電涌保護器在風電箱變測控信號防護中的應用

黃世通

（湖北省華網電力工程有限公司 重慶分公司，重慶 400000）

0 引 言

隨著新能源行業的發展，主流風電機組的容量不斷上升，我國新能源裝機總量也日漸增加，這對風電場的安全生產提出了更高的要求。目前，風電場內普遍采用“一機一變”的單元接線形式，與風機配套的箱式變壓器也成為風電場的重要設備組成。作為智能電氣設備，箱式變壓器內集成了保護測控裝置，采集各類信號沿光纖集中傳輸至風電場集中控制室，進行遠程監控和管理[1]。因此，箱式變壓器二次側的運行安全同樣不可忽視。通過理論分析，在箱式變壓器信號側安裝電涌保護器可以達到降低變壓器副邊信號側浪涌電壓的目的。

1 箱式變壓器內的典型電氣結構

1.1 箱式變壓器一次側結構

箱式變壓器相當于一個小型變電站，內部設備較多且結構復雜。研究針對應用于風電場的箱式變壓器，內部結構可分為高壓室、變壓器室、低壓室。箱式變壓器高壓側包括高壓母排、斷路器或熔斷器、電壓互感器、避雷器等，電壓等級通常為35 kV或10 kV，主要連接風電場集電線路、開關站、電網側等；低壓側連接風機出口，電壓等級為1 kV左右，常為0.69 kV。近年來，為了適應風電機組單機容量的提升，箱式變壓器低壓側電壓開始頻繁采用0.9 kV、0.95 kV、1.14 kV等稍高的電壓接入，這也體現了新能源行業的迅速發展[2-5]。

箱式變壓器低壓室還設有一臺自用變壓器，將風機出口電壓降至0.4 kV市電電壓等級，為箱式變壓器提供照明、加熱、除濕以及不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）等自用電電源。其中UPS電源裝置自帶儲能功能，為二次側保護測控裝置的運行提供不間斷電源。

箱式變壓器主要電氣結構如圖1所示。

圖1 箱式變壓器電氣結構

1.2 箱式變壓器二次側配置

箱式變壓器內配備的保護測控裝置可采集箱式變壓器的各個運行狀態信號，并將信號上傳至風電場監控系統后臺，實現風電場對場內風機配套箱式變壓器運行情況的實時監控、故障記錄、遠程測控等運行管理需求。保護測控裝置需采集及上傳的信號具體包括以下內容。

（1）開關量信號：高壓隔離開關狀態信號、高壓斷路器狀態信號、高壓斷路器故障信號、高壓斷路器遙控位置、低壓斷路器狀態、低壓斷路器故障、低壓斷路器遙控位置、變壓器油溫過高報警、變壓器油溫超高跳閘、變壓器壓力釋放、變壓器油位異常以及箱式變壓器箱體門開啟信號等，這些信號來自設備本體或傳感器。

（2）模擬量信號：變壓器高壓側電流幅值、變壓器低壓側電流幅值、變壓器油面溫度信號等，這些信號來自變送器或傳感器。

（3）RS485通信信號：變壓器油面溫度傳感器通信、箱式變壓器箱體溫濕度控制器通信信號等，這些信號來自傳感器或控制器。

（4）以太網通信信號：箱式變壓器保護測控裝置與箱變后臺監控系統通信信號等，這些信號來自風電場箱式變壓器監控網。

信號電涌保護器的連接示意如圖2所示。

圖2 箱式變壓器信號回路及通信回路接線

2 箱式變壓器雷電防護

2.1 箱式變壓器雷擊過電壓風險

考慮到風能資源的分布情況，風電場主要分布于曠野地區或山脊部位，箱式變壓器布置于風機塔筒附近。目前，主流機型的風機塔筒高度已高達140 m甚至以上。風機塔筒易受雷擊，產生的雷擊過電壓通過風機組流向箱變，導致箱式變壓器遭受雷電損害。因此，箱式變壓器受到的雷擊過電壓類型主要為感應過電壓[6]。

