CN104882871A - 一种风电场电缆合闸过电压的防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电场电缆合闸过电压的防护方法，属于电力系统过电压技术领域。本发明依据风电场电力大量使用电力电缆和真空断路器的特性和合闸过电压的基本原理，建立了基于PSCAD的风电场电力电缆过电压的仿真模型，提出了在电力电缆末端加装RC吸收器的防护措施。采用本发明进行大型风电场电气设备过电压的相关研究，能够加强电气设备的绝缘配合，提高风电场电气设备过电压防护水平。

Description

一种风电场电缆合闸过电压的防护方法

技术领域

一种风电场电缆合闸过电压的防护方法，属于电力系统过电压技术领域。

背景技术

近年来，海上风电场发展的规模越来越大，随着大规模风电场接入电网，增加了电网稳定运行的潜在风险为了保证风电场可靠运行，研究风电场过电压对绝缘设备的影响是十分重要的。风电场过电压现象引起的绝缘事故已成风电场运行中较为突出的问题之一，近年来，在中国连续发生了几起由于风电场高压电缆故障引起的风机脱网事故。

造成风电场过电压事故的原因是多样，但合闸过电压被认为是引起绝缘事故的重要原因。风电场断路器开合闸频繁，会产生合闸过电压，电缆以及其他设备长期处于过电压的影响下，由于其造成的累积效应可能会对设备绝缘强度造成影响。

针对风电场中电力电缆遭受合闸暂态过电压的问题，尤其处于馈线末端的电缆部分遭受的过电压的幅值较大，在一些情况下超过了2倍电压幅值，有必要采用一些防护措施来降低过电压对变压器以及其他元件的危害。暂态过电压的防护基本上可以分为两类，一类是主动防护，另一类是被动防护。暂态过电压对风电场电力电缆的影响主要是过电压的幅值。因此，降低电缆末端的暂态过电压，采取必要的防护是十分必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于建立一种分析风电场电力电缆因合闸引起的过电压的仿真模型，旨在获得风电场电力电缆遭受合闸过电压幅值及其出现位置，采取相应的防护措施，确保设备的安全运行。

本实现本发明的技术方案，一种风电场电缆合闸过电压的防护方法包括以下步骤

1)采用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件，针对其风电机组以链式拓扑结构连接的平行布局风电场，建立以整个风电场电气系统为研究对象的详细仿真模型；

2)确定电气系统元件中电缆元件参数计算方法，在仿真系统中设置各元件的参数，模拟具有N台风电机组链接拓扑链接方式的大型风电场运行情况；

3)仿真分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点；

4)在电力电缆馈线出现极值位置设置RC阻容吸收器。

进一步讲，所述步骤1)中的仿真模型包括外部电网、集电变压器、机端变压器、电缆、断路器、风机。

进一步讲，步骤2)电气系统元件中电缆参数计算方法，电缆的导体是由一系列细铜线绞合成圆柱状，然后半导体屏蔽层覆盖在导体束上使其平坦，流过高频电流的时就相当于导体变粗，通常把半导体屏蔽层的厚度加到导体直径上得到电缆的外径的参数C₁,选择合适的导体外径对高频电缆模型的电阻和电感至关重要，其值为电缆导体半径R_C加上半导体的厚度R_S

C₁＝R_C+R_S

半导体屏蔽层的厚度R_S计算公式为如下:

R_S＝R_I-T_I

T_I是绝缘的厚度。

进一步讲，步骤3)设置风电场不同运行状态，并在不同运行状态下仿真分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点。

进一步讲，一种风电场电缆合闸过电压的防护方法中还包括步骤5)；

步骤5)设置RC阻容吸收器后，二次分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点，如果电压幅值极大点不满足要求，重新设置元件参数，并重复步骤3)、4)，至电压幅值极大点满足要求。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：(1)通过对实际风电场电力电缆过电压的仿真，确定电力电缆绝缘薄弱环节，有利于配置相应的防护设备，确保电力电缆的安全运行(2)本发明通过RC阻容吸收器参数优化，配置合适的装置，能确保电力电缆安全运行的前提下，节省设备投资成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1风电场机组布局的拓扑结构图。

