风电机组箱式变压器高压侧熔断器选型研究

罗泓博，赵燕峰

（1. 长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114；2. 中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

引 言

当前市场上的主流风电机组功率等级为2.5～4 MW，它所发出的低压电能通过箱变作用转变为高压电能后再汇入风电场。箱式变压器典型的高低压侧电压分别为35 kVac 与0.69 kVac。箱变中高低压侧采用的主流电气安全配置是不同的，低压侧采用的是智能断路器，而高压侧采用的则是熔断器。

熔断器是静止部件，所以通常可以认为它的可靠性是100%。智能断路器由采用集成电路芯片的控制器和断路器本体构成，是复杂的电子机械部件，在当前技术质量有限的前提下，不可避免地存在失效而拒动的可能[1]。

断路器拒动指的是当出现电气故障且满足断路器跳闸条件时，断路器由于自身原因不能跳闸而失去电气保护功能，此时则需要高压侧熔断器提供后备保护。

高压侧熔断器选型必须满足两个条件：一是需作为高压侧短路的主保护；二是需作为低压侧短路的后备保护。本文围绕以上两个条件，探讨高压侧熔断器的选型。

1 等效阻抗

短路电流是熔断器选型的重要依据之一，通过分析熔断器后端电路的等效阻抗，进而可以计算出相应的短路电流。

1）箱变高压侧等效阻抗

图1 是箱变电气原理图，当前箱变高压侧普遍采用三角形接法，低压侧采用星型接法。本文在考虑高压侧熔断器的相关问题时，将变压器阻抗全部折算到高压侧。

图1 箱变电气原理图

高压侧的等效阻抗模长可按式（1）进行计算；高压侧等效电阻可按式（2）进行计算；高压侧等效电感可按式（3）进行计算[2～3]；式（4）为高压侧阻抗表达式。

式中 ZT——箱变高压侧阻抗；

RT——箱变高压侧等效电阻；

XT——箱变高压侧电抗；

UrT——箱变高压侧额定电压；

SrT——箱变额定容量；

PkrT——箱变的负载损耗；

Uk——变压器短路电压百分比；

IrT——箱变高压侧额定电流。

2）箱变低压侧等效阻抗

短路计算必须考虑到最远端的电气节点发生短路，因此需要将低压侧等效阻抗计算延伸至机舱。从箱变低压侧到机舱，电缆长度按米计算，n 根并联，阻抗表示如式（5）（此处忽略电缆对接与端子连接处产生的阻抗）[3]。

式中 ZL——电缆阻抗；

RL——电缆的等效电阻；

j——虚数单位；

XL——电缆的等效电感；

m——线路长度（m）；

R——电缆厂家给出的每1 000 m 电缆的电阻；

X——厂家给出的每1 000 m 电缆的电感。

再将低压侧短路阻抗折算到高压侧，折算电缆阻抗表示为式（6）：

式中 k——变压器变比，数值等于高压侧相电压除以低压侧相电压。

3）箱变总阻抗

将低压侧阻抗折算到高压侧后，箱变的总阻抗表示如式（7）：

以某型风电机组为实例进行计算，机组的箱变参数及电缆参数如表1。

表1 某型风电机组箱变和电缆的实际参数

将表中参数代入式（7），得到：

将低压侧阻抗折算到高压侧后，并依照式（7）计算出高压侧总的等效阻抗。当低压侧短路时，可在此基础上计算出高压侧的短路电流。

2 短路计算

1）最大短路电流

箱变将电流汇集到风电场，再由风电场的主变压器并入电网。风电场主变压器的容量通常不大于100 MVA，短路电压百分比不小于10.5%[4]，可依照式（8）计算箱变高压侧短路的最大短路电流。

本例中计算结果为15.7 kA，此处忽略了线路阻抗，所以实际短路电流一定小于该值，故高压侧短路的最大电流不超过15.7 kA。

2）最小短路电流

当低压侧发生相间短路时，在高压侧产生的故障电流约为600 A。考虑电压波动与短路的温升效应以及电弧短路，可对计算所得故障电流进行可靠性折算。

假定电压波动为正常波动的10%，考虑两台相邻机组同时刻发生短路，其值在波动基础上再下降10%。再考虑温度对导体阻抗的影响，短路时的温升效应导致等效阻抗增加，等效阻抗按照增加到1.2 倍计算。还需考虑电弧短路与位于线路末端等因素，可靠系数按1.3 进行折算[5]，本例中折算的最后结果为310 A。

3）短路电流范围

本例中，可认为断路器最大短路电流不大于15.7 kA，最小短路电流不小于310 A（当风电场配置与本文所述不同时，具体的短路电流范围应该依据风电场的具体配置另行核算）。

3 励磁涌流

变压器因空载投入或者外部故障切除后的电压恢复过程，会在变压器电压突变侧产生数值较大的电流，这个电流称为励磁涌流。依据箱变的实际工况，高压侧会产生励磁涌流，而箱变高压侧熔断器在励磁涌流期间不能熔断。

在风电机组实际工况中，高压侧合闸完毕后风电机组需完成自检才可并网发电。这个过程至少需要持续数分钟，而此时低压侧近乎开路。高压侧在这种工况下合闸，变压器实际充当电抗器投入高压侧电网，其磁通可以用式（9）表示[6]：

式中 φt——合闸时刻的磁通；

φm——变压器的稳态磁通；

α——合闸初相角。

w=100π。

合闸时刻电流突增导致变压器铁芯过饱和，磁通也随之增大，最大磁通可达额定磁通的2.3 倍[7]。对于1.6 MVA 功率等级的变压器，励磁涌流可达额定电流的8 倍以上[4]。

