一起由小動物爬塔引起的風(fēng)電場集電線路跳閘事件的分析

孫虹凱 康海淵 張建軍 王是琦

關(guān)鍵詞：小動物爬塔;集電線路跳閘;解決措施;零序保護(hù)

中圖分類號：

現(xiàn)代大型風(fēng)電場基本建設(shè)在西北、華北戈壁灘上、或此類地區(qū)非自然保護(hù)區(qū)的大山上，面對大面積、長線路、分散式等特征，風(fēng)電場管理無法做到集中式（圍墻式）統(tǒng)一管理，大型風(fēng)電場集電線路總長度可達(dá)上百公里，甚至更長。常規(guī)35kV集電線路接風(fēng)機(jī)箱變的桿塔，在桿塔底部距上約4米左右的位置安裝跌落平臺支架，平臺上面安設(shè)避雷器、保險、計數(shù)器等設(shè)備，此位置電力傳輸向上通過引流線接至集電線路導(dǎo)線，向下通過電纜接風(fēng)機(jī)箱變。35kV集電線路的跌落開關(guān)相間間距、相對地距離大約600～800mm。小動物在平臺位置處活動，極易引起相間短路或者相對地短路造成集電線路跳閘。本文研究一起風(fēng)電場跳閘事件，重點對零序保護(hù)作以研究，有助于風(fēng)電場運(yùn)行人員提高排查接地故障的能力。

1 事件概況

1.1風(fēng)場概況

寧夏中衛(wèi)某山地風(fēng)電場，總裝機(jī)容量120MW。風(fēng)機(jī)48臺，單機(jī)容量2.5MW;110kV主變1臺，容量120MW;35kV集電線路（#1至#5進(jìn)線）5條，5條線路總長約46km，分別接引12、11、8、8、9臺風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)為雙饋異步發(fā)電機(jī)，出口交流電壓690V，電能送出路線為風(fēng)機(jī)出口→2.75MW的油浸式箱變→架空集電線路跌落平臺→集電線路導(dǎo)線→升壓站35kV開關(guān)柜。風(fēng)電場整體電能通過單回110kV送出線路外送，2020年12月風(fēng)電場正式并網(wǎng)發(fā)電。

1.2 故障前運(yùn)行方式及出力情況

110kV送出線路運(yùn)行正常，110kV #1主變運(yùn)行正常，35kV I 段母線運(yùn)行正常，35kV #1 接地變運(yùn)行正常，35kV #1站用變運(yùn)行正常，35kV #1 SVG無功補(bǔ)償裝置運(yùn)行正常，35kV #1至#5進(jìn)線全部運(yùn)行正常。事故前全場出力33.58MW，35kV I段母線電壓Uab：34.96kV，Ubc：34.93kV，Uca：34.97kV。35kV #1 進(jìn)線電流（一次值）Ia：100A，Ib：99.02A，Ic：100.72A。

1.3 故障后出力情況及損失出力

故障后全場總出力27.51MW，除#1進(jìn)線退出運(yùn)行外，其他設(shè)備正常運(yùn)行。35kV I 段母線電壓Uab：34.76kV，Ubc：34.68kV，Uca：35.08kV。35kV #1進(jìn)線電流Ia：0A，Ib：0A，Ic：0A。全站損失出力：6.07MW，停運(yùn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組12 臺，總計損失并網(wǎng)容量30MW。

2 事件經(jīng)過

2.1 事件報文

2021年01月22日4時0分，風(fēng)電場 #1 進(jìn)線PCS-9611C線路保護(hù)零序過流I 段動作，保護(hù)裝置啟動出口，#1 進(jìn)線35kV開關(guān)跳閘。零序動作電流3.22A，整組啟動到動作出口延時241ms，動作報文見圖1。

開關(guān)動作后，運(yùn)行人員立即向調(diào)度聯(lián)系，接受調(diào)度指令，#1進(jìn)線轉(zhuǎn)檢修。同時安排兩組人員排查故障原因，一組人員前往#1進(jìn)線對絕緣子、跌落開關(guān)、電纜等重點部位全線排查，另一組人員檢查#1進(jìn)線開關(guān)柜保護(hù)裝置報文和繼保室故障錄波器錄播信息，調(diào)取故障錄波器信息顯示：

（1）故障發(fā)生前35kV母線電壓波形正常，發(fā)生故障瞬間B、C相電壓（以下均為二次值）分別升高到86V、82V，A相電壓迅速降低至18V，產(chǎn)生零序電壓68V，見圖2。

（2）故障發(fā)生前#1進(jìn)線A、B、C 三相電流均在0.83A上下，發(fā)生故障瞬間，出現(xiàn)0.82A自產(chǎn)零序電流，最終跳閘出口時，#1進(jìn)線PCS-9611C保護(hù)裝置顯示外接零序動作電流值3.22A，自產(chǎn)零序動作電流值1.028A。

