海上风电场集电系统拓扑结构对重燃过电压影响

程 彧，周歧斌，边晓燕

（1.上海电力学院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615）

海上风电场集电系统拓扑结构对重燃过电压影响

程 彧1，周歧斌2，边晓燕1

（1.上海电力学院，上海200090；2.上海市防雷中心，上海201615）

海上风电场内部真空断路器开断时易发生重燃，产生重燃过电压危害其安全运行。海上风电场集电线路拓扑结构会影响断路器重燃过电压。比较几种常见拓扑结构优缺点,分析断路器重燃机理，利用ATP-EMTP搭建海上风电场系统模型，讨论拓扑结构对重燃过电压的影响。结果表明断路器发生重燃的线路末端产生过电压最大；对于不同拓扑结构的系统参数，星形拓扑结构产生的过电压更小。研究结果可从过电压防护角度为海上风电场集电系统设计提供参考。

海上风电场；拓扑结构；真空断路器；重燃过电压；ATP-EMTP

0 引言

随着清洁能源需求不断增加，风能日益受到重视。相比于陆上风电场，海上风电场单机容量大，风速高且稳定，不占用土地资源，对环境影响较小[1-3]。与此同时，海上风电场的安全运行也不容忽视。风电场内部真空断路器分闸后易发生重燃，产生重燃过电压，会危害风电场内电气设备的安全。

国内外学者对海上风电场过电压问题已展开相关研究。文献[4-5]通过仿真详细分析在不同运行条件下，断路器合闸过电压对海上风电场的影响。文献[6-7]计算了风电场集电系统不同运行条件下操作过电压大小。文献[8-10]表明断路器重燃产生的过电压是风电场操作过电压的主要来源。海上风电场正常运行时内部电压等级比普通电厂高，断路器重燃使风电场遭受到的过电压比普通电厂严重，内部电气设备面临更大的过电压危害[11-12]。风电场集电系统设计结构会影响重燃过电压大小[13-14]。然而针对海上风电场集电系统拓扑结构与断路器重燃过电压关系的研究还比较少。

笔者从幅值与陡度两方面分析断路器重燃产生的过电压。通过搭建海上风电场系统模型，对比不同情况下重燃过电压大小，分析风电场集电系统拓扑结构对重燃过电压的影响。

1 海上风电场集电系统常用拓扑结构

海上风电场单台风机与升压变相连，通过集电系统将电能汇聚至海上换流站，经海底电缆送至岸上换流站。因此海上风电场电气系统包含集电系统、海上换流站、输电线路及岸上换流站四部分[15-17]。笔者将重点研究集电系统拓扑结构对风电场操作过电压的影响。

海上风电场的规模、离岸距离等因素会引起集电系统拓扑结构的变化。常见海上风电场集电系统拓扑结构有：链型、单边环形、双边环形、复合环形及星形[18-20]。

1.1 链型结构

链型结构首先将一定数量的风机串接在一条电缆上，再将这些串有风机的电缆并联接至汇流母线，如图1所示。由于该方式结构简单，成本较低，目前大多数在建或正在运行的海上风电场集电系统均采用这种接线。但如果某一条电缆线路发生故障，整条电缆线路上的风机都将被切除，因此该接线方式可靠性不高。

图1 集电线路链型拓扑结构Fig.1 The radial topology of the collection network

1.2 环形结构

环形结构在链型结构的基础上，将两条电缆尾部相连，与汇流母线共同构成环形回路。两条电缆互为冗余，提高供电的可靠性，减小电缆故障时风机出力损失。主要有单边环形，双边环形两种接线方式。本文以双边环形结构为例进行仿真，其拓扑结构如图2所示。此接线方式较链型结构使用的电缆长度较长，电器元件较多，成本也相对较高。

1.3 星形结构

星形结构将几台风机集中接于电缆末端，如图3所示。由于每台风机只与电缆末端一点连接，因此该结构可靠性高于链型结构，但低于环形结构。

图2 双边环形结构Fig.2 The double ring topology

图3 星形结构Fig.3 The star topology

2 真空断路器重燃机理及对过电压的影响

2.1 真空断路器重燃机理

真空断路器分闸时，触头间可能会发生电弧重燃，机理如图4所示。当加在断路器两端的电压u超过断路器两端能承受的电压uz（t）时，断路器气隙会被击穿，发生重燃。

图4 断路器开断重燃原理图Fig.4 The principle diagram of the circuit breaker tripping reignition

