真空断路器广泛应用于海上风电场集电系统内各个位置,其频繁投切操作导致的过电压对设备绝缘严重损坏的问题愈发严重。与陆上风电场相比,海上风电场所处环境更加复杂、运维成本也更高,故对其集电系统内关键设备的绝缘防护也提出了更高的要求。因此,搭建一套能够精确复现海上风电场内部操作瞬态过电压的暂态仿真模型,并在此基础上探讨操作过电压产生机理及其抑制方案显得尤为重要。本文针对这一课题进行了深入研究,主要工作有以下几点:一、本文提出一种基于海上风电场操作过电压模拟试验数据驱动的真空断路器高频建模方法。首先,在对分闸重燃期间真空间隙内部弧后介质恢复微观过程分析的基础上,提出了一种基于击穿电压分布统计分析的真空断路器介质强度分段线性计算方法。相比传统的线性或多项式拟合法,该方法体现了分闸期间绝缘介质强度的实际变化规律,较为精准地复现了实测分闸重燃过电压。另外,此建模方法还提出了一种基于统计特性分析的高频熄弧能力参数整定方法,通过分析重燃期间每次熄弧瞬间电流变化率的统计分布规律对真空断路器高频熄弧能力进行了线性拟合,较为精确地复现了实测重燃电弧电流。二、本文搭建了一套用于复现海上风电场单台风机投切操作过电压的模拟实验平台。克服了海上升压站现场测量存在一定难度且测试灵活性不足的问题,其拓扑结构、电压等级、线路长度、关键设备参数等均与实际参数保持一致,且本文试验结果与海上实测结果对比表明其能够较准确地模拟真实海上风电场内的操作瞬态过电压。在此实验平台基础上开展不同场景下的合/分闸过电压模拟试验发现,当风机端变压器满负荷时,真空断路器分闸操作将引起严重的高频过电压。其中,单相过电压幅值达130 k V且过电压陡度最大可达135.6 k V/μs,分别为额定耐压标准的1.5倍及13.5倍。三、本文针对海上风电场内真空断路器带负载分闸引起的重燃高频过电压进行了机理分析。结合真空间隙物理状态变化过程对重燃过电压及过电流的高频特征进行分析可知,这种高频过电压的激励原理为:真空断路器本身具备一定熄弧能力而导致的相间高频耦合电流在非过零点被强制截断(虚拟电流截断)。并据此得出三种影响过电压的关键因素,然后定量分析了他们对过电压幅值及陡度的影响趋势并给出了抑制此类“虚拟电流截断”引起的过电压的具体措施:包括增加风机塔筒内电缆的相间电容、降低风机运行功率或停机后再进行分闸动作及适当增加风机端变压器等效对地电容。最后,将上述分析结论应用于某海上风电场现场由于断路器操作引起的过电压绝缘击穿事故分析中,提出了变压器负载侧的实际功率减半及在变压器端增加阻容吸收器的解决方案,并在仿真中验证了其良好的高频高幅值抑制效果。四、针对海上风电场内由断路器操作引起的严重高频过电压,本文提出了一种“避雷器+阻容吸收器”的组合保护方案。在仿真中进行了多场景下(包括:切除单台风机、切除整条馈线和切除并联电抗器三种常见工况)不同保护方案的过电压抑制效果对比。仿真结果表明,在断路器负载侧加装自定义阻容吸收装置可有效抑制切馈线操作时产生的低频振荡以及切除风机或电抗器时产生的严重高频过电压。