風電機組箱式變壓器高壓側熔斷器選型研究

羅泓博，趙燕峰

（1. 長沙理工大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114；2. 中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

引 言

當前市場上的主流風電機組功率等級為2.5～4 MW，它所發(fā)出的低壓電能通過箱變作用轉變?yōu)楦邏弘娔芎笤賲R入風電場。箱式變壓器典型的高低壓側電壓分別為35 kVac 與0.69 kVac。箱變中高低壓側采用的主流電氣安全配置是不同的，低壓側采用的是智能斷路器，而高壓側采用的則是熔斷器。

熔斷器是靜止部件，所以通?？梢哉J為它的可靠性是100%。智能斷路器由采用集成電路芯片的控制器和斷路器本體構成，是復雜的電子機械部件，在當前技術質量有限的前提下，不可避免地存在失效而拒動的可能[1]。

斷路器拒動指的是當出現電氣故障且滿足斷路器跳閘條件時，斷路器由于自身原因不能跳閘而失去電氣保護功能，此時則需要高壓側熔斷器提供后備保護。

高壓側熔斷器選型必須滿足兩個條件：一是需作為高壓側短路的主保護；二是需作為低壓側短路的后備保護。本文圍繞以上兩個條件，探討高壓側熔斷器的選型。

1 等效阻抗

短路電流是熔斷器選型的重要依據之一，通過分析熔斷器后端電路的等效阻抗，進而可以計算出相應的短路電流。

1）箱變高壓側等效阻抗

圖1 是箱變電氣原理圖，當前箱變高壓側普遍采用三角形接法，低壓側采用星型接法。本文在考慮高壓側熔斷器的相關問題時，將變壓器阻抗全部折算到高壓側。

圖1 箱變電氣原理圖

高壓側的等效阻抗模長可按式（1）進行計算；高壓側等效電阻可按式（2）進行計算；高壓側等效電感可按式（3）進行計算[2～3]；式（4）為高壓側阻抗表達式。

式中 ZT——箱變高壓側阻抗；

RT——箱變高壓側等效電阻；

XT——箱變高壓側電抗；

UrT——箱變高壓側額定電壓；

SrT——箱變額定容量；

PkrT——箱變的負載損耗；

Uk——變壓器短路電壓百分比；

IrT——箱變高壓側額定電流。

2）箱變低壓側等效阻抗

短路計算必須考慮到最遠端的電氣節(jié)點發(fā)生短路，因此需要將低壓側等效阻抗計算延伸至機艙。從箱變低壓側到機艙，電纜長度按米計算，n 根并聯(lián)，阻抗表示如式（5）（此處忽略電纜對接與端子連接處產生的阻抗）[3]。

式中 ZL——電纜阻抗；

RL——電纜的等效電阻；

j——虛數單位；

XL——電纜的等效電感；

m——線路長度（m）；

R——電纜廠家給出的每1 000 m 電纜的電阻；

X——廠家給出的每1 000 m 電纜的電感。

再將低壓側短路阻抗折算到高壓側，折算電纜阻抗表示為式（6）：

式中 k——變壓器變比，數值等于高壓側相電壓除以低壓側相電壓。

3）箱變總阻抗

將低壓側阻抗折算到高壓側后，箱變的總阻抗表示如式（7）：

以某型風電機組為實例進行計算，機組的箱變參數及電纜參數如表1。

表1 某型風電機組箱變和電纜的實際參數

將表中參數代入式（7），得到：

將低壓側阻抗折算到高壓側后，并依照式（7）計算出高壓側總的等效阻抗。當低壓側短路時，可在此基礎上計算出高壓側的短路電流。

2 短路計算

1）最大短路電流

箱變將電流匯集到風電場，再由風電場的主變壓器并入電網。風電場主變壓器的容量通常不大于100 MVA，短路電壓百分比不小于10.5%[4]，可依照式（8）計算箱變高壓側短路的最大短路電流。