#1 進(jìn)線的PCS-9611C保護(hù)裝置采用外接零序電流，零序電流I 段整定值為2.5A，結(jié)合故障錄波圖，初步判斷#1進(jìn)線A相發(fā)生單相接地故障。A相電壓明顯被拉低，A相電流沒有明顯增大趨勢，初步認(rèn)為是非金屬接地故障，零序過流I 段保護(hù)正確動作，斷開#1進(jìn)線開關(guān)。查看系統(tǒng)其他電壓電流波形及綜自監(jiān)控主機(jī)發(fā)電信息，顯示其他設(shè)備運(yùn)行正常。

隨后第一組人員在巡視到#1進(jìn)線接4號風(fēng)機(jī)的集電線路桿塔時，發(fā)現(xiàn)該桿塔跌落開關(guān)正下方地面上有一只皮毛發(fā)焦的黃鼠狼。在做好安全措施后，人員登塔檢查，檢查發(fā)現(xiàn)A相跌落開關(guān)上觸頭處以及A相跌落開關(guān)與跌落平臺支架連接的鋼材處均有明顯的放電痕跡，且跌落開關(guān)上觸頭位置和支架鋼材位置均有動物皮毛殘留，分析認(rèn)為黃鼠狼身體接通了A相跌落開關(guān)上觸頭和跌落平臺支架，導(dǎo)致A相對桿塔（地）放電，在放電一瞬間黃鼠狼皮毛粘留在了金屬部位。運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的情況和保護(hù)裝置反映出來的數(shù)據(jù)綜合分析，認(rèn)定此次事件為小動物爬塔導(dǎo)致的相線對地放電的非金屬性接地跳閘事件。

2.3事件解決措施

在詳細(xì)分析事故原因后，并向周邊其他風(fēng)電場了解到該地區(qū)時有小動物爬塔事件發(fā)生，為吸取經(jīng)驗教訓(xùn)，防患于未然。該風(fēng)電場果斷采取措施，采用塔腿加裝防爬刺的措施用以防止小動物爬塔跳閘事件再次發(fā)生。組織職工利用1周時間，在接風(fēng)機(jī)箱變電纜的48基集電線路桿塔的四個塔腿根部及電纜套管上加裝防爬刺，安裝后效果見圖3。在對接地故障的跌落開關(guān)修復(fù)后、#1進(jìn)線絕緣測試后，并向調(diào)度匯報申請后，#1進(jìn)線及時恢復(fù)了供電。

3 技術(shù)分析

通過該風(fēng)電場的這一事件，對小動物爬塔防范措施，零序電流產(chǎn)生以及故障情況分析我們作一引申。

3.1 線路跳閘常見外界因素及防范措施

非自身原因?qū)е碌募芸站€路跳閘因素有很多，例如鳥類排泄物逐漸的附著在絕緣子上導(dǎo)致絕緣子爬電接地，鳥類在桿塔上搭窩時帶入的鋁絲、鐵絲等導(dǎo)電雜物掉落在絕緣子上導(dǎo)致的金屬接觸跳閘，大風(fēng)天氣輕薄異物掛接在塔身上造成的跳閘，再一主要因素就是本文中提到的小動物爬塔導(dǎo)致的跳閘。

針對鳥類排泄物、鳥窩內(nèi)異物及大風(fēng)天氣異物等防范措施，主要還是以加強(qiáng)巡檢為主，及時的清除塔身上的鳥窩，及時對沿線周邊的輕薄異物（如地膜、塑料袋）進(jìn)行清理。針對小動物爬塔基本有兩種方案，一是采用本文提到的塔腿處加裝防爬刺方案，二是可以在4個塔腿形成的距地1～2m的斷面處加裝網(wǎng)罩，網(wǎng)罩在塔腿斷面處向內(nèi)向外以向下傾斜的方式延展鋪設(shè)，在該位置形成一道爬塔屏障。

3.2關(guān)于零序電流的介紹及分析

3.2.1零序電流的概念根據(jù)三相電路數(shù)學(xué)分析，一個三相平衡穩(wěn)定運(yùn)行的三相電路，三相電流的瞬時值表達(dá)式為：

ia=IA sinωt

ib=IB sin（ωt-120）°

ic=Ic sin（ωt+120）°

三相電流以相角相差120°的情況以正弦波形式運(yùn)行，以向量形式做圖，見圖4。

3.2.2零序電流的重要知識點

（1）當(dāng)三相電路不平衡或單相運(yùn)行則產(chǎn)生零序電流，也就是單相接地，或者兩相短路接地的情況下會產(chǎn)生零序電流。

（2）中性點直接接地發(fā)生單相接地故障時，接地短路電流很大，此系統(tǒng)稱之為大電流接地系統(tǒng)。當(dāng)中性點通過消弧線圈或接地變接地，發(fā)生接地故障時，接地故障電流偏小[1]。

