周歧斌，程 彧，赵 洋

（1.上海电力学院电气工程学院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615；3.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

海上风电场断路器重燃过电压研究

周歧斌1，2，程 彧1，赵 洋3

（1.上海电力学院电气工程学院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615；3.南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

海上风电场真空断路器投切时，其多次重燃产生的过电压对海上风电场内的电力设备会造成影响。由过电压引发的大规模风机脱网事故会破坏电力系统稳定运行。针对这一问题，在详细分析真空断路器重燃机理的基础上，利用ATP-EMTP建立真空断路器模型实现对重燃过程的模拟，并通过仿真验证其正确性。首次将此真空断路器模型应用于海上风电场系统中，通过建立海上风电场等值模型，模拟断路器重燃时海上风电场内过电压情况，分析海底电缆及海上风电场系统参数对操作过电压的影响，提出在真空断路器后加装合适的避雷器抑制由真空断路器重燃引起的操作过电压。研究结果表明：未加装过电压保护装置时，海上风电场内会产生很高的过电压，危害其安全运行；加装避雷器后，能有效减小过电压，保护海上风电场。

海上风电场；断路器重燃过电压；多次重燃；避雷器；ATP-EMTP

0 引言

随着人们对可再生清洁能源需求的增加，风电场规模日益扩大，与此同时，风电场的安全稳定运行也越来越受到重视。事故经验表明，风电场过电压会引起绝缘击穿，进而发生风机脱网。大规模风机脱网会损失大量出力，拉低电网频率，严重影响风电场和电力系统的安全运行[1-3]。因此，风电场过电压防护十分重要。

近年来，国内外专家学者已对风电场过电压问题展开研究。文献[4-5]仿真计算了单台及多台风电机组在遭受雷击时雷电过电压和雷电流分布。文献[6]模拟风机直接被雷击中时，风机各部分过电压随时间变化的规律。文献[7-9]指出风电场遭雷击时风机接地问题，提出防雷接地设计方案。

除此之外，操作过电压也是引起风电场过电压的重要因素。文献[10-11]首先分析海上风电场的拓扑结构，在此基础上对操作过电压与风电场馈电电缆长度和通电馈线数的关系进行研究。文献[12-13]计算了风电场集电系统不同设计参数对操作过电压的影响。文献[14]通过仿真，说明风电场操作过电压对风机升压变压器的影响。文献[15]针对大型风电场中单台或多台风机投切时产生的过电压，提出风机升压变压器的优化配置方案。文献[16-20]表明：断路器重燃是产生暂态操作过电压的主要来源之一，但是到目前为止，还没有研究具体分析断路器重燃过程对海上风电场过电压影响。

海上风电场正常运行时，内部电压等级比普通电厂高，因此遭受暂态过电压时，海上风电场系统中设备安全性及可靠性会受到更加严峻的考验。此外，海底电缆在海上风电场系统中大量使用，由于电缆的波阻抗远小于架空线，当海上风电场遭受过电压入侵时，电缆中的电压陡度会比架空线大很多。

海上风电场通过出口断路器与电网相连，断路器分闸时，触头间可能会出现电弧重燃，电弧重燃又会引起电磁暂态的过渡过程。因此有必要对断路器的重燃过程进行分析。笔者在详细分析断路器开断后重燃熄弧机理的基础上，利用ATP-EMTP建立断路器熄弧重燃模型，首次将其应用于海上风电场系统中，分析断路器重燃过电压对海上风电场的影响，提出并验证过电压抑制措施。

1 海上风电场系统模型搭建

海上风电场由20台3 MW风机组成，单台风机与0.69/35 kV升压变压器相连，通过海底电缆连接至风电场出口断路器，经主变并网。因此系统中包括发电机、变压器、电缆、真空断路器模型。海上风电场系统等值模型见图1。

图1 海上风电场系统模型Fig.1 Model of offshore wind farm system

考虑到海底电缆呈容性，过电压经过电缆后会有抬升；由于连接风机间的电缆长度远小于集电线路电缆长度，可以将其忽略。因此集电线路末端电压为过电压发生时风电场内电压最高点，故选取A点的电压作为仿真时电压测量点。

1.1 风力发电机与升压变

由于过电压主要来源于断路器开断后风电场系统振荡，风机结构与过电压的产生关系不大；且升压变压器铁芯饱和作用可以抑制过电压升高，风机受到断路器重燃产生的过电压影响很小，因此将风机简化处理为一个理想的电压源。对于升压变压器，采用G型等效，将绕组参数全部归算至高压侧。可由式（1）和式（2）得出。考虑到变压器相间杂散电容及对地电容会对断路器断开后RLC振荡产生影响，根据文献[21]，将这些电容等效为变压器的入口电容，并用文献[22]中提出的方法计算。除了变压器的绕组损耗外，还需要考虑变压器铁心损耗，用激磁阻抗表示。激磁阻抗分为激磁电阻Rm和激磁电抗Xm，激磁电阻反应铁心有功损耗；变压器工作需要建立磁场，激磁电抗为主磁通在绕组中引起的等效电抗。Rm、Xm可由式（3）、式（4）、式（5）计算得出。

