對(duì)風(fēng)電變流器中過(guò)電壓保護(hù)的案例分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u18462對(duì)風(fēng)電變流器中過(guò)電壓保護(hù)的案例分析概述 1155471.1故障過(guò)程描述 1183431.2保護(hù)動(dòng)作情況分析 278181.2.1整流變壓器網(wǎng)側(cè)避雷器選型 2238421.2.2變壓器閥側(cè)金屬氧化物限壓器選型 364061.2.3最大持續(xù)運(yùn)行電壓 3312401.2.4直流參考電壓 3260851.3故障原因分析 3201761.3.1模型分析 4171441.3.2雷電流幅值對(duì)雷擊過(guò)電壓的影響 6318611.3.3避雷器位置對(duì)晶閘管過(guò)電壓的抑制影響 6261271.4應(yīng)對(duì)措施 71.1故障過(guò)程描述落雷過(guò)電壓現(xiàn)象是雷云放電造成的，由于外面天氣環(huán)境惡劣，與當(dāng)?shù)貧庀髼l件有關(guān)，落雷過(guò)電壓有直擊雷暴的形式和感應(yīng)雷暴的形式，入侵雷暴過(guò)電壓有三種。雷電直擊電氣設(shè)備后，裝置中產(chǎn)生了非常大的電壓降，稱(chēng)為雷電過(guò)電壓。另一種叫做感應(yīng)雷過(guò)電壓，有兩種。一種是靜電感應(yīng)，當(dāng)在電氣設(shè)備周?chē)焕讚魰r(shí)，在電氣設(shè)備中感測(cè)與雷電極性相反的電荷，由此產(chǎn)生電流。如果雷云不命中裝置，對(duì)其他目標(biāo)進(jìn)行放電處理，裝置上的感應(yīng)電荷將從雷云電荷吸引中釋放出來(lái)，自由形成的電流流向土地，從而引起電位降。另一種是電磁感應(yīng)，是裝置與裝置之間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的點(diǎn)火裝置，侵入雷過(guò)電壓是裝置周邊線路上的過(guò)電壓，金屬管被落雷，落雷電流通過(guò)線路金屬管侵入電氣設(shè)備。用于CRAFTTF磁體供電的風(fēng)力電變流器可以輸出90kA的直流電流，并且變流系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)裝置晶閘管是其核心裝置之一。在變流區(qū)域，當(dāng)雷電從變壓器網(wǎng)側(cè)某相沿線路侵入時(shí)，雷電過(guò)電壓通過(guò)網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)繞組間的電容耦合到風(fēng)電變流器，大于晶閘管的安全閾值，危及晶閘管的正常工作，供電系統(tǒng)不能正常工作也危害員工的生命安全。因此，進(jìn)行雷擊過(guò)電壓作用下風(fēng)電換能器晶閘管的研究具有一定的理論意義和工程參考價(jià)值。過(guò)去，雷擊防護(hù)主要依靠歷史數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，沒(méi)有對(duì)大電流風(fēng)力發(fā)電變流器過(guò)電壓影響因素進(jìn)行深入的分析和探討。由于雷電具有不可阻擋性，大電流風(fēng)力發(fā)電變流器裝置的安全問(wèn)題具有重要意義，需要探討雷擊過(guò)電壓產(chǎn)生的因素和抑制措施以保護(hù)裝置。