層間電位差隨土壤電阻率的增大而小幅減小。雷電流波形對過電壓的影響較大，波形越陡，塔筒、電纜屏蔽層和芯線間的電位差越大。電纜外屏蔽層雙端接地和電纜頂端加裝SPD能夠有效降低電纜上的過電壓水平至電纜耐受電壓以下。
　　操作過電壓方面：過電壓幅值與合閘初相角近似呈現(xiàn)正弦關系，當合閘初相角在電源峰值左右時的過電壓值最大。在同一條饋線上