风电机组箱式变压器低压侧雷电过电压仿真

满于维，余光凯，韦焕林，常泰福，张博，鲁铁成

(1.中电投广西金紫山风电有限公司，广西壮族自治区 桂林市 541100；2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

风电机组箱式变压器低压侧雷电过电压仿真

满于维1，余光凯2，韦焕林1，常泰福1，张博2，鲁铁成2

(1.中电投广西金紫山风电有限公司，广西壮族自治区 桂林市 541100；2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

针对某高山风电场风机塔顶遭受雷击，造成风电机组塔外箱式变压器(简称箱变)损坏事故，分析了箱变低压侧雷电过电压产生的机理，根据风机-箱变系统防雷配置情况，建立了ATP-EMTP仿真模型。利用该模型计算了电涌保护器(surge protective device，SPD)接入时和脱开后箱变低压侧的电压，并分析了雷电流波形、幅值及接地网冲击接地电阻对箱变低压侧电压的影响，同时计算了低压侧短路后的工频续流。计算结果表明，SPD脱开后低压侧电压超过了箱变的冲击耐压值(12 kV)，低压侧工频续流为4.50～8.75 kA。由于开关型SPD无法切断工频续流，提出将其更换为无续流的氧化锌避雷器，推荐避雷器型号为YH10W-0.8/3.0，并通过仿真计算进行了防雷效果验证。

风电机组；箱式变压器；地电位升高；雷电过电压；工频续流；电涌保护器(SPD)

0 引 言

2013年，国家能源局连续出台了一系列政策措施，为加强风电产业监测与评价体系，有序推进风电基地建设，促进风电产业平稳快速发展，提供政策支撑，同年我国风力发电上网电量达1 350亿kW·h，连续第2年成为继火电、水电之后的第3大能源[1]。在未来较长时间里，我国风电行业仍将保持快速发展势头，预计到2020年，我国风电总装机容量将超过100 GW，风能成为我国能源结构中的支柱能源之一[2-3]。为了获取充足的风能资源，风电场多建于高海拔山区、平原旷野或沿海地区，叶片和塔筒位置较为突出，遭受雷击概率较高。风电场遭受雷击损坏的部件主要集中于风机叶片、风机内部通信及控制系统以及变压器、电力电缆、避雷器等电气一次设备[4]。

关于风电场防雷问题的研究，文献[5-7]对风机叶片的引雷特性及雷击损害机理进行了模拟试验和分析；文献[8-12]利用电路模型对风电机组及风电场集电系统雷电暂态过程进行了计算和分析；文献[13-15]研究了雷电流对风电机组接地装置冲击接地电阻和地电位抬升的影响。近年来，经常发生由于遭受雷击造成风电机组塔外箱式变变压器(简称箱变)损坏的事故，并且以箱变低压侧损坏居多，而国内外在这方面研究较少，相关标准中对风机箱变的防雷保护也没有详细说明。

本文通过对某实际风电场箱变损坏事故现场进行调研，初步认为事故原因主要是低压侧电涌保护器(surge protective device，SPD)串联脱扣装置跳开后，较大的雷电过电压使低压侧绝缘击穿，引起工频短路。在此基础上，利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP建立风机-箱变系统雷电暂态模型，计算分析不同雷电流幅值、波形及接地网冲击接地电阻情况下，箱变低压侧SPD接入时和脱开后雷电过电压的变化情况，并对低压侧短路后的工频续流大小进行计算，最后提出改进措施，为风电场防雷整改及设计提供参考依据。

1 箱变低压侧过电压产生机理

目前我国风电场中，风电机组上网接线大多采用1台风电机组配置1台升压变压器的方式，风力发电机出口电压为690 V，通过就近的升压变压器将电压升至35 kV，再输送至风电场集电线路并网。当升压变压器在风机塔筒外布置时，通常采用箱变，风机、690 V送电电缆、箱变构成了风机-箱变系统，图1为某高山风电场风机-箱变系统典型接线及防雷配置情况。

