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摘要：提出一种基于铁氧体磁环和RC 阻容吸收器的方法来抑制海上风电场高频暂态过电压。由于海上风电场电缆集电系统中的行 波折射和反射现象，在真空断路器分合闸发生重燃和预击穿时，在机端变压器高压侧产生高幅值、高陡度的暂态过电压，该过电压 会对变压器匝间的绝缘产生严重损害。因此，首先通过电磁暂态仿真软件ATP-EMTP 搭建海上风电场集电系统中电缆、变压器、 真空断路器仿真模型，然后按照实际海上风电场搭建完整的集电系统。研究真空断路器触头分离速度、合闸相位、电缆长度对高频 暂态过电压的影响，并提出在真空断路器附近或机端变压器高压侧安装RC 阻容吸收器、铁氧体磁环以抑制高频暂态过电压的方 法。研究表明：真空断路器在分闸时，在电压峰值即相位角为90°时的过电压幅值最小，在电压零点位置即相位角为180°时的过电 压幅值最大;暂态过电压随着电缆的长度的增加而减小;相比RC 阻容吸收器，装设铁氧体磁环过电压保护装置抑制海上风电场产生极高频暂态过电压的效果更显著。
关键词：海上风电场,重燃,高频暂态过电压,过电压保护
Measures for Suppressing High Frequency Transient Overvoltage in Offshore Wind Farms
Sun Wenyi 1.Li Yong1.Xin Daoyue1.Peng Zhe 1.Li Wei2 ( 1.Guangdong Mingyang Electronics Co.，Ltd.，Zhongshan，Guangdong 528400.China;
2.School of Electrical Engineering and Electronic Information，Xihua University，Chengdu 610039.China )
Abstract：A method based on ferrite magnetic ring and RC absorber is proposed to suppress high-frequency transient overvoltage in offshore
wind farms.Due to the phenomenon of traveling wave refraction and reflection in the cable collecting system of offshore wind farm，the transient
overvoltage with high amplitude and high gradient will be generated on the high voltage side of the transformer when the vacuum circuit breaker
is re-burning or pre-breakdown during the opening and closing.Therefore，in this paper，the simulation model of cable，transformer and vacuum circuit breaker in the collecting system of offshore wind farm is first built on ATP-EMTP，and then a complete collecting system is built according to the actual offshore wind farm.The effects of contact separation speed，closing phase and cable length on high frequency transient overvoltage of vacuum circuit breaker are studied，and a method to restrain high frequency transient overvoltage is proposed by installing RC absorber and ferrite magnetic ring near the vacuum circuit breaker or on the high voltage side of transformer at the end of the machine.The results show that when the vacuum circuit breaker is open，the overvoltage amplitude is the smallest when the voltage peak is 90°，and is the largest when the voltage zero is 180°.The transient overvoltage decreases with the increase of cable length.The installation of magnetic loop