箱变励磁涌流的大小和作用时间与变压器的结构型式、接线方式、容量和阻抗等因素有关，可依据实践和理论分析计算出箱变励磁涌流。高压侧熔断器必须保证在励磁涌流幅值作用以及衰减时间内不能熔断。

4 断路器与熔断器的协调与配合

箱变低压侧短路的主保护是断路器，当低压侧断路器拒动时，便由高压侧熔断器执行后备保护。低压侧断路器的全断开的最快时间是30 ms，这要求高压侧熔断器在低压侧短路后至少30 ms 内不能熔断，并且还需保证在这段时间内熔断器不会受到显著损伤，以免熔断器日后正常运行时因为温度过高而意外熔断。

低压侧发生短路时电流会急剧增大，并且在变压器内部产生极大的电磁力，可导致变压器机械结构遭到破坏或绕组变形。因此变压器允许的短路时间很短[4]。高压侧熔断器必须在变压器允许的短路时间内切断电路，否则将失去后备保护意义。

高压侧熔断器在上述条件下，必须与低压侧断路器形成协调配合，才能更好的发挥保护作用。高压侧熔断器的保护曲线要大于低压侧断路器的保护曲线，但同时又要小于低压侧线路、箱变绕组等电气部件能够承受的曲线范围，见图2。

图2 高压侧熔断器与低压侧断路器的协调与配合

高压侧熔断器需要在低压侧发生短路且低压侧断路器拒动时在低压侧电气部件的短路耐受时间内熔断。熔断器与断路器的保护动作曲线需要在时序上形成协调配合才能不仅实现其作为后备保护的功能，又不会因为动作时间过长而导致损失加大或直接引起电气事故。

5 熔断器选型

高压侧熔断器选型的目的是在保证风电机组正常运行的条件下，更好地实现高压侧的短路保护和低压侧短路的后备保护。在综合考虑以下因素后，可选出最适合系统特性的熔断器。

5.1 熔断器相关额定值

5.1.1 额定电压

为防止熔断器熔断时产生的关断过电压破坏系统绝缘，熔断器的额定电压不能低于运行电压，但也不能过高于运行电压，故熔断器的额定电压应等于或略高于运行电压。

5.1.2 额定电流

熔断器额定电流应不低于系统额定电流，同时依据实际运行时的环境温度、安装地点的海拔高度、熔断器连接导体的电流密度等进行降容计算（具体的降容系数由熔断器厂家给出）。熔断器的额定电流是运行额定电流经降容计算后的电流值或与之接近的值[8]。

5.1.3 额定最大关断电流

熔断器的额定最大关断电流应不小于系统的最大短路电流，系统的最大短路电流可按第三节短路计算的方法进行。例如，前述风场的接入系统配置，熔断器的额定最大关断电流I1不能小于15.7 kA。

5.1.4 额定最小关断电流

无论是选用全范围分段能力还是部分范围分段能力地熔断器，均要求其能在最小短路电流下正常且快速地熔断。采用部分范围分断能力熔断器时，其I3必须小于系统的最小短路电流[8]。例如，前述风场的接入系统配置，箱变额定容量为1.6 MVA，熔断器的额定最小关断电流I3不能大于310 A。

5.2 熔断器相关特性

5.2.1 励磁涌流耐受能力

熔断器要求在箱变的励磁涌流作用下不能熔断，且不能对熔断器造成显著损伤，以免影响熔断器的长期可靠性。工程应用上，也可根据经验值对照熔断器的“时间-电流特性曲线”来校核熔断器；10～20 倍变压器额定电流，持续0.1 s，熔断器不能熔断；或者20～25 倍变压器额定电流，持续作用0.01 s，熔断器不能熔断[9]。具体电流倍数应根据变压器的实际情况选取。

5.2.2 时间-电流特性

该特性描述了熔断器在短路电流下的熔断时间。当短路电流发生时，熔断器必须在设备耐受的时间内熔断才能执行保护。短路对变压器绕组和机械结构造成很大的损害，文献[4]指出变压器在短路持续0.5 s 的情况下，最多可以承受9 次而不损坏；标准[10]要求变压器短路下最长耐受时间达到2 s。因此在最小短路电流的作用下，熔断器必须在2 s 内熔断，推荐该值减小到0.5 s，以便增加变压器短路工况下的可靠性。否则仅当发生2 次短路后，变压器就可能损坏。对照熔断器的时间电流曲线，要求在最小短路电流下，熔断器的熔断时间（弧前时间、熔化时间）在2 s 内，推荐该值接近0.5 s。

5.3 熔断器与低压侧断路器的协调配合

当低压侧出现短路时，由低压侧断路器作为主保护动作。而只有当低压侧断路器拒动时，才由高压侧熔断器执行后备保护。如上文图2 所示，低压侧断路器的全动作范围均应小于高压侧熔断器。且在低压侧断路器的动作曲线下，高压侧熔断器不能熔断。

5.4 其它考虑因素

选择熔断器时还需考虑一些其它的相关因素，例如：熔断器与负荷开关的配合；熔断器部分损伤导致的过热问题；熔断器的额定转换电流；熔断器动作后的开关开启时间等。

6 结 论

风电机组箱变的高压侧熔断器，不仅承担高压侧的短路保护，还承担低压侧短路的后备保护。熔断器的选型应立足于完成以下两个目标：

1）机组正常运行情况下，熔断器不熔断。

2）无论低压侧还是高压侧出现短路时，熔断器最快熔断，将短路损失降低到最小。

选择正确熔断器的核心不仅仅是在于熔断器的额定值上，还在于熔断器的时间-电流曲线与系统的短路特性相匹配，且与系统的各部件之间形成良好的协调配合。