风机塔顶叶片遭受雷击时，雷电流经过风机塔筒及接地网流散到土壤中，引起地电位升高，此时箱变接地母排、外壳及低压侧中性点均处于高电位，而箱变低压侧入口处电缆芯线处于低电位，因此，低压侧SPD两端出现电位差，导致SPD动作导通；SPD导通就形成了电缆芯线对地短路，工频短路电流较大，而一般开关型SPD没有熄灭工频续流的能力，从而造成与SPD串联的脱扣装置动作跳闸。

图1 风机-箱变系统防雷配置

雷击导致SPD脱扣装置跳闸，使SPD失去对箱变的保护作用，此时若再次遭受雷击，箱变低压侧雷电过电压若超过其绝缘耐受强度，则在过电压作用下，绝缘脆弱处被击穿，使箱变低压侧相线对地形成导电通路。若风机处于发电状态，则会在导电通路上产生较长时间的工频续流，工频电弧在密闭箱变内发展，对箱变内各设备造成损害。当SPD脱扣装置未正常动作时，工频短路电流则会长期作用于SPD两端，导致SPD损坏。

2 仿真计算模型

为研究箱变低压侧雷电过电压大小及其影响机制，本文利用ATP-EMTP软件建立了风机-箱变系统等值电路模型，如图2所示。

图2 风机-箱变系统等值电路

2.1 雷电流模型

仿真中雷电流函数采用Heidler函数模型[16]，其表达式为：

(1)

η=e[-(τ1/τ2)(nτ2/τ1)1/n]

(2)

式中：Im为雷电流峰值；η为电流峰值修正系数；n为电流陡度修正因子；τ1、τ2分别为电流波头时间和下降时间。

同时考虑2.6/50μs、10/350μs2种不同雷电流波形情况。其中2.6/50μs波形是我国电力行业标准规定的雷电参数[17]，10/350μs则是IEC风电机组雷电防护标准推荐波形[18]，计算时雷电流峰值分别取5，10，20，50，100kA，雷电通道波阻抗取300Ω。

2.2 塔筒及接地网模型

为了模拟雷电流在塔筒上传播的波过程，参考高杆塔雷电暂态分析的建模方法[19]，风机塔筒采用波阻抗模型，塔筒高度为70m，塔筒上段平均半径为1.45m，塔筒下段平均半径为2.1m，计算得到波阻抗为187Ω。

风机侧与箱变侧接地网通过水平接地扁钢相连，忽略接地扁钢的电感，接地网总冲击接地电阻可等效为风机侧和箱变侧冲击接地电阻的并联值，计算时分别取3，5，10，15，20Ω进行分析。

2.3 电缆模型

690V侧送电电缆型号为YJV-1×240，是单芯不带屏蔽层电缆，三相电缆按品字形排列，使用ATP中LCC模型，建模如图3所示，建模时将其分为塔内电缆和埋地电缆2部分，塔内电缆长70m，埋地电缆长15m，埋地深度为0.5m。35kV侧电缆采用100Ω的波阻抗进行等效。

图3 690 V电力电缆模型

2.4 发电机及变压器模型

风力发电机为变速恒频双馈异步发电机，包括1台定子绕组与三相电网直连的异步发电机以及连接发电机转子和定子输出端的变频器，为了简化分析，直接采用ATP中稳态同步电机模型进行等效；变压器采用ATP中三相双绕组变压器模型。风力发电机及变压器模型均不考虑磁饱和及铁芯损耗的影响，计算参数如表1所示。计算工频续流时，主要考虑风机以额定功率发电时，箱变低压侧的短路情况。

