高原型風電機組斷路器的設計與選用

周加慶

(大唐四川發電有限公司新能源分公司，四川 成都 610091)

風力發電是我國大力發展的清潔能源之一，風電輸變電系統中每臺風力發電機都需要一套35 kV箱式變電站。目前國內基本以華變為主，其內高壓部份的關鍵元件就是風電機組斷路器。而據測算，我國1 000 m以上高海拔地區面積占全國總面積65%。因此，風電機組斷路器如何滿足高原環境使用要求成為我們必須解決的問題。本文以大唐四川普格采乃風電場為背景，就高海拔地區高壓電器設備的設計要求、元器件制造等方面，淺談高海拔地區使用的風電機組斷路器的技術建議與選用思路。

大唐四川采乃風電場位于四川省涼山州普格縣境內的高原山區，海拔在3 000～3 550 m之間，風場總裝機容量99.2 MW，2021年12月全部機組建成投運，并通過240 h試運行。

1 風電機組斷路器的基本結構選擇

采乃風電場每臺風機塔筒外部的地面都安裝1套風電箱式變電站(YB-37/0.69-3 600 kVA)，是將風機發電的低壓電升至高壓電再并網傳輸的設備，其接線原理圖如圖1[1]。

從圖1可以看出，風電箱式變電站(華變)高壓室(雙點劃線框內)主要功能元件包括斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、避雷器等。其傳統結構方案是斷路器選用電力行業標準的固定式真空斷路器，各功能元件組裝為一個固定式開關柜(結構示意見圖2)裝于風電箱式變電站高壓室來滿足要求。目前，國內以四川寶光電器等少數斷路器生產廠家根據風電箱式變電站(華變)接線原理圖對高壓室部份進行了科學的優化設計，把斷路器本體、隔離開關、接地開關、電流互感器、避雷器等各種功能元件合并為一個高度集成化的整體，設計為“五合一”組合式風電機組斷路器(結構示意見圖3)，該型產品直接裝于箱變內(不需要開關柜柜體)，其在風電箱式變電站(華變)內的安裝示意見圖4。

圖1 接線原理

圖2 固定式開關柜

圖3 “五合一”組合式風電機組斷路器

圖4 “五合一”組合式風電機組斷路器安裝示意

傳統結構方案需要風電35 kV箱式變電站高壓室的底面積必須大于6 m2(固定式開關柜寬2 m，深3m)，連接母線用量達14.2m；“五合一”組合式風電機組斷路器結構方案只需要風電35 kV箱式變電站高壓室的底面積4.1 m2(安裝后箱變高壓室寬2.4 m，深1.7 m)即可(節約超30%)，連接母線用量也只需要3.6 m(節約超70%)。“五合一”組合式風電機組斷路器結構方案比傳統結構方案在占地面積及母線使用量都有大幅下降，大大節約土建成本、運輸成本及材料成本，更節約、環保，因此風電箱式變電站(華變)斷路器推薦選用“五合一”組合式風電機組斷路器。

2 高原環境氣象條件及影響

2.1 高海拔地區氣象條件的主要特征

1)氣壓和空氣密度。隨著海拔高度的增加，氣壓將逐漸減小，空氣密度隨之減小。

2)空氣濕度。隨著海拔高度的增加，空氣濕度將下降。

3)空氣溫度。隨著海拔高度的增加，太陽日照輻射強度大，晝夜溫差也較大。

4)大氣污穢程度。一般說來，海拔較高的地區重工業較少，由此產生的大氣污穢程度較輕(但在省市中心城市除外)。

2.2 高海拔地區氣象條件對風電機組斷路器的性能影響

從高海拔地區氣象條件的主要特征可以看出，高海拔地區與普通海拔地區的主要區別是空氣密度、溫度和絕對濕度。由于高壓電器設備空氣間隙的閃絡電壓取決于空氣中的絕對濕度和空氣密度；絕緣強度隨溫度和絕對濕度增加而增加，隨空氣密度減小而降低；濕度和周圍空氣溫度的變化對外絕緣的影響通常會相互抵消[2]。因此，組合式風電機組斷路器作為一種新型高壓電器設備，高海拔氣象條件對其的影響主要為空氣密度的變化影響其外絕緣水平，海拔高度越高，空氣密度越低(氣壓低)，組合式風電機組斷路器外絕緣電氣強度也越低，為確保組合式風電機組斷路器在高海拔地區可靠運行，必須提高其外絕緣水平。根據國家標準GB/T311.1-2012海拔修正公式得出不同海拔高度的外絕緣修正因數如表1。