设断路器在A点断开，系统发生RLC振荡，断路器两端的电压差不断升高。在B点，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4中C点。D点时，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[21]。

2.2 真空断路器重燃对过电压的影响

断路器开断后，系统发生RLC振荡是产生过电压的主要原因。过电压的幅值为两部分之和，一是断路器开断时刻的系统电压，二是振荡电路产生的过电压。开断时刻的系统电压取决于开断时刻的电源角度，当电源角度为90°时，开断时系统电压最大。振荡电路产生的过电压不仅与系统参数相关，还与断路器的截流值有关。断路器开断时，电弧电流在自然过零前将会突然截断降至零，截断时刻的电流称为截流。截流值越大，则说明系统中的感性元件储存的能量越大，产生的过电压幅值也越大。断路器截流值的大小与真空断路器触头材料及整个系统参数有关。

断路器发生重燃时，其两端的电压差瞬间降至0，将在系统中产生很大的电压陡度，这对于海上风电场系统中电气设备的安全性和可靠性是一个严峻考验。由于断路器两端可承受的电压uz（t）随着时间的变化不断升高，因此发生重燃的次数越多，重燃时产生的电压陡度越大。

3 海上风电场重燃过电压仿真分析

不同拓扑结构海上风电场模型如图1至图3所示，风机微观选址已确定，该系统包含24台风机、升压变压器、海底电缆、真空断路器、35 kV母线等。由于海底电缆的容性效应，在海底电缆末端会有一定电压抬升，因此可能出现较大过电压。断路器发生重燃的线路称为重燃线路，计算重燃线路L1末端（A点）与非重燃线路末端（B点）电压幅值与陡度大小。由于环形结构两条相邻电缆构成回路，需要考虑整个回路遭受过电压情况，增选图2中C点作为电压测量点。

3.1 不同拓扑结构下重燃过电压分析

断路器重燃时，过电压波形如图5所示，由于系统发生LC震荡，过电压幅值与陡度均较正常情况明显增大。

图5 断路器重燃时过电压情况Fig.5 The restrike overvoltage of circuit breaker

集电线路拓扑结构不同，所用海底电缆长度不一。设其他条件相同，当线路L1发生重燃时，过电压的最大幅值与陡度在不同拓扑结构下对风电场产生的影响如下表所示。

表1 过电压幅值与拓扑结构的关系Table 1 The relationship between the amplitude of overvoltage and the topology

表2 过电压陡度与拓扑结构的关系Table 2 The relationship between the steepness of overvoltage and the topology

由以上两表可知，当断路器重燃时，对于整个风电场而言，无论是重燃线路还是非重燃线路，星形结构的过电压幅值与陡度都较其他两种结构偏低。双边环形结构将两条电缆接成回路，因此当一条电缆线路上的断路器发生重燃时，另一条线路也会明显受到过电压影响。

集电系统采用相同拓扑结构，A点过电压幅值与陡度均最大，对于整个风电场而言，重燃线路末端受过电压影响最严重。因此，下文讨论重燃过电压影响因素时，选取A点作为电压测量点。

3.2 电源角度与重燃过电压幅值的关系

断路器重燃在系统中产生过电压的大小与电源初始角度有关。不同拓扑结构，A点过电压幅值与电源初始角度的关系如图6所示。可以发现，3种拓扑结构下过电压幅值与电源角度均近似呈正弦关系，其中，链型结构与星形结构在电源角度为90°时过电压达到最大值。双边环形在电源角度为120°时过电压有最大值。星形结构的最大过电压幅值为48.28 kV，较其他两种稍小。

图6 电源角度与过电压幅值的关系Fig.6 The relationship between the power angle and the amplitude of overvoltage

此外，链型结构在不同的电源角度下，过电压最小值为50.00 kV，最大值为63.43 kV，最大过电压与最小过电压之比为1.27，其他两种结构这个值与链型结构近似相等，这表明集电线路结构不会对电源角度引起的过电压波动产生影响。