表1 发电机及变压器模型参数

Table 1 Model parameters of generator and transformer

2.5 SPD及避雷器模型

箱变低压侧开关型SPD和高压侧避雷器均采用非线性电阻模型等效，其伏安特性参数如表2所示。

表2 SPD及避雷器参数

Table 2 Parameters of SPD and arrester

3 计算结果及分析

3.1 雷电过电压计算

分别计算50 kA，2.6/50 μs、10/350 μs雷电流雷击塔顶风机叶片情况下，箱变低压侧SPD接入时和脱开后的电压(取三相中电压幅值最大相)，波形如图4所示。

接地网冲击接地电阻取10 Ω，取不同雷电流峰值进行仿真。分别计算SPD接入和SPD脱开2种情况下箱变低压侧电压，计算结果见表3。

雷电流峰值取50 kA，取不同接地网冲击接地电阻分别进行仿真，计算结果见表4。

图4 低压侧电压仿真计算波形

(1)当SPD接入时，由于其钳位作用，可有效将箱变低压侧电压限制在其保护电平(3 kV)以下；当与SPD串联的脱扣装置跳闸，SPD脱开后，箱变低压侧电压明显增大，即使在5 kA、10/350 μs的雷电流作用下也达到10.8 kV，当雷电流幅值或陡度更大时，箱变低压侧电压将超过其冲击耐压值(12 kV)[20]。

表4 不同冲击接地电阻下箱变低压侧电压

Table 4 Potential difference of low-voltage side of box-type transformer with different impulse grounding resistance

(2)雷电流峰值和陡度越大，箱变低压侧电压越大。SPD接入时电压变化很小，当SPD脱开保护后，雷电流峰值从5 kA增大至20 kA，雷电流波头时间为2.6 μs时，箱变低压侧过电压从27.5 kV增大至428.4 kV；雷电流波头时间为10 μs时，箱变低压侧过电压从10.8 kV增大至145.5 kV，约为前者的1/3，这是由于雷电流陡度增加后，在电缆分布电感上压降增大，使地电位与低压侧电缆芯线电位的差值增大。

(3)箱变低压侧电压随接地网冲击接地电阻的增大而增大。当SPD脱开保护后，冲击接地电阻从3 Ω增加至20 Ω，雷电流波头时间分别为2.6，10 μs时，箱变低压侧过电压分别从94.6，31.9 kV增大至326.0，120.5 kV，这是由于当冲击接地电阻增大时，雷电流流过接地网引起的地电位抬升也相应增加，使箱变低压侧相线对地的电位差增大。箱变低压侧一旦失去SPD保护，即使充分降低接地网冲击接地电阻，对低压侧的雷电过电压也无法起到理想的限制效果。

3.2 工频续流计算

当低压侧SPD导通或低压侧绝缘击穿后，出现工频短路点，开始时是单相对变压器外壳放电，由于变压器相间母排距离较近，相线对地短路可能发展成相间短路，甚至三相短路。假设短路前风机以额定参数运行，功率因数为0.8，计算箱变低压侧出现各种类型短路后，短路电流最大瞬时值和稳态值(取最严重的情况)，如表5所示。

表5 短路电流计算结果

Table 5 Calculation results of short circuit current

由表5可知，短路后最大瞬时电流可达8.75 kA，即使单相短路,工频续流稳态值也达到4.50 kA，而通常开关型SPD可切断的工频续流为200～300 A，远低于计算值，因此，在雷电流作用下，SPD导通后基本无法熄灭工频电弧，导致SPD串联脱扣装置跳闸或SPD损坏。

3.3 改进措施及仿真验证

根据上述分析，由于开关型SPD在切断工频续流方面存在较大问题，因此不适用于风机箱变低压侧的防雷保护。而氧化锌阀片具有无续流的优点，并且可以将电压限制在残压范围内，因此可以考虑将原有SPD更换为通流容量大于5 kA，残压低于12 kV的氧化锌避雷器。推荐避雷器型号为YH10W-0.8/3.0，其伏安特性参数如表6所示。仿真计算50 kA，2.6/50 μs、10/350 μs雷电流雷击塔顶风机叶片情况下，箱变低压侧改装氧化锌避雷器后的电压(取三相中电压幅值最大相)，波形如图5所示。