1.2保護(hù)動(dòng)作情況分析1.2.1整流變壓器網(wǎng)側(cè)避雷器選型氧化鋅避雷器的參數(shù)選擇主要取決于三個(gè)參數(shù)，連續(xù)運(yùn)行電壓、額定電壓和名義放電電流，因此需要計(jì)算這三個(gè)參數(shù)才能正確選擇。1.持續(xù)運(yùn)行電壓避雷器連續(xù)運(yùn)行電壓峰值的規(guī)定應(yīng)大于系統(tǒng)的最大運(yùn)行電壓峰值，考慮到諧波的影響，系統(tǒng)要求的最高運(yùn)行電壓應(yīng)乘以1.05，以增加安全余量。持續(xù)運(yùn)行電壓分為以下兩種模式進(jìn)行計(jì)算。一種是接地故障自動(dòng)切除系統(tǒng)，一種是需要保護(hù)，另一種是中性點(diǎn)諧振接地或不接地，對(duì)于第一類(lèi)，連續(xù)運(yùn)行電壓要求在系統(tǒng)設(shè)備最大對(duì)地電壓除√2以上，由于該系統(tǒng)屬于核聚變裝置是要求接地故障系統(tǒng)自動(dòng)切除的重要系統(tǒng)。2.額定電壓避雷器的設(shè)置場(chǎng)所通常在整流變壓器網(wǎng)側(cè)的某相之后接地，因此避雷器所承受的電壓為相電壓。考慮線路額定電壓上限、電壓寬度和持續(xù)時(shí)間，結(jié)合避雷器本身參數(shù)特點(diǎn)選擇避雷器。在IEC60099-4中，避雷器的額定電壓是避雷器能承受的最高電壓，因此在選擇避雷器的額定電壓時(shí)，需要考慮系統(tǒng)可能受到雷擊的過(guò)電壓峰值的最大值及其持續(xù)時(shí)間。1.標(biāo)稱(chēng)放電電流避雷器標(biāo)稱(chēng)放電電流的定義如下：用于對(duì)避雷器進(jìn)行分級(jí)的雷擊電流峰值，標(biāo)稱(chēng)放電電流是反映避雷器保護(hù)特性和能量吸收能力的主要參數(shù)。在IEC60099-4中，考慮到裝置的最高電壓在72.5kV以下，名義放電電流為5kA，已經(jīng)得到保護(hù)，但重要設(shè)備應(yīng)選擇比較安全的容限避雷器進(jìn)行保護(hù)，CRAFTTF磁鐵電源變流系統(tǒng)是核聚變的電源，因此將名義電流選擇為10kA。4.避雷器型式預(yù)選根據(jù)西電避雷器公司型號(hào)選擇手冊(cè)及避雷器基本特性參數(shù)選擇避雷器類(lèi)型Y10W-35/175W。1.2.2變壓器閥側(cè)金屬氧化物限壓器選型由于變壓器網(wǎng)側(cè)落雷過(guò)電壓通過(guò)網(wǎng)側(cè)與閥側(cè)繞組之間的電容耦合到風(fēng)電變流器，閥側(cè)還需要變壓器閥側(cè)金屬氧化物電壓限制器（MOV）的雷電保護(hù)，MOV類(lèi)似于網(wǎng)側(cè)避雷器的約束過(guò)電壓原理，主要區(qū)別在于電壓等級(jí)不同。類(lèi)型選擇主要以三個(gè)參數(shù)為基礎(chǔ)：最大連續(xù)運(yùn)行電壓、直流基準(zhǔn)電壓等名義放電電流。1.2.3最大持續(xù)運(yùn)行電壓整流變化閥側(cè)繞組采用三角形接合法，在變壓器閥側(cè)單相接地故障情況下，非故障相增加為31/2，MOV應(yīng)具有承受暫時(shí)過(guò)電壓的能力，即Uc≥197V。1.2.4直流參考電壓在選擇直流參考電壓時(shí)，主要應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)。（1）當(dāng)在晶閘管的兩端產(chǎn)生轉(zhuǎn)相過(guò)電壓時(shí)，所述電壓耦合到所述變壓器的閥側(cè)，對(duì)地電壓峰值為400V。如果將MOV作為保護(hù)裝置，則有可能被過(guò)電壓多次破壞，MOV壽命變短，因此更換過(guò)電壓脈沖使MOV流動(dòng)所需的電流必須低于其直流基準(zhǔn)電流Uref≥400V。