式中：k，Vs%，VN，SN，PK，PFe分别为变压器的变比，短路电压百分数，额定电压，额定容量，负载损耗，铁芯损耗；U2N，I20分别为变压器二次侧额定电压，二次侧额定空载电流，这些参数均可通过变压器出厂报告获取。

1.2 海底电缆

1.2.1 海底电缆的结构

目前我国风机出口电压多为690 V，海上风电场升高压通常为二级升压方式，即风机输出电压690 V经箱变升压至35 kV，然后通过海底电缆将电能汇至110 kV或220 kV升压站，再通过110 kV或220 kV线路接入电网。

海底电缆线芯采用铜芯作为导体，主绝缘为交联聚乙烯，外护套为聚氯乙烯加钢带铠装，其截面图见图2。

图2 海底电缆截面图Fig.2 Section diagram for submarine cable

1.2.2 海底电缆参数计算

由于海底电缆较长，考虑到波过程对过电压的影响，在仿真软件中海底电缆采用分布参数模型，其等值RLC参数可由式（6）、式（7）、式（8）、式（9）确定。

式中：R′为最高温度下单位长度导体的直流电阻；ρ20为线芯材料20℃时电阻率；A为线芯截面积；a为20℃时温度系数常数；k为误差系数；ys为集肤效应因数；yp为临近效应因数；S为电缆中心间距离；DC为导电线芯外径；Di为绝缘层外径；ε0为真空介电常数；ε为绝缘材料的相对介电常数[23]。

2 真空断路器重燃机理分析及建模

2.1 真空断路器重燃机理

断路器重燃机理见图3。断路器开断后，若加在断路器两端的电压U超过其两端能承受的电压Uz，则断路器间隙会被击穿，发生重燃。断路器两端能承受的电压Uz随着开断时间t的增加而增大，呈线性关系。设断路器在A时刻断开，系统发生RLC振荡，电感中积累的能量释放，断路器两端的电压差不断升高。在B时刻，断路器两端电压超过其所能承受的电压，断路器发生重燃。随着电弧燃烧释放能量，断路器中流过的电流慢慢减小，当流过断路器电流I幅值过零且电流陡度小于阈值时，断路器再次开断，电弧熄灭，如图3中C时刻。D时刻，断路器两端电压再次达到重燃条件，则断路器再次被击穿，发生重燃[24]。在仿真软件EMTP中，可通过MODEL模块编写逻辑控制程序实现对断路器重燃与灭弧过程的模拟。

图3 断路器开断重燃原理图Fig.3 The principle diagram of the circuit breaker tripping reignition

在三相电路中，某一相在重燃阶段产生的高频电流可以通过电容耦合的方式注入到其他相中，使得其他相的电流在瞬间强制过零，这种现象被称为“虚拟截流”。若其他相处于额定运行状态，则额定电流瞬时过零会产生较大的过电压，这对于风机系统的绝缘是一个严峻的考验。

2.2 真空断路器在EMTP中的模型及仿真

EMTP中没有考虑重燃的真空断路器模型，但是它提供了一种可由信号控制的开关模型。从时域角度分析，断路器重燃对应的是开关在不同的时刻开合。因此，可以通过搭建电路模拟出开关开断后各参数随时间的变化，交由逻辑模块判断，再向开关发出合、分闸信号，具体流程见图4。tstep表示计算步长。假设在零时刻开关断开，从下一个计算步长开始，通过模拟电路计算出此时刻开关两端电压差，将这个值送给逻辑模块判断是否大于开关两端能承受电压的阈值。若小于阈值，则开关不击穿，时间增加一个步长，计算下一个时刻开关两端的电压差；若大于阈值，则开关间隙被击穿，逻辑模块发出合闸信号，开关闭合，发生重燃。此时，时间增加一个步长，计算发生重燃时模拟电路中流过开关的电流和电流陡度，逻辑模块计算前一时刻与现时刻的电流乘积，若乘积值小于零，则判定电流过零。此时，若电流陡度也小于阈值，满足熄弧条件，电弧已不能维持燃烧，逻辑模块发出分闸信号，开关断开，电弧熄灭。时间增加步长，返回开断状态继续计算。若电流过零与电流陡度小于阈值不能同时满足，电弧将持续燃烧，时间增加一个步长，继续进行上述计算。当时间达到程序设定的仿真时间，则跳出循环，程序结束。