（3）接地短路點離保護(hù)安裝處越近，則零序電流越大，反之短路點越遠(yuǎn)，流過保護(hù)裝置的零序電流越小。

（4）零序電流保護(hù)只能用來保護(hù)接地短路故障，對于兩相不接地的短路和三相短路不能起到保護(hù)作用。

（5）零序電流大小與接地故障類型有關(guān)，與正、負(fù)序阻抗都有關(guān)系。

（6）零序電流可以帶方向閉鎖，用以保證選擇性和靈敏性。系統(tǒng)各元件零序阻抗角為80°的情況下，正方向動作繼電器方程為，指的是保護(hù)安裝處的零序電壓，正方向以母線為正，中性點電位為負(fù);指的是保護(hù)安裝處的零序電流，正方向以母線指向被保護(hù)線路[2]。

3.2.3風(fēng)電場零序電流的分析

選取該風(fēng)電場接地故障某一時刻的故障錄播電流值做以分析，故障至跳閘之間的某一時刻電流值（二次值）A相0.371A∠304°，B相0.819A∠111°，C相0.834A∠354°，運(yùn)用向量的方式計算，以圖4正序平衡向量A相的頂端為起始0°，以逆時針方向為正向角度繪圖，按各自角度旋轉(zhuǎn)，得到圖6，圖示C相電流在起始點順時針方向的6°位置。按本文上述介紹的零序電流的計算準(zhǔn)則和計算方法，繪制得到圖7，根據(jù)計算得到=0.82A∠27°，通過與故障錄波顯示的此時刻的示數(shù)的對比，人工計算的數(shù)值角度基本與故障錄播裝置計算的數(shù)值一致。

該風(fēng)電場零序保護(hù)采用的是外接零序電流互感器保護(hù)功能，未采用自產(chǎn)零序保護(hù)。當(dāng)故障某一時刻保護(hù)裝置采集的3I0電流值超過了定值2.5A（跳閘時刻顯示外接零序二次值達(dá)到3.22A），時間超過了0.2s（跳閘時刻顯示延時為0.24s），驅(qū)動零序電流保護(hù)啟動。對此零序方向問題選取某一故障時刻零序電壓電流數(shù)值進(jìn)行分析，某一故障時刻的零序電壓71.80V∠238°，零序電流0.827A∠27°，兩者在向量域比較，零序電壓超前零序電流角度為-149°，在-190°和-10°之間，滿足方向繼電器的原理，零序故障為正方向（線路側(cè)故障）。而帶方向的零序電流保護(hù)多用于110kV及以上中性點直接接地的大電流接地系統(tǒng)中，本文不再贅述方向保護(hù)的原理。

3.2.4 零流在調(diào)試中的注意事項

高壓開關(guān)柜電纜接入時常受電纜本身設(shè)計的影響，有時設(shè)計選取的三芯電纜很粗，很難從零序電流互感器中穿過，有時設(shè)計選取的是三根單芯電纜，更加難以穿心。所以選擇性放棄電纜穿芯的接入，繼而采用保護(hù)裝置自產(chǎn)零序保護(hù)功能。這樣在調(diào)試過程中，調(diào)試人員須做好自產(chǎn)零序的調(diào)試工作，一是計算定值必須以自產(chǎn)的二次值去計算;二是在定值校驗過程中，要對各種接地情況下產(chǎn)生的零序值進(jìn)行校驗，并核實定值控制字，零序保護(hù)控制字必須選取自產(chǎn)零序。

如果選用外接零序保護(hù)功能而沒有接入外接零序電流互感器，則會導(dǎo)致線路發(fā)生接地故障時，線路本體保護(hù)裝置零序保護(hù)拒動，很容易使故障量和故障時限達(dá)到其他保護(hù)裝置的動作定值（例如接地變保護(hù)裝置定值），從而引發(fā)越級跳閘，造成更大的損失。

4 結(jié)束語

綜上所述可知，防范接地故障零序跳閘事件還是有很多方式方法的，結(jié)合線路的防范措施，我們在站區(qū)內(nèi)也應(yīng)加強(qiáng)對于小動物防范措施的落實，例如加強(qiáng)地溝孔洞的封堵，在室內(nèi)出入口加裝防小動物隔板，在角落處設(shè)置鼠藥盒等[3]。同時各風(fēng)電場應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行檢修人員關(guān)于電氣設(shè)備和繼電保護(hù)等理論知識的學(xué)習(xí)，掌握基本的電氣一二次知識，熟悉正弦波、向量、角度等概念，能夠熟練繪制正序、負(fù)序、零序向量圖，懂得基本參數(shù)量的計算。善于運(yùn)用理論指導(dǎo)運(yùn)行維修工作，這樣當(dāng)發(fā)生故障時就能夠從容的解決處理。

參考文獻(xiàn)

[1]束洪春，高鈺瑩，董俊，安娜，等. 一種風(fēng)電場集電線路故障區(qū)段與故障分支識別方法[P]. 云南?。篊N112083284B，2021-10-12.

[2]國家電力調(diào)度通信中心.國家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]杜力.一起小動物引發(fā)的變電站主變多重故障分析[J]. 農(nóng)村電氣化，2020（2）：32-34）.