風電場35kV母線單相接地引起三相短路故障分析

（1. 國華能源投資有限公司，北京 100007；2. 北京許繼電氣有限公司，北京 100085）

（1. 國華能源投資有限公司，北京 100007；2. 北京許繼電氣有限公司，北京 100085）

本文介紹了某風電場發(fā)生的一起由單相接地引起的35kV母線三相短路故障。本文在詳細分析故障發(fā)生和發(fā)展過程的基礎上，指出了風電場在運行方式安排和保護定值方面存在的不足，以及消弧裝置在故障中的實際表現(xiàn)與原始設計之間的偏差。同時，本文還結合風電場的實際情況給出了應對措施和改進建議。

風電場；單相接地； 三相短路； 故障分析

0 引言

隨著風電并網(wǎng)規(guī)模的擴大，風電場安全運行對電網(wǎng)安全的重要性日益突出。如何在風電場發(fā)生故障時將其影響降到最低，對保障人身和電網(wǎng)、設備的安全都有著非常重要的意義。在我國，風電場集電線路一般采用35kV電壓等級。該電壓等級在電網(wǎng)中已經(jīng)有非常成熟的運行經(jīng)驗，但其在風電中的應用并不是十分順利，多次發(fā)生由于35kV系統(tǒng)發(fā)生故障引發(fā)嚴重后果的情況[1]。本文對某風電場發(fā)生的一起由35kV開關柜內(nèi)單相接地引起的35kV母線三相短路故障進行了詳細分析，指出了保護及自動裝置在故障中的實際表現(xiàn)與原始設計之間的偏差，分析了風電場保護定值方面存在的不足，并就如何改進35kV系統(tǒng)的運行管理，提高保護性能，避免故障擴大等問題進行了討論，給出了應對措施和改進建議。這些工作對風電場的保護配置、故障處理及事故預想等都有一定的借鑒意義。

1 風電場基本情況

發(fā)生故障的風電場安裝了132臺1.5MW雙饋型風電機組，總裝機容量為199MW。發(fā)電機出口電壓690V，每臺機組配置一臺容量為1600kVA的箱式變壓器，將電壓升至35kV后經(jīng)架空線送至風電場升壓站，每回集電線路包括10-12臺風電機組不等。風電機組發(fā)出的電能送至升壓站后經(jīng)220kV架空線并入電網(wǎng)。風電場升壓站包括兩臺220kV主變，主變型號相同，容量均為100MVA。風電場主變壓器繞組接線型式為Y/△－11，風電場35kV系統(tǒng)采用中性點不接地的方式運行，每段母線均配置有消弧及過電壓保護裝置。風電場主接線圖如圖1所示。其中，220kV側甲線對端為另一風電場的升壓站，裝機容量約80MW；乙線對端是當?shù)仉娋W(wǎng)的220kV站，是風電負荷消納的起點。

發(fā)生故障前的運行方式為：35kV母聯(lián)310開關在合位，所有風電機組及集電線路正常運行，平均風速10m/s左右。主變低壓側301開關中電流約1200A，風電場總輸出功率在150MW。

2 故障描述

下午12點59分，風電場值班人員在聽到報警鈴聲后，通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)35kV I段母線所有開關、310開關、2001開關均跳閘，這時35kV配電室及電纜夾層已有很濃煙霧，無法進入查看設備，難以判斷故障的真實情況。為防止事故擴大，值班班長下令拉開仍在運行的2#號主變高壓側開關，甩掉了2#主變所帶的所有風電機組及負荷。至此，停電區(qū)間擴大為全站。在初步檢查后，為防止發(fā)生火災，危及主變，風電場值班人員啟動了電纜室氣體滅火裝置，同時通知消防隊，對主變低壓穿墻母線箱等發(fā)熱嚴重的設備進行噴水降溫。事后檢查發(fā)現(xiàn)，此次故障有3面35kV開關柜、主變低壓母線橋等設備燒毀嚴重已無法使用。同時，1#主變經(jīng)受了長時間短路電流沖擊，低壓附屬部件受損嚴重，為整個風電場帶來較大損失。