overvoltage protection device is more effective than RC absorber in restraining the very high frequency transient overvoltage generated by
offshore wind farms.
Key words：offshore wind farms;reignition;high frequency transient over-voltage;over-voltage protection
引言
随着能源需求的不断增大和生活环境的日益恶化，可再生能源正极速发展。风力发电作为一种清洁的可再 生能源越来越受到世界各国的重视[1]。
对于海上风电场，由于海上的恶劣环境、气候条件、 风电的间歇性等特点，风电场频繁接入/切除电网，断路 器与电力变压器的操作频繁，极易导致更多、更严重的 过电压状况[2]。而海上风电场电气系统中变压器、真空 断路器和电缆等元件在不同的频率范围内有不同的特性，
如变压器在低频下主要是感性特性，而绕组在高频下表 现出容性;由于电缆集肤效应，电缆的阻抗在高频下会增加。这些不同都会导致海上风电场出现比普通陆地风电场更严重的暂态现象。
HELMER J 使用ATP-EMTP 中的MODELS 模块建立了包含截流值、介质绝缘强度、高频熄弧能力3个基本要素的真空断路器仿真模型[3];清华大学关永刚利用 ATP-EMTP 搭建了真空断路器开断三相并联电抗器模型 并进行了现场试验[4-6];重庆大学杨庆研究出真空断路器开断并联电抗器过电压的3种抑制措施：避雷器、阻 容吸收器和延长电缆[7-8];华南理工大学唐文虎利用 PSCAD/EMTDC 构建了海上风电场高频分闸模型，且搭建了海上风电场集电系统内部高频暂态过电压的试验平台[9-12 ];西安交通大学刘学忠搭建了风力发电厂电缆集 电网系统的实验室研究平台，并试验了相应的电磁暂态 分析模型[13-14] 。但是到目前为止，还没有明确研究具体的海上风电场过电压抑制措施。
本文针对抑制海上风电场过电压的方法开展了相关研究。首先使用ATP-EMTP 仿真软件搭建真空断路器 高频重燃特性的自定义仿真模型，研究真空断路器的触头分离速度对过电压的影响。再根据实际海上风电场连接线路，构建简化的海上风电场中压电缆集电系 统，研究触头分离速度、合闸相位、电缆长度对变压 器高压侧高频暂态过电压的影响，最后比较在机端变压器高压侧安装RC 阻容吸收器、铁氧体磁环的过电压保护装置的抑制效果，最终提出最佳抑制方案。为海上风电场过电压抑制、电力系统安全可靠的运行提供 有力的参考。
1 仿真模型
真空断路器是现代常用的开关，因其极高的可靠性、 优良的灭弧性能以及较高的经济性，在海上风电场得到大规模的运用。
1.1 真空断路器模型
在ATP-EMTP 中，断路器仅为1 个简单的理想开 关，闭合时等效为1个很小的电阻，开断时等效为阻值 无穷大的电阻，此开关模型无法模拟真空断路器的重燃与预击穿特性。为研究真空断路器分合闸操作时由于重燃和预击穿而产生的高频暂态过电压，同时考虑真空断路器截流水平、介质绝缘强度、高频熄弧能力3 个因素[15-17 ]，本文采用C语言对ATP-EMTP 软件中的开关模型进行二次开发，搭建真空断路器的高频暂态模型，如图1所示。
图1中，VCB 为开关，杂散电阻RS =50 Ω，杂散电 感LS =50 nH，杂散电容CS =200 pF。MODEL 模块包括3 个输入量和3个输出量，输入量包括开关两侧的电压U1 与U2 、流过开关的电流I，输出量包括介质绝缘强度DS、暂态恢复电压UTRV 、开关控制信号SSIGN。MODEL 模块通过对当前输入量和满足的条件进行判断，得出输出量 SSIGN，实时对真空断路器状态进行控制。模型仿真流程图如图2所示。
由图2可知，断路器断开条件：①断路器初始为关合状态;②流过断路器的电流大于截流值;③发生重燃时的高频电流过零点变化率di/dt 绝对值小于高频熄弧能力HFQC。断路器关合条件：①断路器最开始为断开状态;②断路器两端的介质绝缘强度小于介暂态恢复电压。
( 1 ) 截流值。在真空断路器接收分闸信号后，触头 开始分离，此时流过断路器的电流只有工频分量。在线 路电流过零点附近瞬时值小于真空断路器截流值时，线路电流被强制截断。开断电流大小、频率和触头材料等都影响截流值的大小。真空断路器截流值可表示为：