图4 断路器状态判定流程图Fig.4 The flow chart of circuit breaker status decision

EMTP中搭建模拟电路见图5。U为理想电源，Ru、Lu表示电源内阻，电源与开关直接相连。S为可受信号控制的开关，Rs、Ls、Cs表示开关间隙的等值参数，逻辑模块可以实时读取仿真中开关两侧电压，流过开关电流及电流陡度的数值，并判断是否满足开关重燃熄弧条件，向S发送合分闸信号。S'是受时间控制的开关，它还有一个参数截流电流Imar，只有时间t大于设定的开断时间topen且流过开关的电流的幅值|I|小于截流电流Imar时，开关才会打开。因此，可以通过设定S'的开断时间t及截流Imar控制开关第一次开断的时间及开断时系统的运行状态。

依据真空断路器的原理及上述EMTP中模拟电路，取线路空载运行状态，设定各元件参数为额定值，模拟电弧参数取Rs=50 Ω，Ls=50 nH，Cs=200 pF[24]，按经验值取断路器两端可承受的电压阈值Uz（t）=2×107×（t-topen）+1 000，t为仿真总时间，topen为断路器开断时刻。仿真得电压，电流波形见图6，在仿真设定的状态下一共发生4次重燃。每发生一次重燃，开关前后都会产生一次过电压冲击，且电压幅值越来越大。对比图6（a）、6（b）发现，流过开关的电流与冲击电压变化趋势一致。当加在开关两侧的电压不足以再次满足重燃条件时，开关开断。

图5 EMTP中重燃断路器模拟电路图Fig.5 The simulation circuit of reignition circuit breaker in EMTP

图6 空载下断路器重燃时电流、电压Fig.6 Current and voltage of circuit breaker when it reignite in no load

3 海上风电场过电压仿真分析与改进措施

3.1 断路器重燃对过电压的影响

由断路器开断引起的过电压幅值为断路器开断前的电压幅值与振荡电路产生的电压幅值之和。断路器开断前的电压取决于开断时刻的电源角度。因此，电源角度会对过电压的幅值产生影响。

断路器发生重燃时仿真得到过电压波形如图7所示。电源角度为0°，电压测量点为图1中A点，即集电线路末端。断路器在50 ms断开，最大过电压达70.8 kV。断路器开断后2～4 ms内发生了4次重燃，每一次重燃引起电压波动的幅值逐渐增加，最大电压波动达40 kV。由于此时电压幅值不大，与重燃产生的电压叠加后没有出现过电压。从图7中可以看出重燃产生的电压陡度远大于断路器开断时的电压陡度。断路器断开后，不同电源角度下最大电压陡度与重燃次数见表1。由图7及表1可知，重燃会增大过电压的电压陡度。且重燃次数越多，发生重燃时的电压陡度越大。

图7 电源角度为0°的过电压波形Fig.7 Phase A voltage waveform before switch when source angle is 0°

表1 各电源角度下断路器重燃次数与最大电压陡度Table 1 Times of the reignition and the maximum voltage steepness in different angle power source

3.2 海底电缆及系统参数对过电压的影响

断路器开断时，电弧电流在工频自然过零前突然截断降至零，截断时刻的电流称为截流。断路器截流值的大小与真空断路器触头材料及电路参数有关。截流值越大，电路中储存的能量越大，产生过电压幅值也越大。对于正常运行系统，截流值取额定电流，电感中储存的能量最大，振荡产生的过电压也最大。

海上风电场发变组通过海底电缆与主变相连，由于海底电缆容抗大于感抗，表现出容性特征，过电压在经过电缆线路后在幅值与陡度上会有一定抬升，因此在海上风电场集电线路末端（图1中A点）会出现较大的过电压。

海底电缆采用分布参数模型，由于海底电缆电阻与电感值都较小，其变化对过电压影响不大，因此只考虑单位长度电容对过电压的影响。选取某一型号海底电缆单位长度电容C=1.21×10-4μF/m为基准值，改变C值，在发生重燃线路末端产生的过电压见图8。

其他条件不变，随着单位长度电容增大，线路容抗减小，因此线路末端过电压也减小。除此之外，电缆长度会影响总的线路参数，电缆越长，线路总容抗越大，则电缆末端过电压会随之增大。从过电压角度考虑，实际铺设海底电缆时，在容量满足要求的前提下，可选择单位长度电容较大的电缆型号。

图8 单位长度海底电缆电容与过电压幅值关系Fig.8 The relationship between the amplitude of overvoltage and the capacitance per length of the submarine cable

