CN106227912A - 获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，属于电力系统过电压技术领域。该分析方法依据海上风电场大量使用电力电缆的特点，建立了基于PSCAD/EMTDC的简化风电场电缆系统仿真模型。本方法提出，针对影响不对称短路故障下暂态过电压的因素：电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型，分别进行控制变量研究，分析以上因素对暂态过电压的影响规律，最终获取在短电缆、电缆首端、该相电压峰值发生故障、单相接地短路故障时的最大暂态过电压，从而对海上风电场电缆系统绝缘保护提出具有一定的参考价值的结论。

Description

获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压 的分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统过电压的技术领域，特别涉及一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法。

背景技术

近年来，大型风电场正从陆地走向海洋，根据规划，未来几年我国海上风电将会有跨越式的增长表现。

与此同时，关于风电场的运行维护问题也越来越受到重视，尤其是暂态过电压以及由它所引起的设备绝缘故障等问题。针对海上风电场的特点，海上风电的电力传输是通过海底电缆完成的，海上风电场电力系统较复杂，海底电缆较长，海底环境较为恶劣，可能由于不对称短路产生暂态过电压。过电压对电缆集电网系统及其连接的设备(如变压器、发电机等)都会产生危害。获取不对称短路故障下风电场电缆系统最大暂态过电压，有助于选用合适的保护设备和保护措施，对提高海上风电场运行的安全可靠性具有实际意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，包括以下步骤：

S1、采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，建立简化风电场电缆系统，所述简化风电场电缆系统包括以下元件：理想电源、变压器、断路器、海底电缆、风电机组；

S2、在仿真软件中设置各元件的参数，模拟单台风机的运行情况；

S3、仿真所述简化风电场电缆系统不对称短路故障的不同影响因素影响下的暂态过电压波形和幅值，所述影响因素包括电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型；

S4、根据所述步骤S3中所得结论的基础上，控制影响暂态过电压的影响因素，获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压。

进一步地，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的电缆长度影响下的暂态过电压波形和幅值，控制故障点、故障时刻、故障类型不变，通过合理改变电缆长度，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

进一步地，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障点影响下的暂态过电压波形和幅值，控制总电缆长度、故障时刻、故障类型不变，通过在仿真软件PSCAD/EMTDC中设置两段或多段总长等于原电缆、除长度外其他参数维持不变的电缆，用于等效故障点出现在电缆的不同位置时的情况，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

进一步地，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障时刻影响下的暂态过电压波形和幅值，控制电缆长度、故障点、故障类型不变，考虑电压波形的特定点，调整故障时刻，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

进一步地，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障类型影响下的暂态过电压波形和幅值，控制电缆长度、故障点、故障时刻不变，通过对比单相接地短路和两相接地短路，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1.风电场系统涉及设备较多，对可靠性和安全性要求较高，通过实验或实测风电场电缆系统不对称短路故障下过电压成本较高，可行性较差。本发明通过输入工程参数进行仿真，就能较方便得到对风电场电缆系统绝缘保护的相关结论；

2.风电场电缆系统较为复杂，本发明对其进行科学简化、等效，搭建由理想电源、变压器、断路器、单段海底电缆、风电机组组成的模型，较为简便、清晰，同时也能方便得到风电场系统不对称短路故障下暂态过电压的相关规律；

3.本发明运用控制变量思想，分别研究电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型四种主要因素对不对称短路故障下暂态过电压的影响，较为全面、科学；

4.综合分析以上四种因素对过电压的影响，就可以通过仿真得到某工程参数下风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压标幺值为3.237，对风电场设备绝缘保护提供重要参考。

附图说明

图1是简化风电场电缆系统的模型图；

图2是等效三芯电缆参数示意图；

图3是电缆长度与暂态过电压关系图；

图4是故障点等效设置示意图；

图5是故障点与暂态过电压关系图；

图6是故障时刻与暂态过电压关系图；

图7是某相电压峰值时刻附近发生单相接地短路波形图；

图8是故障类型与暂态过电压关系图；

图9是本发明中公开的最大暂态过电压的分析方法的流程步骤图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

请参见图9，图9是本实施例中最大暂态过电压的分析方法的流程步骤图。下面结合附图对本发明进一步说明，本实施例公开的一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，具体包括以下步骤：

S1、采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，建立具有且不少于以下元件的简化风电场电缆系统：理想电源、变压器、断路器、海底电缆、风电机组，如附图1所示。

S2、在仿真软件中设置各元件的参数，模拟单台风机的运行情况。

其中，无穷大电网由理想电源等效，随后经220/35kV变压器进行降压；电缆部分采用了某公司3*400 26/35kV电缆结构参数，把三条单芯电缆呈品字形排列，来等效三芯电缆，如附图2。采用PSCAD/EMTDC中基于J.Marti提出的考虑频率特性的频率相关(相位)线路模型，如表1所示：

表1.考虑频率特性的频率相关(相位)线路模型参数

Travel Time Interpolation:	On
		Curve Fitting Starting Frequency:	0.5Hz
Curve Fitting Starting Frequency:	1.0E6Hz
		Total Number of Frequency Increments:	100
Maximum Order of Fitting for Yc:	20
		Maximum Fitting Error for Yc:	0.2％
Max.Order per Delay Grp.for Prop.Func.	20
		Maximum Fitting Error for Prop.Func.	0.2％
DC Correction:	Disabled
		Passivity:	Disabled