式中：角频率ω = 2 πf，f为电网频率;I 为开断电流幅 值;α=6.2 × 10 -16 和β= 14.3 是和触头的电极大小、强度、材料、间隙和电路的参数等相关的常量。真空断路器截流值通常为3~ 8 A，模型中真空断路器的截流值设置为5A。
( 2 ) 介质绝缘强度。当真空断路器分闸时，随着动静触头间距的增加，触头间隙的介质绝缘强度也增加，介质绝缘强度可表示为：
式中：t 为仿真时间;topen 为分闸时间;A 为真空断路器分闸速度;B 为真空断路器介电强度常数。模型中A =1.3 × 107 V/s;B = 690 V。在真空断路器分闸过程中，当触头两端的介质绝缘强度小于暂态恢复电压UTRV 时，开关将会发生重燃击穿，产生高频暂态过电压。
( 3 ) 高频熄弧能力。高频熄弧能力为流过线路电流变化率的界限值。如果电流过零点的变化率小于某一值时，真空断路器可以成功将其截断，如果大于该值时，却不能截断，该值可被称为真空断路器的高频熄弧能力。
真空断路器的高频熄弧能力可表示为：
式中：熄弧能力上升率C = 0.32 × 10 12 A/s2;熄弧恢复能力D = 155 × 106 A/s 。
将编写好的C 语言添加到搭建好的断路器模型里，程序根据输入量判断系统处于断开或者导通状态。图3为当topen =0.125 s，tclose =0.165 s 时投切变压器TX1 时的电压波形图。开断变压器TX1 时过电压的最大值可达2.2 p.u.，投入变压器TX1 时过电压的最大值可达1.82 p.u.。
1.2 电缆模型
本文选用的J.Marti 电缆模型来完成海上风电场建模，它能比较准确地表现出线路对各种频率的响应，是目前应用广泛的具有频率相关参数的线路模型，且具有很好的精度和稳定性，具有频率相关参数[18-19] 。
在ATP-EMTP 中搭建海底电缆模型时，先要研究确定电缆的几何结构，再根据实际电缆数据来研究计算仿真模型中的几何和材料特性参数。而实际35 kV 电缆需 要考虑导体、内外层半导体屏蔽层、绝缘层、护套层和外绝层。仿真软件库中自带的电缆模型是实心导体且无半导体屏蔽层，而实际电缆导体是由许多导体绞合而成，导体与导体之间存在间隙，且存在半导体屏蔽层。为了提高仿真准确性，根据实际的电缆几何结构和ATP-EMTP 中的电缆模型来计算每层的参数，根据实际电缆的物理特性和层次结构的几何参数对模型中的材料特性参数进行校正，图4为电缆等效模型。
1.3 风机变压器模型
海上风电场变压器模型采用ATP-EMTP 仿真软件库中 的BCTRAN 模型，参数与S11-1600/35 型变压器一致，由于 BCTRAN 变压器模型中的励磁支路是线性的，故选用非线性 电感Type-96 元件来模拟风机变压器的非线性特性。将变压 器空载试验得到的数据转化为标幺值，套用支持规程 SATURE 的输入文件，生成一个Atp 文件后，运行仿真软件 会自动生成一个打孔文件.pch，将pch 文件中的数据输入到 非线性电感Type-96 后，得到变压器磁化特性曲线。此外， 为了准确描述风机变压器的高频特性，考虑风机变压器相间及相对地的杂散电容影响，风机升压变压器高频模型如图5所示。
2 仿真分析
如图6所示，海上风电场系统由数条馈线组成，每条馈线包含8 台风机。海上风电场包含了大量的风机、风机端升压器、真空断路器和海底电缆等设备。为研究真空断路器触头分离速度造成真空断路器重燃击穿，产生高频暂态过电压的影响;分合闸相位、电缆长度对高频暂态过电压的影响，建立单条馈线单台风机的海上风 电场中压电缆集电系统。系统电压为35 kV，频率为 50 Hz，风机端升压器变比为0.69 kV/35 kV。
2.1 触头分离速度
通过比较暂态恢复电压UTRV与介质绝缘强度Ub 的大小决定真空断路器是否会发生重燃击穿，产生高频暂态 过电压。根据式(2 ) 可知，A 为真空断路器的分闸速 度，B 为真空断路器介电强度常数，故A值决定了介质绝缘强度的大小。以分闸为例，在保持其他条件不变时，分析当A=13 V/μs 和26 V/μs 时真空断路器两极触头间隙的电压波形，结果如图7所示。可知，当A=13 V/μs 时，在电流 第一个过零处真空断路器没有成功开断，出现了高频重 燃过电压;当A=26 V/μs 时，随着A增大，真空断路器 触头分离速度变快，真空断路器成功开断。这是因为介 质绝缘强度Ub 也随之增加，此时触头间耐受电压Ub 大 于暂态恢复电压UTRV，不会发生击穿。
2.2 合闸相位
为研究真空断路器合闸相位对预击穿产生的过电压影响，当真空断路器合闸时间从0.092 s 依次增加0.001 s，增至0.104 s 发生预击穿时的过电压的峰值最大值与相位角的关系如图8所示。
2.3 电缆长度
在其他条件保持不变时，将变压器高压侧电缆长度从90 m 依次递增10 m，增至130 m，研究电缆不同长度对暂态过电压的影响。
如图9所示，变压器高压侧的过电压UTX 可表示为：