3.3 海上风电场三相过电压仿真及抑制

由上述分析可知，断路器重燃会增大过电压的陡度，电源角度及系统参数则对过电压的幅值产生影响。因此需要从电压幅值及陡度两个方面抑制过电压。

按照图1搭建仿真系统，选择风电场中电压最高的点作为电压测量点，即集电线路末端，如图1中A点。设定断路器截流值为额定电流，调整电源角度使流过断路器中电流恰好到额定值截断，系统各元件参数均取额定值，可以得到三相电压波形，见图9，最大过电压出现在B相，幅值为125 kV。

图9 三相过电压波形Fig.9 Three phase overvoltage waveform

由图1可知，集电线路末端即为升压变压器高压侧。根据GB 1094.3《电力变压器第三部分绝缘水平和绝缘试验》[25]，对于35 kV电压等级变压器，额定外施耐受电压（方均根值）为85 kV，因此需要加装保护措施抑制过电压。35 kV氧化锌避雷器的动作电压约为70 kV，略小于额定外施耐受电压，且最大电压陡度31.92 kV/ms，小于1.2/50 ms标准雷电波（耐压等级为170 kV）的电压陡度141.67 kV/ms，满足过电压保护需求。从保护风电场角度考虑，将避雷器放置于真空断路器后，即图1中A点处。再次仿真得结果如图10所示，此时三相过电压最大幅值不到60 kV且抑制断路器发生重燃，满足国家标准的规定。若在断路器两侧分别加装避雷器，仿真发现过电压抑制效果与只装一侧相近，从经济性考虑，只在真空断路器后加装避雷器即可。

图10 加避雷器后三相过电压波形Fig.10 Three phase overvoltage waveform after install surge arrester

4 结论

真空断路器重燃过电压是海上风电场操作过电压主要来源。笔者通过对真空断路器重燃机理的研究，在ATP-EMTP中建立了真空断路器模型，并验证其可以实现对断路器重燃过程的模拟。之后将该模型应用于海上风电场中，分析断路器重燃及其他因素对海上风电场操作过电压的影响，提出在真空断路器后加装合适的避雷器可有效抑制海上风电场操作过电压。结论如下：

1）真空断路器开断时易发生重燃，重燃发生次数越多，电压波动的幅值越大。

2）海上风电场操作过电压不仅与真空断路器重燃有关，电源角度、真空断路器截流值、海底电缆长度也会对其产生影响。真空断路器重燃会增大过电压陡度；电源角度、海底电缆长度及系统参数变化会对过电压幅值产生影响。

3）海底电缆呈容性，过电压经过电缆后会有抬升，且过电压幅值随着电缆容抗的增大而增大。在满足线路设计要求的前提下，使用容抗较小的海底电缆会降低过电压幅值。

4）在真空断路器后加装合适的避雷器在电压幅值和电压陡度上都对过电压起到良好的抑制效果，且抑制了重燃的发生。

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Analysis on Restrike Overvoltage of Circuit Breakers in Offshore Wind Farms

ZHOU Qibin1，2，CHENG Yu1，ZHAO Yang3
（1.School of Electric Power Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai 200090，China;2.Shanghai Lightning Protection Center，Shanghai 201615，China;3.Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing 210044，China）

The electric equipment in offshore wind farm will be seriously impacted caused by the re⁃strike overvoltage from multiple reignition of circuit breakers.With large-scale wind turbines’trip-off from grid caused by overvoltage，the stability of power system would be decreased.In allusion to this problem，a model of reignition process in ATP-EMTP is established on the base of detailed analysis of the multiple reignition mechanism of vacuum circuit breakers，and verified that this model can simulated the reignition process of circuit breakers.Then this model is firstly applied in the overvoltage analysis of an offshore wind farm.The equivalent model of offshore wind farm is established，to simulate the overvolt⁃age in the offshore wind farm when the circuit breaker reignition，and the influence of the submarine ca⁃ble and the parameter of offshore wind farm on switching overvoltage is analyzed.Finally，it is proposed and discussed that the installation of suitable arrester to circuit breaker，so as to suppress the restrike overvoltage.The research results show that:without installation of overvoltage protection device，there will produce a very high voltage offshore wind farm，harm the safe operation;after installing the lightning arrester，it can effectively reduce the overvoltage protection of offshore wind farm.

offshore wind farm；restrike overvoltage of circuit breaker；multiple reignitions；arrester；ATP-EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.011

2016-10-09

周歧斌（1977—），男，博士，高级工程师，研究方向为雷电防护，风力发电。

上海市气象局面上课题（编号：MS201602）。