風電場風機脫網故障研究分析

王瑞云

（鎮江市高等專科學校，江蘇 鎮江 212000）

風電場風機脫網故障研究分析

王瑞云

（鎮江市高等專科學校，江蘇 鎮江 212000）

針對35kVⅡ回集電線路C相單相接地故障引發BC兩相、三相相間短路，致使風電場并網點電壓跌落、風電機組風機脫網、系統電壓升高，進而引發其余風機因高電壓陸續脫網的惡性事故，進行故障分析并提出處理措施。

風機；脫網；故障分析

與火電或水電的可控發電能源不同，風機多是異步或永磁式發電機，機組本身無勵磁調節系統，發電機、變壓器等設備都要消耗無功，是不可控能源。當電網出現事故，使系統電壓降低，低電壓保護動作跳閘，大量機組拖網，系統會因線路充電功率、無功消耗設備減少使電壓升高，又會有很多風機因過電壓跳閘脫網，使事故擴大，對電網安全運行造成很大影響。因此對于風電場風機脫網故障的研究分析就顯得尤為重要，以某風電場風機脫網故障為例，根據故障現象分析風機脫網原因，排除故障，吸取教訓，加強維護保養。

一、故障概述

某風電場安裝高原型風電機組若干臺，風電場采用1機組1箱變（35kV/690V）接線方式，并分為3組，每組箱變的35kV側并聯至Ⅰ回35kV集電線路，Ⅲ回集電線路至風電場110kV變電站的35kV開關柜，110kV主變壓器升壓后，經Ⅰ回110kV線路送至變電站。風電場主接線示意圖如圖1所示。

事故發生前共30臺風機運行，帶負荷34000kW，其他設備運行正常。風電場35kVⅡ回線電纜頭發生接地相間短路故障，32斷路器跳閘，35kVⅡ回線所運行的10臺風機停機，同時35kVⅠ、Ⅲ回線上的20臺風機停機脫網。當35kVⅡ回集電線路的線路保護裝置發出跳閘命令，將35kVⅡ回集電線路故障排除后，有一臺風機未脫網，還在運行狀態。

二、故障原因

1.風電場35kVⅡ回線32斷路器跳閘原因分析

圖1 某風電場部分電氣主接線圖

（1）一次設備檢查情況

風電場工作人員對35 kV Ⅱ回線進行檢查，發現距離35kV Ⅱ回線32斷路器2km處電纜分接箱內240mm2的電纜分支套處絕緣擊穿。

事故發生后，對錄波器波形進行調取，通過錄波圖看出，電纜分接箱內故障電纜分支套處發生C相接地故障，C相電壓降至額定電壓的7.07%，二次相電壓7.07V，一次相電壓為2474.5V，如圖2所示；經31.951s后發展成BC相間故障，相電壓降至額定電壓的6.66%，二次相電壓6.66V，一次相電壓2331V；又經32.8ms后發展成三相接地短路故障。

圖2 電纜故障時35kV母線PT電壓波形

（2）保護動作情況

35kV II回線PSL691U保護動作出口，動作電流59.287A，動作時間0s（電流I整定=51.85A，動作時間T整定=0ms），線路出口斷路器32跳閘。

2.風電場35kVⅠ、Ⅲ回線風機脫網原因分析

故障發生后，35kVⅠ、Ⅲ回線上運行中的20臺風機脫網。下面從故障錄波器波形圖、風機故障波形圖、風機故障代碼3個方面進行分析。

（1）從故障波形圖中分析風機脫網原因

35kVⅡ回集電線路發生C相單相接地故障，后續發展為BC兩相、三相相間短路。

由圖2可以看出，35kV線路B、C兩相電壓短路時間(電壓跌落到6.66V，為標準電壓的6.66%＜20%)在32.8ms秒。

根據國家標準GB/T 19963-2011 《風電場接入電力系統技術規定》和行業標準《Q-GDW392-2009風電場接入電網技術規定》，當風力發電場電網電壓跌落到90%以下的時候，風電機組進入低電壓穿越程序，低電壓穿越程序的電壓范圍為額定電壓的20%～90%，即電壓跌落到額定電壓的90%～20%，在這個電壓范圍內的風電機組維持不跳閘，停機時間是反時限的，即電壓跌落越深，風電機組維持不跳閘的時間就越短。最短時間是625ms（對應跌落電壓20%)，最長時間為2000ms（對應跌落電壓90%）。如果電壓跌落20%以下時，0ms跳閘停機脫網，如圖3所示。

風電場35kVⅡ回線因電纜頭發生相間短路故障時，35kVⅡ回線運行風機停機。其電網（35kV系統）電壓跌落至接近2.331k V，此時風機立即進入低電壓保護模式，35kVⅠ、Ⅲ回線上運行中的20臺風機停機脫網，是正常的，符合國家標準。

