黄世通

（湖北省华网电力工程有限公司 重庆分公司，重庆 400000）

0 引 言

随着新能源行业的发展，主流风电机组的容量不断上升，我国新能源装机总量也日渐增加，这对风电场的安全生产提出了更高的要求。目前，风电场内普遍采用“一机一变”的单元接线形式，与风机配套的箱式变压器也成为风电场的重要设备组成。作为智能电气设备，箱式变压器内集成了保护测控装置，采集各类信号沿光纤集中传输至风电场集中控制室，进行远程监控和管理[1]。因此，箱式变压器二次侧的运行安全同样不可忽视。通过理论分析，在箱式变压器信号侧安装电涌保护器可以达到降低变压器副边信号侧浪涌电压的目的。

1 箱式变压器内的典型电气结构

1.1 箱式变压器一次侧结构

箱式变压器相当于一个小型变电站，内部设备较多且结构复杂。研究针对应用于风电场的箱式变压器，内部结构可分为高压室、变压器室、低压室。箱式变压器高压侧包括高压母排、断路器或熔断器、电压互感器、避雷器等，电压等级通常为35 kV或10 kV，主要连接风电场集电线路、开关站、电网侧等；低压侧连接风机出口，电压等级为1 kV左右，常为0.69 kV。近年来，为了适应风电机组单机容量的提升，箱式变压器低压侧电压开始频繁采用0.9 kV、0.95 kV、1.14 kV等稍高的电压接入，这也体现了新能源行业的迅速发展[2-5]。

箱式变压器低压室还设有一台自用变压器，将风机出口电压降至0.4 kV市电电压等级，为箱式变压器提供照明、加热、除湿以及不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）等自用电电源。其中UPS电源装置自带储能功能，为二次侧保护测控装置的运行提供不间断电源。

箱式变压器主要电气结构如图1所示。

图1 箱式变压器电气结构

1.2 箱式变压器二次侧配置

箱式变压器内配备的保护测控装置可采集箱式变压器的各个运行状态信号，并将信号上传至风电场监控系统后台，实现风电场对场内风机配套箱式变压器运行情况的实时监控、故障记录、远程测控等运行管理需求。保护测控装置需采集及上传的信号具体包括以下内容。

（1）开关量信号：高压隔离开关状态信号、高压断路器状态信号、高压断路器故障信号、高压断路器遥控位置、低压断路器状态、低压断路器故障、低压断路器遥控位置、变压器油温过高报警、变压器油温超高跳闸、变压器压力释放、变压器油位异常以及箱式变压器箱体门开启信号等，这些信号来自设备本体或传感器。

（2）模拟量信号：变压器高压侧电流幅值、变压器低压侧电流幅值、变压器油面温度信号等，这些信号来自变送器或传感器。

（3）RS485通信信号：变压器油面温度传感器通信、箱式变压器箱体温湿度控制器通信信号等，这些信号来自传感器或控制器。

（4）以太网通信信号：箱式变压器保护测控装置与箱变后台监控系统通信信号等，这些信号来自风电场箱式变压器监控网。

信号电涌保护器的连接示意如图2所示。

图2 箱式变压器信号回路及通信回路接线

2 箱式变压器雷电防护

2.1 箱式变压器雷击过电压风险

考虑到风能资源的分布情况，风电场主要分布于旷野地区或山脊部位，箱式变压器布置于风机塔筒附近。目前，主流机型的风机塔筒高度已高达140 m甚至以上。风机塔筒易受雷击，产生的雷击过电压通过风机组流向箱变，导致箱式变压器遭受雷电损害。因此，箱式变压器受到的雷击过电压类型主要为感应过电压[6]。

2.2 箱式变压器防雷分区

防雷分区根据风电场箱式变压器的各部分空间受累计电磁脉冲影响程度的不同，可以将机组需要保护的空间从外部到内部划分为若干个防雷区，并对每个防雷区编以序号，各区以在其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。防雷区的序号越大，区内的电磁场越小。箱式变压器防雷区如图3所示，内部结构以美变为例。箱变金属壳体内部防雷分区主要为LPZ1及LPZ2，这两种分区内均不需要耐受直接雷击电流，且防雷区的序号越大，则其可耐受的雷电流大小需要进一步抑制，使之降低到本区设备耐受水平的规定指标[7]。

图3 箱式变压器防雷分区图

2.3 常见箱式变压器防雷配置

箱式变压器的防雷主要依靠有效的接地及避雷器、浪涌保护器的有效保护。在风电场中，箱式变压器的基础内会敷设接地网，并与风机的接地网相连，满足接地电阻不高于4 Ω的要求。箱式变压器的金属骨架、高、低配电装置及变压器部分的金属支架均有符合技术条件的接地端子，并与专用接地导体可靠连接。箱式变压器高、低压配电装置及变压器部分的专用接地导体相互连接，否则通过专用的端子可靠连接，箱式变压器所有高、低压设备的非带电金属裸露部分均可靠接地，在正常运行条件下可抽出部分保证在打开或隔离位置时仍能可靠接地。

在箱式变压器内部，高低压侧均配置避雷器，其中35 kV高压侧设氧化锌避雷器，低压侧设浪涌保护器。当回路中产生过高的感应雷电过电流或过电压时，避雷器、浪涌保护器动作，从而保护高低压设备免受侵害。

3 箱式变压器信号侧电涌保护

3.1 必要性

箱式变压器的传统防雷配置主要着眼于一次侧雷电防护，然而要保证箱式变压器的安全稳定运行，除了需要保护其一次侧设备外，还需要保证二次侧设备的正常运行。与一次侧类似，雷电事件也会造成箱式变压器二次侧产生感应过电压和感应过电流，这会对箱式变压器保护测控装置造成威胁，意味着在二次端与二次端信号侧增设浪涌保护器势在必行。

3.2 解决方案

目前，部分风电场的箱式变压器内会在其低压侧并联安装电源电涌保护器，能保证二次装置的工作电源不受雷电过电流影响，其原理如图4所示。

图4 箱式变压器内低压电源电涌保护器安装示意图

除此之外，还需要在信号回路及通信回路增设串联的信号电涌保护器，实现信号侧的电涌保护功能。信号电涌保护器的作用是把窜入信号回路及通信回路中的电涌进行限制和泄放，防止保护测控装置受到电涌的冲击而损坏，以实现对箱式变压器保护测控装置的保护。

信号电涌保护器的连接方式如图5所示。

图5 信号电涌保护器原理

信号电涌保护器的配置方案如下：

（1）在电气一次设备本体或传感器与保护测控装置的开关量输入模块相连的开关量信号回路中，串联若干个开关量信号电涌保护器；

（2）在变送器或传感器与保护测控装置的模拟量输入模块相连的模拟量信号回路中，串联若干个模拟量信号电涌保护器；

（3）在传感器或控制器与保护测控装置的RS-485通信模块相连的通信信号回路中，串联若干个RS-485通信信号电涌保护器；

（4）在箱式变压器监控网交换机与保护测控装置的以太网通信模块相连的通信信号回路中，串联以太网通信信号电涌保护器。

4 结 论

在风电场电气设备的应用中，防雷需求体现在方方面面，信号侧的电涌防护应是其中不可或缺的部分。围绕风电场箱式变压器在雷击过电压条件下的可靠性进行了讨论，并从风电场设计实际中遇到的问题出发，积极引入新技术、新设备，合理设计，对箱式变压器二次侧电涌防护方案进行完善，引入信号侧电涌保护器，提出了信号侧电涌防护的具体方案。经过防护改进，进一步提高了箱变的运行稳定性，为维护风电场生产安全提供了新的保障。