本例中計算結果為15.7 kA，此處忽略了線路阻抗，所以實際短路電流一定小于該值，故高壓側短路的最大電流不超過15.7 kA。

2）最小短路電流

當低壓側發(fā)生相間短路時，在高壓側產生的故障電流約為600 A?？紤]電壓波動與短路的溫升效應以及電弧短路，可對計算所得故障電流進行可靠性折算。

假定電壓波動為正常波動的10%，考慮兩臺相鄰機組同時刻發(fā)生短路，其值在波動基礎上再下降10%。再考慮溫度對導體阻抗的影響，短路時的溫升效應導致等效阻抗增加，等效阻抗按照增加到1.2 倍計算。還需考慮電弧短路與位于線路末端等因素，可靠系數按1.3 進行折算[5]，本例中折算的最后結果為310 A。

3）短路電流范圍

本例中，可認為斷路器最大短路電流不大于15.7 kA，最小短路電流不小于310 A（當風電場配置與本文所述不同時，具體的短路電流范圍應該依據風電場的具體配置另行核算）。

3 勵磁涌流

變壓器因空載投入或者外部故障切除后的電壓恢復過程，會在變壓器電壓突變側產生數值較大的電流，這個電流稱為勵磁涌流。依據箱變的實際工況，高壓側會產生勵磁涌流，而箱變高壓側熔斷器在勵磁涌流期間不能熔斷。

在風電機組實際工況中，高壓側合閘完畢后風電機組需完成自檢才可并網發(fā)電。這個過程至少需要持續(xù)數分鐘，而此時低壓側近乎開路。高壓側在這種工況下合閘，變壓器實際充當電抗器投入高壓側電網，其磁通可以用式（9）表示[6]：

式中 φt——合閘時刻的磁通；

φm——變壓器的穩(wěn)態(tài)磁通；

α——合閘初相角。

w=100π。

合閘時刻電流突增導致變壓器鐵芯過飽和，磁通也隨之增大，最大磁通可達額定磁通的2.3 倍[7]。對于1.6 MVA 功率等級的變壓器，勵磁涌流可達額定電流的8 倍以上[4]。

箱變勵磁涌流的大小和作用時間與變壓器的結構型式、接線方式、容量和阻抗等因素有關，可依據實踐和理論分析計算出箱變勵磁涌流。高壓側熔斷器必須保證在勵磁涌流幅值作用以及衰減時間內不能熔斷。

4 斷路器與熔斷器的協(xié)調與配合

箱變低壓側短路的主保護是斷路器，當低壓側斷路器拒動時，便由高壓側熔斷器執(zhí)行后備保護。低壓側斷路器的全斷開的最快時間是30 ms，這要求高壓側熔斷器在低壓側短路后至少30 ms 內不能熔斷，并且還需保證在這段時間內熔斷器不會受到顯著損傷，以免熔斷器日后正常運行時因為溫度過高而意外熔斷。

低壓側發(fā)生短路時電流會急劇增大，并且在變壓器內部產生極大的電磁力，可導致變壓器機械結構遭到破壞或繞組變形。因此變壓器允許的短路時間很短[4]。高壓側熔斷器必須在變壓器允許的短路時間內切斷電路，否則將失去后備保護意義。

高壓側熔斷器在上述條件下，必須與低壓側斷路器形成協(xié)調配合，才能更好的發(fā)揮保護作用。高壓側熔斷器的保護曲線要大于低壓側斷路器的保護曲線，但同時又要小于低壓側線路、箱變繞組等電氣部件能夠承受的曲線范圍，見圖2。

圖2 高壓側熔斷器與低壓側斷路器的協(xié)調與配合

高壓側熔斷器需要在低壓側發(fā)生短路且低壓側斷路器拒動時在低壓側電氣部件的短路耐受時間內熔斷。熔斷器與斷路器的保護動作曲線需要在時序上形成協(xié)調配合才能不僅實現其作為后備保護的功能，又不會因為動作時間過長而導致?lián)p失加大或直接引起電氣事故。

5 熔斷器選型

高壓側熔斷器選型的目的是在保證風電機組正常運行的條件下，更好地實現高壓側的短路保護和低壓側短路的后備保護。在綜合考慮以下因素后，可選出最適合系統(tǒng)特性的熔斷器。