（2）在選擇直流基準(zhǔn)電壓時(shí)，考慮與高能型MOV相互配合，在電流導(dǎo)通時(shí)間短的情況下，高能型MOV與高壓型相比能夠承受更大的電流，在長(zhǎng)時(shí)間的電流導(dǎo)通的情況下，與高能型相比，高壓型MOV能夠承受更大的電流。4.1.3名義放電電流防雷等級(jí)（LPL）是與雷電流參數(shù)值相關(guān)的參數(shù)組，當(dāng)外部有雷天氣時(shí)，針對(duì)低壓電氣系統(tǒng)的防雷問(wèn)題，標(biāo)稱(chēng)電流In選擇10kA，波形為8/20μs?；谏鲜鲎畲筮B續(xù)工作電壓UC、直流基準(zhǔn)電壓Uref與名義放電電流In的關(guān)系，預(yù)選高壓型MOV模型為CSP2500FD3P1。1.3故障原因分析197V/50Hz磁體供電的風(fēng)電換能器拓?fù)淙鐖D4-1，從電路結(jié)構(gòu)出發(fā)，重點(diǎn)分析雷擊侵入波作用下風(fēng)電換能器晶閘管過(guò)電壓、影響因素與過(guò)電壓的關(guān)系等內(nèi)容，并選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的abc分別表示變壓器側(cè)三相，Rtn、Rng分別表示負(fù)載電感線圈和大地接地電阻，Upl表示落雷過(guò)電壓從交流側(cè)a相線侵入裝置，受高壓型避雷器約束后得到的電壓，然后通過(guò)晶閘管和接地電阻終于流入大地。如果Upl大于晶閘管的耐壓峰值，損傷晶閘管閥的絕緣，破壞晶閘管使換流閥系統(tǒng)不能維持安全動(dòng)作，使輸電系統(tǒng)癱瘓。圖4-1雷擊侵入波進(jìn)入風(fēng)電變流器1.3.1模型分析重點(diǎn)研究了由CRAFTTF磁體供電的風(fēng)電換能器，開(kāi)展了電流模型的分析與建立、避雷器模型、風(fēng)電換能器模型，對(duì)可控硅管施加的電壓進(jìn)行了理論計(jì)算。（1）雷電沖擊波模型雷電過(guò)程比較復(fù)雜，應(yīng)建立雷電流模型，首先，闡明雷波的性質(zhì)和形態(tài)。為了模擬風(fēng)電換能器內(nèi)的波動(dòng)過(guò)程，雷波由許多不同的波形組成，最后，形成了一種比較容易學(xué)習(xí)的波形。目前常用的雷電流數(shù)學(xué)模型主要是雙指數(shù)函數(shù)模型，Heidler模型和脈沖函數(shù)，其中雙指數(shù)模型對(duì)風(fēng)電換能器雷電流的研究更為適用，雷沖擊波形意見(jiàn)圖4-2認(rèn)為是T1這兩種指數(shù)波疊加而成T2表示波頭時(shí)間和波尾時(shí)間，A點(diǎn)表示波頭的最高點(diǎn)所處的位置，B點(diǎn)表示閃電波尾的位置，U0表示閃電沖擊波的最大值，即與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值。閃電沖擊波的函數(shù)式為i=i0（et/T1-e-t/T2），兩指數(shù)函數(shù)的積可以求出圖4-2波形。圖4-2雷電沖擊波示意圖（2）風(fēng)電變流器簡(jiǎn)化模型分析雷電流作用下風(fēng)電換能器晶閘管所承受的電壓變化情況，兩套整流橋結(jié)構(gòu)相同，對(duì)一套整流橋進(jìn)行研究，可以達(dá)到避免復(fù)雜計(jì)算過(guò)程帶來(lái)的誤差要求，提取出一套整流閥，并對(duì)其簡(jiǎn)化分析，保持準(zhǔn)確性整流閥型號(hào)參照?qǐng)D4-3。