3 故障分析

3.1 故障時序

故障發(fā)生后，事故分析人員收集了站內(nèi)故障錄波數(shù)據(jù)、35kV母線保護動作報告、1#主變兩套SGT756的動作報告等故障信息。在深入分析上述數(shù)據(jù)的基礎上，結合故障現(xiàn)場、主控室監(jiān)控信息及消弧柜等設備的檢查結果，還原了這次故障的整個過程：1#主變低壓側301開關柜內(nèi)，真空斷路器上口與35kV母線之間發(fā)生了單相接地，并很快發(fā)展為35kV母線三相短路。35kV母差保護正確動作后，母線聯(lián)絡開關310及I母上集電線路支路、場用變支路開關都正確斷開，但1#主變低壓側301開關拒動，故障未隔離，直至1#主變高壓側復壓過流后備保護動作，2001開關跳開才切除了故障。其時序圖見圖2。

為了分析方便，本文根據(jù)故障類型和保護動作情況將整個故障分為了5個階段，每個階段對應的時間范圍如圖2所示。其中，第I階段為故障前正常運行階段，第II階段核心事件是開關柜單相接地，第III階段核心事件是故障從單相接地發(fā)展為三相短路及301開關拒動，第IV階段是三相短路持續(xù)存在，第V階段是主變高壓側后備保護動作，故障切除。

3.2 存在問題

從故障時序圖可以看出，第II階段開關柜內(nèi)單相接地是故障發(fā)生的直接原因，第III階段開關拒動是故障擴大的主要原因。但這兩個原因并不是本文分析的重點，本文重點分析以下兩個問題：

（1）單相故障在648ms迅速發(fā)展為兩相故障，除設備本身原因外，是否還有其他因素。

（2）從第IV階段到故障結束持續(xù)了5s左右，風電場是否在保護配置上存在不足，或者是故障中存在保護拒動。

圖1 風電場主接線

圖2 故障時序

3.3 分析討論

3.3.1 故障發(fā)展的原因

本風電場為中性點不接地系統(tǒng)，并在每段35kV母線上配置了消弧與過電壓保護裝置柜。該裝置在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，在30ms時將故障相直接接地以熄弧和降低弧光過電壓?？紤]架空線多為瞬時性故障的特點，該裝置在5s后會分閘一次。如果是永久故障，則再次動作后不再分閘?？梢?，對中性點不接地系統(tǒng)，消弧裝置有著非常重要的作用。[2-3]

拋開開關柜質(zhì)量方面的問題，就本次故障而言，導致故障快速發(fā)展的原因主要有兩個方面，一是運行方式的安排，二是消弧裝置的動作情況及消弧效果。一般來講，從保證風電機組可靠運行的角度出發(fā)，兩臺主變并列運行顯然更有利。事實上，有很多風電場在實際當中也是這么做的，但這種運行方式在發(fā)生故障時存在較大的風險。首先，原始設計上兩臺消弧裝置是獨立運行的，沒有聯(lián)合控制功能，存在誤合于不同相的風險。因此，在并列時必須退出一臺。本風電場在故障前II段母線上的消弧裝置柜已退出運行，但這樣做的直接風險是在母聯(lián)開關（本例為310）因故斷開時將使其中一段（在本例中為II段母線）失去消弧裝置的保護；其次，并列運行加大了單相接地時的電容電流，電容電流的增大會導致多種隱患：一是短路點可能因電流過大而直接發(fā)展為永久故障；二是電流大會增加殘壓幅值，使電弧不易熄滅；三是在消弧柜容量不夠時可能燒毀消弧設備。

對于消弧裝置的動作情況，由于風電場在運行管理上重視不夠，該裝置與后臺通訊不穩(wěn)定，未能準確記錄故障信息。而故障后由于I段消弧柜內(nèi)裝置損壞，已無法讀取動作報告，失去了判斷其動作情況的一手資料，不能準確判斷其動作時間和相別。但是從錄波文件看，單相接地到兩相接地這段時間內(nèi)，B相始終存在一定的殘壓，幅值最高在6kV左右。這在某種程度上印證了并列運行的潛在風險。

3.3.2 保護動作分析

35kV母線保護型號為SGB750，配置有母差保護和母聯(lián)過流保護。主變保護分A、B兩套，型號均為SGT756，主變保護C柜為非電量保護。A、B兩套保護功能相同，包括差動保護、高壓側復壓閉鎖過流、低壓側復壓閉鎖過流、過負荷、中心點零序保護、間隙保護等。

在本次故障過程中，當?shù)贗I階段35kV母線I段發(fā)生單相接地時，無論消弧裝置是否正確動作，35kV母差都不應出口。在第III階段故障發(fā)展為兩相短路時，母差保護于658ms出口跳開母聯(lián)與I段母線上所有支路，母差保護動作正確。