图2基于PSCAD/EMTDC的风电场电缆过电压模型。

图3为PSCAD/EMTDC中的电缆模型及参数。

图4为无馈线运行情况下馈线A末端A相电压。

图5为R-C保护装置安装位置。

图6为R-C装置参数为20Ω-83nF)的馈线末端波形。

图7为R-C装置参数为20Ω-130nF)的馈线末端波形。

图8为本发明优选方案的逻辑框图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清晰，下面结合附图和实例对本发明进行详细说明

1)大规模风电场风电机组链式拓扑结构的电气系统建模

采用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件，目前常见的大型风电场中风机的布局为平行布局，其风电机组的链接方式采用链式的拓扑结构，如图1所示。系统由48×1.25MW风机组成，研究风机平行布局情况下，风机的排布在8条馈线上面，每条馈线有6台风机，各条馈线上的过电压情况。

针对由这种布局的风电场，本发明建立风电场的仿真模型，仿真模型的元件包括外部电网，集电变压器，机端变压器，电缆，以及断路器，风机等。

所有仿真模型中的元件均采用PSCAD/EMTDC自带的模型，其中外部电网采用110kV电压源代替，集电变压器采用33kV/110kV三相双绕组变压器；考虑到电磁暂态的影响，机端变压器采用690v/33kV的UMEC变压器模型；本文的电缆采用PSCAD中的基于J.Marti提出的考虑频率特性的频率相关(相位)线路模型。基于PSCAD/EMTDC仿真软件建立风电场合闸过电压的仿真模型如图2所示。

2)：确定电气系统元件参数计算方法，计算风电场电气系统元件参数；

电缆参数的设置是仿真风电场暂态过电压的关键，该发明中，PSCAD中的电缆参数的计算基于用户所采用的电缆的几何参数和材料特性，在PSCAD中绝缘电缆结构如图3所示，实际的电缆几何结构要比软件中参数复杂，因为实际电缆中带有半导体屏蔽层，本发明把半导体屏蔽层的厚度加到导体直径上，其值为电缆导体半径R_C加上半导体的厚度R_S

C₁＝R_C+R_S

半导体屏蔽层的厚度R_S计算公式为如下:

R_S＝R_I-T_I

T_I是绝缘的厚度。

优选的，选用三铁芯柱双绕组变压器，其容量为3MVA，变比110kV/33kV，绕组接线方式采用Dd0，等效漏感标幺值为0.1。

3)仿真分析合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值；

影响合闸过电压的因素有很多，如合闸时电源电压的相位、线路的电气参数(馈线电缆长度、已运行馈线数量)等等。本文在风电场无运行馈线的情况下进行一条馈线的合闸，合闸时刻A相电压达到最大。合闸馈线A上机端变压器过电压的波形如图4所示。

图4中E1至E6分别表示馈线A首段至末端6个变压器电压，可以看出各个变压器的电压在合闸时有明显的强烈上升过程，电压陡度相对大。

从图4的图可以看出，每台变压器在经历很短的时间间隔(数微秒)后电压依次上升，E1至E5(除了最末端变压器电压E6之外的其他几个电压)在依次上升后维持在基本一致的电压水平(35kV左右)一段时间；由于电压行波在最末端变压器反射回来，电压E5至E1又开始依次上升至之前的两倍幅值左右；而E6没有这样的时间延迟径直上升到70kV左右。

以相对地电压的最高幅值(28.56kV)为一倍的标幺值来看，风机末端最高电压达到了2.67倍的过电压，超过标准要求的2.5倍过电压值，因此为确保电缆安全运行，需采取过电压防护措施。

4)在电力电缆馈线出现极值位置设置RC阻容吸收器；

采用R-C装置的抑制高频电流叠加在工频电流上的数值，从而降低电弧重燃的概率。

R-C装置的电阻的较易选取，然而电容的选取则比较困难，具有一定的不确定性。一般情况下，为了获得合适的电容都会进行多次的试验。本发明通过多次仿真分析，确定了该系统的电容最佳参数值为120nf-135nf，电阻则选择与电缆波阻抗接近的18Ω-23Ω。

由于在电缆末端(变压器高压绕组侧)产生的合闸电压幅值和陡度最高，所以阻容保护装置也选择在这里安装。具体安装如图5所示：

利用上述参数的RC装置对风电场过电压防护进行了仿真分析，图6-7给出了风电场过电压仿真系统中加入两种典型参数的阻容装置时，6条馈线上末端电压波形。

由图7可见，添加130nF的R-C装置，各电力电缆末端上的过电压幅值与83nF的情况过电压最大值降低，E₆瞬时电压上升陡度为2.36kV/μs，并且到达峰值的时间也延长了。