2.2 箱式變壓器防雷分區

防雷分區根據風電場箱式變壓器的各部分空間受累計電磁脈沖影響程度的不同，可以將機組需要保護的空間從外部到內部劃分為若干個防雷區，并對每個防雷區編以序號，各區以在其交界處的電磁環境有明顯改變作為劃分不同防雷區的特征。防雷區的序號越大，區內的電磁場越小。箱式變壓器防雷區如圖3所示，內部結構以美變為例。箱變金屬殼體內部防雷分區主要為LPZ1及LPZ2，這兩種分區內均不需要耐受直接雷擊電流，且防雷區的序號越大，則其可耐受的雷電流大小需要進一步抑制，使之降低到本區設備耐受水平的規定指標[7]。

圖3 箱式變壓器防雷分區圖

2.3 常見箱式變壓器防雷配置

箱式變壓器的防雷主要依靠有效的接地及避雷器、浪涌保護器的有效保護。在風電場中，箱式變壓器的基礎內會敷設接地網，并與風機的接地網相連，滿足接地電阻不高于4 Ω的要求。箱式變壓器的金屬骨架、高、低配電裝置及變壓器部分的金屬支架均有符合技術條件的接地端子，并與專用接地導體可靠連接。箱式變壓器高、低壓配電裝置及變壓器部分的專用接地導體相互連接，否則通過專用的端子可靠連接，箱式變壓器所有高、低壓設備的非帶電金屬裸露部分均可靠接地，在正常運行條件下可抽出部分保證在打開或隔離位置時仍能可靠接地。

在箱式變壓器內部，高低壓側均配置避雷器，其中35 kV高壓側設氧化鋅避雷器，低壓側設浪涌保護器。當回路中產生過高的感應雷電過電流或過電壓時，避雷器、浪涌保護器動作，從而保護高低壓設備免受侵害。

3 箱式變壓器信號側電涌保護

3.1 必要性

箱式變壓器的傳統防雷配置主要著眼于一次側雷電防護，然而要保證箱式變壓器的安全穩定運行，除了需要保護其一次側設備外，還需要保證二次側設備的正常運行。與一次側類似，雷電事件也會造成箱式變壓器二次側產生感應過電壓和感應過電流，這會對箱式變壓器保護測控裝置造成威脅，意味著在二次端與二次端信號側增設浪涌保護器勢在必行。

3.2 解決方案

目前，部分風電場的箱式變壓器內會在其低壓側并聯安裝電源電涌保護器，能保證二次裝置的工作電源不受雷電過電流影響，其原理如圖4所示。

圖4 箱式變壓器內低壓電源電涌保護器安裝示意圖

除此之外，還需要在信號回路及通信回路增設串聯的信號電涌保護器，實現信號側的電涌保護功能。信號電涌保護器的作用是把竄入信號回路及通信回路中的電涌進行限制和泄放，防止保護測控裝置受到電涌的沖擊而損壞，以實現對箱式變壓器保護測控裝置的保護。

信號電涌保護器的連接方式如圖5所示。

圖5 信號電涌保護器原理

信號電涌保護器的配置方案如下：

（1）在電氣一次設備本體或傳感器與保護測控裝置的開關量輸入模塊相連的開關量信號回路中，串聯若干個開關量信號電涌保護器；

（2）在變送器或傳感器與保護測控裝置的模擬量輸入模塊相連的模擬量信號回路中，串聯若干個模擬量信號電涌保護器；

（3）在傳感器或控制器與保護測控裝置的RS-485通信模塊相連的通信信號回路中，串聯若干個RS-485通信信號電涌保護器；

（4）在箱式變壓器監控網交換機與保護測控裝置的以太網通信模塊相連的通信信號回路中，串聯以太網通信信號電涌保護器。

4 結 論

在風電場電氣設備的應用中，防雷需求體現在方方面面，信號側的電涌防護應是其中不可或缺的部分。圍繞風電場箱式變壓器在雷擊過電壓條件下的可靠性進行了討論，并從風電場設計實際中遇到的問題出發，積極引入新技術、新設備，合理設計，對箱式變壓器二次側電涌防護方案進行完善，引入信號側電涌保護器，提出了信號側電涌防護的具體方案。經過防護改進，進一步提高了箱變的運行穩定性，為維護風電場生產安全提供了新的保障。