中：UTX1为电源相电压峰值;Z 为电缆波阻抗;C 为变压器等效电容。
根据式(4 ) 知，UTX与电缆长度并无关系，但在实 际仿真中，考虑到电缆的电阻特性，电缆中的电阻会使电压波和电流波衰减和变形，导致暂态过电压随着电缆的长度不断增加而减小。如图10 所示，过电压幅值随着电缆长度的增加而逐渐降低。
3 过电压抑制措施
常用的抑制高频过电压措施主要是安装浪涌保护器，包括安装RC 吸收器、铁氧体磁环和氧化锌避雷器。但氧化锌避雷器只可以抑制过电压的幅值，不能抑制过电 压陡度，所以不考虑此抑制方案。RC 吸收器是对频繁操 作的变压器有效保护的措施之一，因为它可以对抑制过电压的幅值且不受断路器动作限制。
3.1 RC 阻容吸收器
RC 阻容吸收器可以有效抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，使过电压的波形变缓，陡度和幅值降低， 再加上电阻的阻尼作用，使高频振荡迅速衰减。是使电器设备避免因真空断路器的分闸操作产生过电压造成绝缘损坏，保证电力系统安全运行必不可少的过电压保护装置。其电路如图11 所示。RC 阻容吸收器可吸收回路的过电压，当真空断路器投切变压器时，RC 阻容吸收器的加入可让操作过电压的震荡衰减较快，较好地限制了过电压的幅值和震荡频率。在变压器高压侧并联RC 阻容吸收器后过电压波形如图12 所示。由图12 可知，装设RC 阻容吸收器 之前重燃过电压幅值和陡度都比较高，高陡度和高幅值的过电压会对变压器绝缘特别是匝间绝缘产生巨大的危害。装设RC 阻容吸收器后过电压的幅值和陡度有了较为明显降低。当R =34.5 Ω，C =0.25 μF 时， 因此，装设RC 阻容吸收器有利于降低过电压幅值， 限制过电压陡度，从而降低真空断路器的重燃几率。 且在一定范围内，电容值越大过电压的前沿陡度上升越缓。
3.2 铁氧体磁环
磁环作为抗干扰元件，其阻抗可表示为和频率有关 的函数[20-21] 。对于高频信号有很好的抑制作用，在不同 的频率下有不一样的阻抗特性，通常在低频时阻抗较小，当频率升高磁环表现的阻抗急剧升高。其电路如图13 所示。当风电场正常运行时，电路频率为50 Hz，磁环的等效阻抗对电路的影响很小，当频率几MHz 时，磁环表现出很大的阻抗，随着频率的升高，总阻抗增长较快，通过磁环的电磁干扰波将其吸收，并以热能的形式散发出去，增加传播路径中的能量损耗，减小过电压的陡度。
在变压器高压侧串联磁环后过电压波形如图14 所示。由图14 可知，装设磁环之前重燃过电压幅值和陡度 都比较高，高陡度和高幅值的过电压会对变压器绝缘特别是匝间绝缘产生巨大的危害。装设磁环后过电压的幅值和陡度有了较为明显的降低。因此，装设磁环有利于 降低过电压幅值，限制过电压陡度，从而降低真空断路器的重燃几率。
4 结束语
随着以电缆为集电系统的海上风电场在全球迅速发展，由开关动作引起的暂态过电压也越来越受到重视。 IEC 测试标准没有包含电缆的特性，开关的重燃和预击穿。然而海上风电场操作过电压主要是由真空断路器发生重燃/预击穿产生的，使用ATP-EMTP 仿真软件的 MODEL 模型，编程实现对真空断路器投切变压器的截 流、重燃、预击穿现象的仿真，验证模型可以实现真空断路器开关操作引起的暂态过电压现象仿真。而后又搭建海上风电场系统的三相模型，分析电缆长度、分合闸相位对过电压的影响，提出了加装阻容吸收器、磁环对过电压的抑制，结论如下。
( 1 ) 海上风电场集电网是由大量电缆组成，由于行 波的折射反射现象，系统内部产生的暂态过电压现象较陆上风电场严重得多。在海上风电场的电缆系统中始终存在多次重燃和预击穿的现象，它们的产生与电路的参数及开关操作有关。
( 2 ) 使用ATP-EMTP 仿真软件搭建真空断路器投切 空载变压器的单相模型，仿真并分析真空断路器投切变压器过程中产生的过电压的影响因素。建立海上风电场内部电气系统图，仿真了三相系统中真空断路器投切变压器时的过电压。
( 3 ) 真空断路器在分闸时，在电压峰值即相位角为 90°时的过电压幅值最小，在电压零点位置即相位角为 180°时的过电压幅值最大。因为电缆的电阻特性，电缆 的电阻会使电压波和电流波衰减和变形，所以暂态过电压随着电缆的长度不断增加而减小。
( 4 ) 安装避雷器可以抑制过电压的幅值。安装RC 保护装置可以抑制过电压的幅值和陡度，但不能完全消除过电压现象。安装磁环保护装置可以显著减少重燃次数，抑制过电压的效果最好。
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作者简介：
孙文艺(1978 —)，男，硕士，高级工程师，研究领域为智能化高压电器。
李勇( 1973 —)，男，硕士，高级工程师，研究领域为中压开关。
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