圖4-3風(fēng)電變流器簡(jiǎn)化模型從圖4-3可知，由于晶體管閥5上的電壓急劇增加，因此假設(shè)晶體管閥1、2導(dǎo)通，通風(fēng)變流器正在動(dòng)作中。假設(shè)在落雷電流傾斜的情況下，晶閘管5的兩端電壓為U，晶閘管5在兩端產(chǎn)生落雷過(guò)電壓有以下情況。由此可知，在晶閘管5的兩端有落雷過(guò)電壓和落雷電流，負(fù)載電阻呈正相關(guān)，當(dāng)雷電大幅度流動(dòng)時(shí)，晶閘管被破壞，導(dǎo)致變流系統(tǒng)的麻痹。整個(gè)系統(tǒng)采用35kV高壓入線，經(jīng)變壓器降到197V后送入大電流風(fēng)電變換器，建立系統(tǒng)整體模型，框圖見(jiàn)圖4-4。風(fēng)力發(fā)電變流器大部分設(shè)置在室內(nèi)，落雷地點(diǎn)在室外，圖中示出了可能受到落雷的地點(diǎn)、避雷器的設(shè)置地點(diǎn)。圖4-4系統(tǒng)框圖在可變電流系統(tǒng)正常工作的情況下，僅用單一組整流器分析并輸出圖4-5那樣的6脈沖波持續(xù)電壓電流。從圖4-5可以看出，輸出電壓不能適應(yīng)供電需求，嚴(yán)重影響變頻閥系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。圖4-5200kA雷電流幅值情況下晶閘管電壓波形1.3.2雷電流幅值對(duì)雷擊過(guò)電壓的影響根據(jù)建立的仿真模型，對(duì)雷電流進(jìn)行調(diào)幅，研究表明，雷電流振幅越大，負(fù)載與晶閘管的過(guò)電壓相應(yīng)增加，呈線性正相關(guān)關(guān)系的為文，分別設(shè)雷電電流為10kA、20kA、50kA、100kA、200kA，為0.021s時(shí)雷電。雷擊瞬間，晶閘管波電壓波形出現(xiàn)峰值，雷電流振幅200kA，晶閘管兩端電壓近1800V，大于5STP50Q1800電壓安全容限上限，經(jīng)常多次運(yùn)行，降低了晶閘管的使用壽命，危及系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性。雷電流振幅為10kA，晶閘管兩端電壓值為615.6V，隨著雷電流振幅的增加而增加，晶閘管兩端電壓也逐漸上升，過(guò)電壓值與雷電流振幅之間大致成正相關(guān)關(guān)系，雷電流振幅值設(shè)定為200kA，晶閘管兩端電壓分別為1309.9V，即雷電流振幅越大晶閘管的兩端電壓升高。1.3.3避雷器位置對(duì)晶閘管過(guò)電壓的抑制影響在電力設(shè)備過(guò)電壓保護(hù)中，避雷器占主導(dǎo)地位，將過(guò)電壓電平控制在合理以?xún)?nèi)。通常雷電流出現(xiàn)在變壓器網(wǎng)側(cè)，但由于本文研究的重點(diǎn)是抑制晶閘管落雷過(guò)電壓，因此避雷器的位置可選擇風(fēng)電變流器線路或直接連接到晶閘管閥支路。基于上述分析的100kA雷電流模擬，以避雷器位置為變量，研究了晶閘管受到落雷過(guò)電壓時(shí)的情況。避雷器的位置1表示變壓器的高壓側(cè)的位置，即網(wǎng)側(cè)，避雷器的位置2表示變壓器的低壓側(cè)的位置，即閥側(cè)，避雷器的位置3表示晶閘管的分支的位置。通過(guò)仿真結(jié)果的比較，避雷器設(shè)置在變壓器低壓側(cè)的位置，晶閘管受到落雷時(shí)的過(guò)電壓值最高，避雷器設(shè)置在晶閘管的分支上后，晶閘管的落雷過(guò)電壓最低，因此首選設(shè)置在晶閘管的分支上。1.4應(yīng)對(duì)措施如果置換相同性能參數(shù)的電