3.3 海底电缆对重燃过电压的影响

海底电缆容抗大于感抗，表现出容性特征，因此过电压幅值经过电缆后会有抬升，与电缆长度成正比，升压变高压侧遭受过电压较大。经过微观选址的海上风电场系统电缆长度基本确定。然而不同型号的海底电缆单位长度的电阻R与电容C不尽相同，过电压经过电阻R有一定下降，而经过电容C会有一定抬升。为了研究电缆的单位长度参数对过电压的影响，选取单位长度海底电缆电阻与电容之比R/C作为衡量参数。选取某一型号海底电缆R/C=0.42 Ω/μF作为基准值，不同型号电缆产生的过电压情况如表3所示。

表3 海底电缆单位长度电阻电容之比与过电压幅值关系Table 3 The relationship between the amplitude of overvoltage and the ratio of resistance and capacitance per length of the submarine cable

链型结构中，过电压幅值与R/C呈正相关，过电压幅值随R/C增大而增大。环形结构过电压较链型结构相比会有一定波动，但总体呈正相关趋势。星形结构下，R/C不同所引起的过电压幅值变化不大。过电压幅值方面，星形结构的过电压幅值仍然较其他两种结构明显偏小。同种拓扑结构，R/C值较小，过电压也较小。因此，实际设计在满足容量需求情况下，可选取R/C较小的电缆。

4 结论

真空断路器重燃是海上风电场主要的操作过电压来源。断路器发生重燃时，集电线路采用不同的拓扑结构会对风电场过电压的幅值与陡度产生影响。笔者对比了几种常见的海上风电场集电线路拓扑结构的优缺点，介绍了真空断路器重燃机理，在此基础上搭建包含多台风机的海上风电场系统，分析不同拓扑结构下，断路器重燃过电压对风电场的影响。得出如下结论：

1）断路器发生重燃时，在重燃线路上会出现较大的过电压，且在海底电缆末端会有电压抬升，海底电缆末端最严重；断路器重燃对非重燃线路影响较小。上述结论对链型，双边环形，星形拓扑结构均成立。

2）链型结构遭受的重燃过电压最严重，双边环形结构较链型结构稍小，星形结构遭受的过电压明显小于其他两种结构。链型结构与星形结构没有提供冗余，因此断路器发生重燃时遭受影响的风机数量较少。双边环形结构将两条电缆接成回路，重燃过电压会影响到与重燃线路相连的电缆线路。

3）电源初始角度会影响重燃过电压的大小。两者近似呈正弦关系。电源角度约为90°时，链型结构与星形结构过电压幅值最大，电源角度约为120°时，双边环形结构过电压幅值最大。

4）不同拓扑结构，海底电缆参数变化对重燃过电压的影响不一。链型结构和双边环形结构下，过电压幅值与海底电缆单位长度电阻与电容之比R/C总体呈正相关，星形结构下，R/C变化对过电压幅值不敏感。同种结构R/C较小产生的过电压也较小。

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Relationship between Topology of Collection Network and Restrike Overvoltage in Offshore Wind Farms

CHENG Yu1，ZHOU Qibin2，BIAN Xiaoyan1
（1.Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China；2.Shanghai Lightning Protection Center,Shanghai 201615,China）

In the offshore wind farm,the safe operation will be seriously impacted by the restrike overvoltage from multiple re-ignition of vacuum circuit breakers.The topology of collection network in the offshore wind farm will influence the restrike overvoltage.To investigate this problem,some typical to⁃pology structures were compared and the reignition mechanism of the vacuum circuit breaker was ana⁃lyzed,and the system model of offshore wind farm was established by using ATP-EMTP to discuss the ef⁃fect of topology on re-ignition overvoltage.The result shows that the maximum overvoltage appears at the end of the cable when reignition happened.Moreover,among different topology’s parameters the star to⁃pology has the minimum overvoltage.The result can provide some references for the design of the collec⁃tion network of offshore wind farms from the angle of overvoltage protection.

offshorewindfarm；topology；vacuumcircuitbreakers；restrikeovervoltage；ATP-EMTP

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.001

2016-05-20

程彧（1992—），男，硕士，研究方向为风电场过电压分析与防护。

上海市气象局面上课题（编号：MS201602）。