表1 高海拔外絕緣修正因數

由于產品的內絕緣不與空氣接觸，在任一海拔處，組合式風電機組斷路器的內絕緣不需要采取特別措施[3]。

3 高原型組合式風電機組斷路器的設計要求及選用思路

經過前面高海撥地區對組合式風電機組斷路器性能影響的分析，結合高壓電器設備在大唐普格采乃風電項目等高海拔地區多年運行經驗及制造單位的設計、制造經驗，現對組合式風電機組斷路器在設計、制造與選用的技術要求總結如下。

3.1 增大高壓帶電體的空氣絕緣凈距

國家電網公司根據高壓電器設備在高海拔地區多年的運行總結及各項試驗數據,總結制定了《高海拔外絕緣配置技術規范》(Q/GDW13001-2014)[4]，風電機組斷路器用于高海拔地區其空氣絕緣凈距要求可以參考國家電網公司該技術要求，具體要求見表2。

表2 高海拔空氣絕緣凈距

基于此，組合式風電機組斷路器的相間距在普通海拔基礎上必須加大，這樣才能滿足高海拔對空氣絕緣凈距的要求。目前行業制造廠家為減少產品規格，相間距主要有三種：460 mm(H≤2 000 m)、500 mm(2 000 m

3.2 加大表面爬電距離

一般說來，風電安裝的高海拔地區重工業較少，由此產生的大氣污穢程度較輕，根據中壓電器設備在高原多年運行經驗表明，當海拔高度滿足1 000 m

爬電距離=最高電壓×爬電比距，風電機組斷路器最高電壓為40.5 kV。

基于此，對于斷路器滅弧室，由于裸露滅弧室因結構設計因素表面爬電距離不會太大，基本只能滿足海拔2 000 m要求。因此，在海拔2 000 m及以下地區可以選用滅弧室裸露結構；在海拔2 000 m以上地區，為滿足高原環境對滅弧室斷口間表面爬距的要求，通常把滅弧室通過環氧樹脂澆注成固封極柱結構以增大其斷口間的表面爬距，因此，在海拔2 000 m以上地區，建議選用固封極柱結構型式組合式風電機組斷路器。對于組合式風電機組斷路器的其它功能元件(如絕緣子、傳感器、電流互感器等等)也需要結合高海拔對空氣絕緣凈距及表面爬電距離的要求進行加強絕緣設計。

3.3 改進帶電體形狀，增大電極的曲率半徑，防止尖端放電

一般說來，電極的曲率半徑越大，周邊的電場分布越均勻，氣隙的擊穿電壓也就越高。因此，在設計和制造中，各導電銅排應盡量選用為邊緣帶圓角的R型排。同時還須盡可能地消除電極上的銳緣、棱角、焊縫、毛刺等，提高電極表面的光潔度，消除局部場強。

3.4 外絕緣耐受電壓要求

根據GB/T311.1-2012規定：“當高壓電器用于1 000 m以上，但不超過4 000 m時，其外絕緣試驗電壓應為額定耐受電壓乘外絕緣修正因數”。同時結合國家電網公司Q/GDW13001-2014 高海拔外絕緣配置技術規范的要求。可以得到在普通海拔地區對高原型風電機組斷路器進行外絕緣試驗的工頻耐壓及雷電沖擊要求分別見表3和表4。

表3 工頻耐壓

表4 雷電沖擊

3.5 產品試驗報告要求

高海拔地區使用的組合式風電機組斷路器必須具有不低于使用地海拔高度的型式試驗報告，同時由于風電斷路器使用地冬天溫度低，又安裝于戶外箱變內，因此風電機組斷路器必須通過低溫型式試驗驗證。

4 結 語

我們在大唐四川采乃風電場項目建設初期按照上述思路選用風電機組斷路器，項目成功投運并運行效果良好，驗證了我們對風電機組斷路器的要求是可行的，為高海拔地區風電機組斷路器的設計和選用提供了較重要的參考借鑒依據。