摘要:分析高海拔环境气压和空气密度、湿度、温度及污秽程度等对风电机组断路器的影响，推荐选用“五合一”组合式。并提出必须提高其外绝缘水平，增大高压带电体的空气绝缘净距，加大表面爬电距离，改进带电体形状、增大电极的曲率半径以防尖端放电。同时要求风电机组断路器必须具有不低于使用地海拔高度的型式试验报告，必须通过低温型式试验验证。
关键词:断路器;高海拔;外绝缘;海拔修正
风力发电是我国大力发展的清洁能源之一，风电输变电系统中每台风力发电机都需要一套35kV箱式变电站。目前国内基本以华变为主，其内高压部份的关键元件就是风电机组断路器。而据测算，我国1000m以上高海拔地区面积占全国总面积65%。因此，风电机组断路器如何满足高原环境使用要求成为我们必须解决的问题。本文以大唐四川普格采乃风电场为背景，就高海拔地区高压电器设备的设计要求、元器件制造等方面，浅谈高海拔地区使用的风电机组断路器的技术建议与选用思路。大唐四川采乃风电场位于四川省凉山州普格县境内的高原山区，海拔在3000～3550m之间，风场总装机容量99.2MW，2021年12月全部机组建成投运，并通过240h试运行。
1风电机组断路器的基本结构选择
采乃风电场每台风机塔筒外部的地面都安装1套风电箱式变电站(YB－37/0.69－3600kVA)，是将风机发电的低压电升至高压电再并网传输的设备，其接线原理图如图1［1］。从图1可以看出，风电箱式变电站(华变)高压室(双点划线框内)主要功能元件包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、避雷器等。其传统结构方案是断路器选用电力行业标准的固定式真空断路器，各功能元件组装为一个固定式开关柜(结构示意见图2)装于风电箱式变电站高压室来满足要求。目前，国内以四川宝光电器等少数断路器生产厂家根据风电箱式变电站(华变)接线原理图对高压室部份进行了科学的优化设计，把断路器本体、隔离开关、接地开关、电流互感器、避雷器等各种功能元件合并为一个高度集成化的整体，设计为“五合一”组合式风电机组断路器(结构示意见图3)，该型产品直接装于箱变内(不需要开关柜柜体)，其在风电箱式变电站(华变)内的安装示意见图4。传统结构方案需要风电35kV箱式变电站高压室的底面积必须大于6m2(固定式开关柜宽2m，深3m)，连接母线用量达14.2m;“五合一”组合式风电图4“五合一”组合式风电机组断路器安装示意机组断路器结构方案只需要风电35kV箱式变电站高压室的底面积4.1m2(安装后箱变高压室宽2.4m，深1.7m)即可(节约超30%)，连接母线用量也只需要3.6m(节约超70%)。“五合一”组合式风电机组断路器结构方案比传统结构方案在占地面积及母线使用量都有大幅下降，大大节约土建成本、运输成本及材料成本，更节约、环保，因此风电箱式变电站(华变)断路器推荐选用“五合一”组合式风电机组断路器。
2高原环境气象条件及影响
2.1高海拔地区气象条件的主要特征
1)气压和空气密度。随着海拔高度的增加，气压将逐渐减小，空气密度随之减小。2)空气湿度。随着海拔高度的增加，空气湿度将下降。3)空气温度。随着海拔高度的增加，太阳日照辐射强度大，昼夜温差也较大。4)大气污秽程度。一般说来，海拔较高的地区重工业较少，由此产生的大气污秽程度较轻(但在省市中心城市除外)。
2.2高海拔地区气象条件对风电机组断路器的性能影响
从高海拔地区气象条件的主要特征可以看出，高海拔地区与普通海拔地区的主要区别是空气密度、温度和绝对湿度。由于高压电器设备空气间隙的闪络电压取决于空气中的绝对湿度和空气密度;绝缘强度随温度和绝对湿度增加而增加，随空气密度减小而降低;湿度和周围空气温度的变化对外绝缘的影响通常会相互抵消［2］。因此，组合式风电机组断路器作为一种新型高压电器设备，高海拔气象条件对其的影响主要为空气密度的变化影响其外绝缘水平，海拔高度越高，空气密度越低(气压低)，组合式风电机组断路器外绝缘电气强度也越低，为确保组合式风电机组断路器在高海拔地区可靠运行，必须提高其外绝缘水平。根据国家标准GB/T311.1－2012海拔修正公式得出不同海拔高度的外绝缘修正因数如表1。由于产品的内绝缘不与空气接触，在任一海拔处，组合式风电机组断路器的内绝缘不需要采取特别措施［3］。