最后经35/0.69kV再次降压后连接4MW风机，其中故障时的风电机组模型以电感性负载进行等效，电抗值的选择是根据变压器的额定电流得出来的，本例中为0.379mH。

S3、仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型四种因素影响下的暂态过电压波形和幅值；

工程上对电缆系统进行绝缘保护，需得到暂态过电压的相关数据。因此，本方法考虑，仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型四种因素影响下的暂态过电压波形和幅值。

为表述方便，把靠近理想电源侧的一端称为电缆首端，把靠近风电机组侧的一端称为电缆末端。

所述步骤S3包括：仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的电缆长度影响下的暂态过电压波形和幅值，需控制故障点、故障时刻、故障类型不变，通过合理改变电缆长度，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

具体应用中，控制故障点为电缆首端，故障时刻为0.0175s，故障类型为单相接地短路，通过合理调整电缆长度，得到在不同电缆长度下风电机组机端变压器高压侧的过电压值，结果如附图3所示。

所述步骤S3还包括：仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障点影响下的暂态过电压波形和幅值，需控制总电缆长度、故障时刻、故障类型不变，通过在仿真软件PSCAD/EMTDC中需设置两段或多段总长等于原电缆、除长度外其他参数维持不变的电缆，用于等效故障点出现在电缆的不同位置时的情况，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

具体应用中，仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障点影响下的暂态过电压波形和幅值，控制总电缆长度为3km，故障时刻为0.0175s，故障类型为单相接地短路，如附图4所示将一条3km电缆拆分成两段除长度外相同的电缆，通过不断改变两段电缆的长度来等效故障点出现在电缆的不同位置上的暂态过电压情况，得到在故障点与电缆首端不同距离下，风电机组机端变压器高压侧的过电压值，结果如附图5所示。

所述步骤S3还包括：仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障时刻影响下的暂态过电压波形和幅值，需控制电缆长度、故障点、故障类型不变，考虑电压波形的特定点，调整故障时刻，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

具体应用中，仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障时刻影响下的暂态过电压波形和幅值，控制电缆长度为3km，故障点为电缆首端，故障类型为单相接地短路。考虑电压波形中的特定点，调整故障发生时刻，并得到在不同故障时刻下风电机组机端变压器高压侧的过电压值，结果如附图6、附图7所示。

所述步骤S3还包括：仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障类型影响下的暂态过电压波形和幅值，需控制电缆长度、故障点、故障时刻不变，通过对比单相接地短路和两相接地短路，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

具体应用中，仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障类型影响下的暂态过电压波形和幅值，控制总电缆长度为3km，故障点为电缆首端，故障时刻为0.0175s，对比单相接地短路和两相接地短路两种不对称短路故障类型，并得到在不同故障类型下风电机组机端变压器高压侧的过电压值，结果如附图8。

S4、根据所述步骤S3中所得的结论的基础上，控制影响暂态过电压的因素，获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压。

具体应用中，分析步骤S3中各个子步骤的具体结论，设置在控制总电缆长度为3km，故障点为电缆首端，故障时刻为0.0175s，单相接地短路下，最终获取简化风电场电缆系统最大暂态过电压标幺值为3.237。

综上所述，本实施例公开了一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，属于电力系统过电压技术领域。该分析方法依据海上风电场大量使用电力电缆的特点，建立了基于PSCAD/EMTDC的简化风电场电缆系统仿真模型。本方法提出，针对影响不对称短路故障下暂态过电压的因素：电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型，分别进行控制变量研究，分析以上因素对暂态过电压的影响规律，最终获取在短电缆、电缆首端、该相电压峰值发生故障、单相接地短路故障时的最大暂态过电压，从而对海上风电场电缆系统绝缘保护提出具有一定的参考价值的结论。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、采用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件，建立简化风电场电缆系统，所述简化风电场电缆系统包括以下元件：理想电源、变压器、断路器、海底电缆、风电机组；

S2、在仿真软件中设置各元件的参数，模拟单台风机的运行情况；

S3、仿真所述简化风电场电缆系统不对称短路故障的不同影响因素影响下的暂态过电压波形和幅值，所述影响因素包括电缆长度、故障点、故障时刻、故障类型；

S4、根据所述步骤S3中所得结论的基础上，控制影响暂态过电压的影响因素，获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压。

2.根据权利要求1所述的获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的电缆长度影响下的暂态过电压波形和幅值，控制故障点、故障时刻、故障类型不变，通过合理改变电缆长度，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

3.根据权利要求1所述的获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障点影响下的暂态过电压波形和幅值，控制总电缆长度、故障时刻、故障类型不变，通过在仿真软件PSCAD/EMTDC中设置两段或多段总长等于原电缆、除长度外其他参数维持不变的电缆，用于等效故障点出现在电缆的不同位置时的情况，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

4.根据权利要求1所述的获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障时刻影响下的暂态过电压波形和幅值，控制电缆长度、故障点、故障类型不变，考虑电压波形的特定点，调整故障时刻，获取电缆长度与暂态过电压的关系。

5.根据权利要求1所述的获取简化风电场电缆系统不对称短路故障下最大暂态过电压的分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

仿真简化风电场电缆系统不对称短路故障的故障类型影响下的暂态过电压波形和幅值，控制电缆长度、故障点、故障时刻不变，通过对比单相接地短路和两相接地短路，获取电缆长度与暂态过电压的关系。