5.1 熔斷器相關額定值

5.1.1 額定電壓

為防止熔斷器熔斷時產生的關斷過電壓破壞系統(tǒng)絕緣，熔斷器的額定電壓不能低于運行電壓，但也不能過高于運行電壓，故熔斷器的額定電壓應等于或略高于運行電壓。

5.1.2 額定電流

熔斷器額定電流應不低于系統(tǒng)額定電流，同時依據實際運行時的環(huán)境溫度、安裝地點的海拔高度、熔斷器連接導體的電流密度等進行降容計算（具體的降容系數由熔斷器廠家給出）。熔斷器的額定電流是運行額定電流經降容計算后的電流值或與之接近的值[8]。

5.1.3 額定最大關斷電流

熔斷器的額定最大關斷電流應不小于系統(tǒng)的最大短路電流，系統(tǒng)的最大短路電流可按第三節(jié)短路計算的方法進行。例如，前述風場的接入系統(tǒng)配置，熔斷器的額定最大關斷電流I1不能小于15.7 kA。

5.1.4 額定最小關斷電流

無論是選用全范圍分段能力還是部分范圍分段能力地熔斷器，均要求其能在最小短路電流下正常且快速地熔斷。采用部分范圍分斷能力熔斷器時，其I3必須小于系統(tǒng)的最小短路電流[8]。例如，前述風場的接入系統(tǒng)配置，箱變額定容量為1.6 MVA，熔斷器的額定最小關斷電流I3不能大于310 A。

5.2 熔斷器相關特性

5.2.1 勵磁涌流耐受能力

熔斷器要求在箱變的勵磁涌流作用下不能熔斷，且不能對熔斷器造成顯著損傷，以免影響熔斷器的長期可靠性。工程應用上，也可根據經驗值對照熔斷器的“時間-電流特性曲線”來校核熔斷器；10～20 倍變壓器額定電流，持續(xù)0.1 s，熔斷器不能熔斷；或者20～25 倍變壓器額定電流，持續(xù)作用0.01 s，熔斷器不能熔斷[9]。具體電流倍數應根據變壓器的實際情況選取。

5.2.2 時間-電流特性

該特性描述了熔斷器在短路電流下的熔斷時間。當短路電流發(fā)生時，熔斷器必須在設備耐受的時間內熔斷才能執(zhí)行保護。短路對變壓器繞組和機械結構造成很大的損害，文獻[4]指出變壓器在短路持續(xù)0.5 s 的情況下，最多可以承受9 次而不損壞；標準[10]要求變壓器短路下最長耐受時間達到2 s。因此在最小短路電流的作用下，熔斷器必須在2 s 內熔斷，推薦該值減小到0.5 s，以便增加變壓器短路工況下的可靠性。否則僅當發(fā)生2 次短路后，變壓器就可能損壞。對照熔斷器的時間電流曲線，要求在最小短路電流下，熔斷器的熔斷時間（弧前時間、熔化時間）在2 s 內，推薦該值接近0.5 s。

5.3 熔斷器與低壓側斷路器的協(xié)調配合

當低壓側出現短路時，由低壓側斷路器作為主保護動作。而只有當低壓側斷路器拒動時，才由高壓側熔斷器執(zhí)行后備保護。如上文圖2 所示，低壓側斷路器的全動作范圍均應小于高壓側熔斷器。且在低壓側斷路器的動作曲線下，高壓側熔斷器不能熔斷。

5.4 其它考慮因素

選擇熔斷器時還需考慮一些其它的相關因素，例如：熔斷器與負荷開關的配合；熔斷器部分損傷導致的過熱問題；熔斷器的額定轉換電流；熔斷器動作后的開關開啟時間等。

6 結 論

風電機組箱變的高壓側熔斷器，不僅承擔高壓側的短路保護，還承擔低壓側短路的后備保護。熔斷器的選型應立足于完成以下兩個目標：

1）機組正常運行情況下，熔斷器不熔斷。

2）無論低壓側還是高壓側出現短路時，熔斷器最快熔斷，將短路損失降低到最小。

選擇正確熔斷器的核心不僅僅是在于熔斷器的額定值上，還在于熔斷器的時間-電流曲線與系統(tǒng)的短路特性相匹配，且與系統(tǒng)的各部件之間形成良好的協(xié)調配合。