3高原型组合式风电机组断路器的设计要求及选用思路
经过前面高海拨地区对组合式风电机组断路器性能影响的分析，结合高压电器设备在大唐普格采乃风电项目等高海拔地区多年运行经验及制造单位的设计、制造经验，现对组合式风电机组断路器在设计、制造与选用的技术要求总结如下。
3.1增大高压带电体的空气绝缘净距
国家电网公司根据高压电器设备在高海拔地区多年的运行总结及各项试验数据，总结制定了《高海拔外绝缘配置技术规范》(Q/GDW13001－2014)［4］，风电机组断路器用于高海拔地区其空气绝缘净距要求可以参考国家电网公司该技术要求，具体要求见表2。基于此，组合式风电机组断路器的相间距在普通海拔基础上必须加大，这样才能满足高海拔对空气绝缘净距的要求。目前行业制造厂家为减少产品规格，相间距主要有三种:460mm(H≤2000m)、500mm(2000m＜H≤3000m)、520mm(3000m＜H≤4000m)。
3.2加大表面爬电距离
一般说来，风电安装的高海拔地区重工业较少，由此产生的大气污秽程度较轻，根据中压电器设备在高原多年运行经验表明，当海拔高度满足1000m＜H≤2000m时，风电机组断路器的一次元件表面爬电比距可以按照有机绝缘为20mm/kV进行要求;当海拔高度满足2000m＜H≤3000m时，风电断路器的一次元件表面爬电比距可以按照有机绝缘为22mm/kV进行要求;当海拔高度满足3000m＜H≤4000m时，风电断路器的一次元件表面爬电比距可以按照有机绝缘为23mm/kV进行要求。爬电距离=最高电压×爬电比距，风电机组断路器最高电压为40.5kV。基于此，对于断路器灭弧室，由于裸露灭弧室因结构设计因素表面爬电距离不会太大，基本只能满足海拔2000m要求。因此，在海拔2000m及以下地区可以选用灭弧室裸露结构;在海拔2000m以上地区，为满足高原环境对灭弧室断口间表面爬距的要求，通常把灭弧室通过环氧树脂浇注成固封极柱结构以增大其断口间的表面爬距，因此，在海拔2000m以上地区，建议选用固封极柱结构型式组合式风电机组断路器。对于组合式风电机组断路器的其它功能元件(如绝缘子、传感器、电流互感器等等)也需要结合高海拔对空气绝缘净距及表面爬电距离的要求进行加强绝缘设计。
3.3改进带电体形状，增大电极的曲率半径，防止尖端放电
一般说来，电极的曲率半径越大，周边的电场分布越均匀，气隙的击穿电压也就越高。因此，在设计和制造中，各导电铜排应尽量选用为边缘带圆角的Ｒ型排。同时还须尽可能地消除电极上的锐缘、棱角、焊缝、毛刺等，提高电极表面的光洁度，消除局部场强。
3.4外绝缘耐受电压要求
根据GB/T311.1－2012规定:“当高压电器用于1000m以上，但不超过4000m时，其外绝缘试验电压应为额定耐受电压乘外绝缘修正因数”。同时结合国家电网公司Q/GDW13001－2014高海拔外绝缘配置技术规范的要求。可以得到在普通海拔地区对高原型风电机组断路器进行外绝缘试验的工频耐压及雷电冲击要求分别见表3和表4。
3.5产品试验报告要求
高海拔地区使用的组合式风电机组断路器必须具有不低于使用地海拔高度的型式试验报告，同时由于风电断路器使用地冬天温度低，又安装于户外箱变内，因此风电机组断路器必须通过低温型式试验验证。
4结语
我们在大唐四川采乃风电场项目建设初期按照上述思路选用风电机组断路器，项目成功投运并运行效果良好，验证了我们对风电机组断路器的要求是可行的，为高海拔地区风电机组断路器的设计和选用提供了较重要的参考借鉴依据。
作者：周加庆 单位：大唐四川发电有限公司新能源分公司