在母聯(lián)310斷開后，2#主變與故障點隔離，短路電流消失。I段母線上除301開關拒動外，各支路正確斷開，1#主變中故障電流繼續(xù)存在，且故障很快發(fā)展為三相短路。根據(jù)主變保護配置，此時應由主變低壓側復壓閉鎖過流保護在延時1.8s后跳開主變各側開關。如果故障沒有切除，或低壓側復壓過流沒有動作，則在延時5.1s后由主變高壓側復壓閉鎖過流保護出口跳開各側開關。從故障記錄看，低壓側復壓過流保護未動作，其原因為“低壓側TV斷線對本側復壓投退”控制字定值為默認值，即在TV斷線時閉鎖本側復壓過流保護。當?shù)蛪簜劝l(fā)生三相短路時，電壓降為零，滿足TV斷線判斷條件，從而閉鎖了低壓側的復壓過流保護，導致保護沒有動作。通過上述分析知道，主變保護和兩套保護此次均正確動作，但其定值需改進。

4 結論

（1）對有兩臺或多臺主變的風電場，應謹慎安排主變并列運行的方式，做好事故預想和故障分析計算，避免不必要的破壞。

（2）風電場應重視消弧與過電壓保護裝置在保證安全運行方面的重要作用，加強消弧裝置的測試、驗收和維護工作；另一方面，對集電系統(tǒng)采用中心點不接地方式的大型風電場，單相接地時電容電流很大，消弧不及時極易擴展為相間故障，應加快風電場35kV系統(tǒng)中性點運行方式的改造，做到在單相接地時快速切除故障。

（3）風電場應重視監(jiān)控系統(tǒng)各項功能的驗收和維護工作，確保故障后能及時調(diào)取各裝置的動作報告。一方面應提高自動化廠家對風電項目的重視程度，另一方面風電業(yè)主也應提升自身素質(zhì)，在調(diào)試、測試、驗收等各個階段把好關。

（4）短路接地對風電場并不是復雜的故障，之所以造成嚴重損失，保護定值的不合理是主要原因之一。風電場內(nèi)各項保護定值的計算有其特殊的地方，風電場和電網(wǎng)公司的定值計算與管理部門對此應加強分析和總結，避免直接移植普通配電網(wǎng)定值的誤區(qū)。

（5）就本次事故而言，主變高壓側復壓過流保護延時過大，直接導致?lián)p失擴大，但該延時受整個電網(wǎng)保護要求而不能調(diào)整。定值改進重點在主變低壓側的復壓過流保護。綜合考慮各種因素，開放PT斷線閉鎖功能后弊大于利。為最大限度減少損失，宜進一步放寬低壓側過流的出口條件，取消PT斷線閉鎖和低電壓閉鎖，并在滿足保護選擇性的基礎上進一步縮短延時。

[1] 中國電監(jiān)會辦公廳.關于近期三起風電機組大規(guī)模脫網(wǎng)事故的通報.2011.

[2] 李福壽. 中性點非有效接地電網(wǎng)的運行[M].北京: 水利電力出版社,1992.

[3] 賈清泉. 非有效接地電網(wǎng)選線保護技術[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

風電場35kV母線單相接地引起三相短路故障分析

靳現(xiàn)林1，喻宜2

Fault Analysis of Wind Farm 35kV Busbar Three-phase Short-circuit Caused by Single-phase Ground

Jin Xianlin1, YuYi2
(1. Guohua Energy Investment Co., Ltd., Beijing 100007, China ; 2. Beijing XJ Electric Co., Ltd., Beijing 100085, China)

This paper described the 35kV busbar three-phase short-circuit fault which caused by the single-phase ground in a wind farm. Based on detailed analysis of development process of the failure, this paper pointed out the lack of operation mode arrangements and the protection setting, the deviation between the actual performance and the original design of arc suppression device. Meanwhile, the paper gave responses and improvement suggestions combined with the wind farm's actual situation.

wind farm; single-phase; three-phase short-circuit; fault analysis

TM614

A

1674-9219(2013)06-0060-04

2013-04-16。

靳現(xiàn)林（1974-），男，高級工程師，主要從事風電場生產(chǎn)管理工作。

喻 宜（1972-），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動化與信息化開發(fā)工作。