（2）從風機故障波形圖中分析風機脫網原因

圖3 高原型風機低電壓穿越曲線

當故障發生時，35kV Ⅱ回線32斷路器斷開，此線路上所帶8臺風機失電，以Ⅰ、Ⅲ回線的部分風機為例，分析風機脫網原因，如圖4、圖5所示。

圖4 02號風機功率、電壓故障波形圖

圖5 07號風機功率、電壓故障波形圖

通過對以上2臺風機故障波形圖分析，說明35kVⅠ、Ⅲ回線上20臺運行風機脫網的主要原因是由于風機相電壓跌落到低電壓穿越下限值20%以下，即相電壓400V的20% 80V以下（2、7號風機電壓分別跌至59V、36V），風機運行電壓超出低電壓穿越范圍要求，立即停機。

（3）從風機的故障代碼中分析風機脫網原因

經過對故障代碼和發生的時間比對分析，主要有3種類型，第一類有機組立即報出“斷路器最大電流”故障代碼，1s后報出“頻率低”故障代碼；第二類有機組1s后報出“頻率低”故障代碼；第三類有機組立即報出“主開關失電”故障代碼(表1)。

表1 風機故障類別統計

對上述3類故障代碼的分析：風機脫網前，風場出力為34000kW，第一類報出603（斷路器最大電流）故障代碼的風機所帶負荷較高（接近風機的額定功率）；第二類未報出603故障代碼的風機所帶負荷相對較低（小于額定功率）；第三類是報出了45“Main ctrl. supply”主開關失電代碼。原因為有風機主控柜門損壞，無法固定UPS，正在處理中。

3.本次未脫網風機的情況分析

有一臺風機報出“Wind>Power”“風能>功率”代碼信息。風機自動待風停機。約1h強風機雖然報出“FR T Phase Drop”、變頻器系統發出低電壓穿越模式信號給主控系統并同時報出代碼1400 Freq.conv. not Ok，1406 Freq.conv.grid error，1409 Freq.conv. error，但是因當時風機為待風停機狀態，未執行上述代碼停機。稍后自動復位，風機自啟動并網。

三、原因分析和整改措施

造成此次風機脫網的直接原因是35kV電纜相間短路。據數據分析，由35 kV電纜頭故障引發的大規模風機脫網事故占70%以上，客觀地分析造成35 kV電纜頭故障的原因，采取防范措施，消除隱患，避免此類故障的再次發生，對風電項目的正常運營意義重大。

1.原因分析

（1）電纜接線處不是自然狀態，受到了一定的拉力和應力導致

冬夏季節，凍土層凍融變化復雜，土層對電纜和電纜頭機械拉力大。另外，日早晚溫差大，電纜熱脹冷縮，低溫環境熱縮頭彈性減低，絕緣易被破壞。部分地區紫外輻射強度大，絕緣易老化。

（2）電纜頭質量問題

根據國家標準GB50168－1992《電纜線路施工及驗收規范》規定：“制作塑料絕緣電力電纜終端與接頭時，應防止塵埃、雜物落入絕緣內。嚴禁在霧或雨中施工”。

如果在制作中不注意環境因素的影響，就會電纜頭絕緣中由于進入塵埃、雜質等形成氣隙，并在強電場下發生局部放電，繼而發展為絕緣擊穿，造成電纜頭擊穿的故障。如果在潮濕的環境中制作，則電纜容易受潮而使得整體絕緣水平下降，另外也容易進入潮氣形成氣隙而出現局部放電。電纜運行中負載高低產生的電纜熱脹冷縮。風電機組負荷變化較大，造成熱脹冷縮頻繁，易使電纜頭損壞。有些風電箱變考慮防風沙問題，進線孔過低過小，使電纜彎曲半徑過小，承受機械應力過大，絕緣易受損。35kV電纜固定不規范，長期受風力影響造成與構架處磨損導致絕緣損傷不斷惡化，最終導致電纜故障。

2.整改措施

在普通地區制作電纜頭的材料、工藝和質量標準不一定能夠滿足風電場環境常年安全運行的要求，應根據風電場環境采用相應的材料、工藝和質量標準制作電纜頭。

（1）凍土層凍融變化復雜地區使用鋼絲鎧裝電纜

普通鎧帶纏繞護套作防護，主要是防止電纜受外力損傷，而在凍土層凍融變化復雜地區宜采用直徑4.0mm的鋼絲鎧裝緊密排布，纏繞護套作防護，不僅要防止電纜受外力損傷，更主要的是電纜在冷熱收縮時與電纜形成一個整體，防止應力損傷電纜。

（2）溫差較大地區宜使用全冷縮電纜頭

冷縮電纜終端絕緣性能優異，耐老化，防腐蝕，密封性能好，抗電痕性能好且硅橡膠彈性好，與電纜界面結合緊密，應力控制與絕緣復合為一體，有效解決了電纜屏蔽斷面處應力集中的問題，保證電纜的安全運行。

高壓電纜終端頭施工中應充分考慮施工時工作環境條件，必要時采取可靠的防潮、升溫和防塵措施后，方可進行施工。

（3）加強35kV高壓電纜終端頭及電纜固定的規范

在安裝固定電纜時，要防止心線多次彎曲扭轉造成絕緣外力損傷，特別注意電纜交叉處及與構架碰觸部位，由于風場常年風速大，防止振動磨損、老化造成絕緣損壞。對單心電纜固定卡件進行檢查，堅決杜絕使用導磁材料構件。

TK83

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1671-0711（2015）10-0069-03

2015-09-17）