表6 低压侧更换避雷器参数

Table 6 Parameters of replaced arrester at low-voltage side

图5 低压侧电压仿真计算波形

更换氧化锌避雷器后，2.6/50 μs、10/350 μs雷电流波形下，低压侧最大电压分别为2.44 kV和2.16 kV，比装设SPD时更低，且无工频续流，因此在箱变低压侧采用氧化锌避雷器效果更好。

4 结 论

(1)风电机组升压变压器以箱变的形式在塔筒外布置时，经常发生由于雷击造成低压侧损坏的事故。事故原因主要是箱变低压侧SPD导通后无法熄灭工频电弧，导致脱扣装置跳开，出现较高的雷电过电压使低压侧绝缘击穿，形成相线对地或相间工频短路，造成箱变内设备损坏；SPD脱扣装置未正常动作时，工频短路电流则会长期作用于SPD两端，导致SPD损坏。

(2)当低压侧SPD正常接入时，由于其钳位作用，箱变低压侧电位差限制在SPD保护电平(3 kV)以下；脱扣装置跳闸使SPD脱开后，箱变低压侧出现较大的雷电过电压，并随着雷电流幅值及接地网冲击接地电阻的增大而增大。当100 kA，2.6/50 μs的雷电流作用于冲击接地电阻为10 Ω的风机塔顶时，低压侧过电压可达428.4 kV；雷电流波形为10/350 μs时，过电压值降至145.5 kV，约为前者的1/3。

(3)箱变低压侧的工频短路电流远大于开关型SPD允许的工频续流值，在低压侧安装SPD存在过流保护装置跳开，使箱变失去防雷保护的风险，可以将其更换为氧化锌避雷器，同时也应加强风电场安全运行维护工作。

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(编辑 张小飞)

Box-Type Transformer Lightning Overvoltage Simulation at Low-Voltage Side in Wind Turbines

MAN Yuwei1, YU Guangkai2, WEI Huanlin1, CHANG Taifu1，ZHANG Bo2, LU Tiecheng2

(1. Guangxi Jinzishan Branch of China Power Investment Corporation, Guilin 541100, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China;2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aimed at damage accidents of box-type transformer outside wind turbine when the top of wind tower being struck by lightning, an ATP/EMTP simulation model is established according to wind turbine-box type transformer system lightning protection, which is based on the mechanism analysis of the lightning overvoltage of box-type transformer at low-voltage side. We use this model to calculate the lightning overvoltage of box-type transformer at low-voltage side when surge protective device (SPD) is connected and disconnected, and analyze the influences of the waveform and peak of lightning current, impulse grounding resistance on the voltage on the low voltage side of box-type transformer. Meanwhile, we calculate the power frequency current after the low-voltage side short circuit of transformer. The calculation result shows that the potential differences of low-voltage side of transformer when SPD is disconnected exceed the impulse withstand voltage 12kV, and the power frequency current at low-voltage side is 4.50-8.75 kA. Because switch-type SPD cannot cut off power frequency current, it is suggested that switch-type SPD should be replaced by zinc oxide arrester (YH10W-0.8/3.0) without follow current, whose lightning protection effect is verified by simulating calculation.

wind turbines; box-type transformer; ground potential rise; lightning overvoltage; power frequency current; surge protective device(SPD)

TM 614

A

1000-7229(2016)01-0131-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.01.020

2015-10-09

满于维(1989)，男，高级工程师，主要从事风电场升压站、风电机组维护与检修工作；

余光凯(1991)，男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统过电压及防雷接地技术；

韦焕林(1988)，男，工程师，主要从事风电场运行维护工作；

常泰福(1990)，男，工程师，主要从事风电场设备维护与检修工作；

张博(1979)，男，博士，副教授，主要从事电力系统过电压及仿真计算方面的研究工作；

鲁铁成(1953)，男，博士，教授，博导，主要从事电力系统过电压方面的研究工作。