如图8，一种风电场电缆合闸过电压的防护方法包括以下步骤：

1)采用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件，针对其风电机组以链式拓扑结构连接的平行布局风电场，建立以整个风电场电气系统为研究对象的详细仿真模型；

2)确定电气系统元件中电缆参数计算方法，电缆的导体是由一系列细铜线绞合成圆柱状，然后半导体屏蔽层覆盖在导体束上使其平坦，流过高频电流的时就相当于导体变粗。通常把半导体屏蔽层的厚度加到导体直径上得到电缆的外径的参数C₁,选择合适的导体外径对高频电缆模型的电阻和电感至关重要。其值为电缆导体半径R_C加上半导体的厚度R_S

C₁＝R_C+R_S   (1)

半导体屏蔽层的厚度R_S计算公式为如下:

R_S＝R_I-T_I   (2)

T_I是绝缘的厚度，在仿真模型中设置各元件的参数，模拟具有N台风电机组链接拓扑链接方式的大型风电场运行情况；

3)仿真分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点；

4)在电力电缆馈线出现极值位置设置RC阻容吸收器；

5)设置RC阻容吸收器后，二次分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点，如果电压幅值极大点不满足要求，重新设置元件参数，并重复步骤3)、4)，至电压幅值极大点满足要求；

通过以上步骤可以选择出在仿真模型中，元件参数及设置RC阻容位置最佳组合，实现针对不同特殊情况下的不同样式的防护。

同时需要注意的是，风电场采用大量的电缆，电缆对地电容就较大，R-C装置将进一步增加线路对地电容，这对风电场的接地系统产生影响。当风电场出现接地故障时接地电容电流比较大，那么接地故障点造成的容性弧光电流能量较大。

由于风电场的电缆敷设在地下或海里，所以电缆散热情况相比于架空线系统要差很多，一旦发生接地故障那么电缆周围的电弧能量将难以散开从而导致热击穿。这个时候容易形成间歇电弧过电压并引起另两相对地电压的升高进而形成两相接地短路。因此，建议在使用R-C装置的风电场中采用中性点经消弧线圈接地方式。

本发明的应用仅用于说明本发明，但不限于上述举例，在此基础上进行的改进和等同变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种风电场电缆合闸过电压的防护方法,其特征是：所述方法包括以下步骤

1)采用PSCAD/EMTDC电力系统电磁暂态仿真软件，针对其风电机组以链式拓扑结构连接的平行布局风电场，建立以整个风电场电气系统为研究对象的详细仿真模型；

2)确定电气系统元件中电缆元件参数计算方法，在仿真系统中设置各元件的参数，模拟具有N台风电机组链接拓扑链接方式的大型风电场运行情况；

3)仿真分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点；

4)在电力电缆馈线出现极值位置设置RC阻容吸收器。

2.根据权利要求1所述的一种风电场电缆合闸过电压的防护方法，其特征是：所述步骤1)中的仿真模型包括外部电网、集电变压器、机端变压器、电缆、断路器、风机。

3.根据权利要求1所述的一种风电场电缆合闸过电压的防护方法，其特征是：所述步骤2)电气系统中电缆参数计算方法，电缆的导体是由一系列细铜线绞合成圆柱状，然后半导体屏蔽层覆盖在导体束上使其平坦，流过高频电流的时就相当于导体变粗，通常把半导体屏蔽层的厚度加到导体直径上得到电缆的外径的参数C₁,选择合适的导体外径对高频电缆模型的电阻和电感至关重要，其值为电缆导体半径R_C加上半导体的厚度R_S

C₁＝R_C+R_S      (1)

半导体屏蔽层的厚度R_S计算公式为如下:

R_S＝R_I-T_I         (2)

T_I是绝缘的厚度。

4.根据权利要求1所述的一种风电场电缆合闸过电压的防护方法，其特征是：所述步骤3)设置风电场不同运行状态，并在不同运行状态下仿真分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点。

5.根据权利要求1所述的一种风电场电缆合闸过电压的防护方法，其特征是：所述方法中还包括步骤5)；

步骤5)设置RC阻容吸收器后，二次分析断路器合闸引起电力电缆馈线不同位置的过电压波形及其幅值，获取过电压幅值极大点，如果电压幅值极大点不满足要求，重新设置元件参数，并重复步骤3)、4)，至电压幅值极大点满足要求。