風電場集電系統(tǒng)保護的探索

陳迎賓，陳豐，魏敏，王學輝

（國家電投集團云南國際電力投資有限公司，昆明 650228）

0 前言

風力發(fā)電場的集電系統(tǒng)包括機組變電單元、集電線路或集電電纜、35 kV或10 kV母線、無功補償裝置及其相應(yīng)的保護二次設(shè)施。在國家綠色能源發(fā)展指引下，各大發(fā)電企業(yè)迅速發(fā)展風電板塊，但對風電場的集電系統(tǒng)與普通電網(wǎng)配電系統(tǒng)的區(qū)別卻研究甚少，在生產(chǎn)運行中也暴露出一些問題需要研究解決。因35 kV通用保護設(shè)施相當成熟，本文重點討論集電線路的接地方式選擇和風機變配電單元的保護策略及解決思路。

1 風電場集電線路接地方式

目前風電場采用的接地方式主要有消弧線圈接地、中性點不接地和電阻接地方式。

表1 幾種接地方式的比較

1.1 消弧線圈接地

當風電場允許在單相接地的條件下運行時，可以采用消弧線圈接地。若變電站35 kV側(cè)中性點采用消弧線圈接地方式[1]，35 kV母線側(cè)需要配置一臺接地變壓器（提供一個中性點給不直接接地系統(tǒng)）,再接消弧線圈。消弧線圈的主要原理是當發(fā)生單相接地故障后，故障點流過電容電流，消弧線圈對電感電流進行補償，使故障點的電流下降至10 A以下，達到滅弧目的，防止嚴重事故發(fā)生。

1.1.1 消弧線圈接地的優(yōu)點

優(yōu)點是故障點的殘流很小，接地電弧可瞬間熄滅，能夠限制電弧過電壓的危害，接地電流呈電感電流，使接地處的電流變得很小或等于零，可以消除接地處的電弧。

1.1.2 消弧線圈接地的缺點

缺點是電纜線路增加造成電網(wǎng)電容電流加大，消弧線圈容量也加大，經(jīng)濟性不高；另外容易產(chǎn)生串聯(lián)諧振過電壓和虛幻接地現(xiàn)象。在工程實踐中，故障電流經(jīng)消弧線圈補償后很微弱，造成大量的機組變電單元（箱變及其附屬設(shè)施）內(nèi)瞬間（如電纜頭爆炸）跳閘，而越過了機組變電單元的跌落式熔斷器，并且故障點位置不宜確定。

1.2 電阻接地

在中性點串接一電阻器后可泄放間歇性的弧光過電壓中的電磁能量，促使中性點電位降低，延緩故障相恢復電壓上升速度，減少電弧重燃，抑制電網(wǎng)過電壓的幅值，實現(xiàn)接地保護。中性點經(jīng)電阻接地又分為小電阻、中電阻和高電阻接地，目前國內(nèi)風電場主要采用中電阻接地[2]。

1.2.1 中性點經(jīng)高電阻接地方式

高電阻接地中的電阻一般大于500 Ω，接地故障電流一般小于10 A。一般在對地電容電流小于10 A的配電網(wǎng)較常使用，高電阻接地與中、小電阻運行方式有著存在較大的區(qū)別，風電場采用較少。

1.2.2 中性點經(jīng)中電阻接地方式

中電阻接地中的電阻一般大于10 Ω小于500 Ω，接地故障電流一般大于10 A小于600 A；小電阻接地中的電阻一般小于＜10 Ω，接地故障電流一般大于600 A。中電阻接地保證了故障電流，可以迅速選線并切除故障線路，一般適用于以電纜線路為主[3]。

1.2.3 中性點經(jīng)小電阻接地方式

小電阻接地中的電阻一般小于＜10 Ω，接地故障電流一般大于600 A。接地故障電流大，會在風電場帶諸多問題，強烈的電弧可能會危及附近的電纜，形成新的火災(zāi)事故，擴大災(zāi)害范圍，同時較大的接地電流會對機組配電單元產(chǎn)生不利影響。

2 風機保護

目前風機廣泛采用雙饋機組和直驅(qū)機組，其故障有明顯不同的特性，在計算整定時應(yīng)考慮不同機型對保護的要求。

2.1 雙饋型異步發(fā)電機

當前廠家對雙饋感應(yīng)發(fā)電機組的保護缺乏研究。雙饋感應(yīng)發(fā)電機設(shè)計保護時應(yīng)考慮雙饋風電機組的短路電流，也需考慮在低電壓穿越時以及電壓跌落情況[4]。即crowbar 保護動作后，雙饋異步發(fā)電機提供短路電流的能力較低，轉(zhuǎn)子繞組回路時間常數(shù)減小，短路電流的強制分量快速衰減，發(fā)電機保護不能誤動，可導致低穿越失敗。

2.2 永磁直驅(qū)同步發(fā)電機

永磁直驅(qū)同步發(fā)電機通過脈寬調(diào)制(PWM)控制的電力電子設(shè)備并網(wǎng)，其短路電流與并網(wǎng)電力電子設(shè)備密切相關(guān)。但是不同廠家的風機采用的控制策略也各不相同，給繼電保護的整定帶來不變，特別是給以永磁直驅(qū)機組為主的電網(wǎng)綜合整定造成較大困難[3]。

3 風機變配電系統(tǒng)保護

目前，大多風電場采用箱式變電站、組合式變壓器或由變壓器及高低壓電氣元件（或裝置）組成的敞開式電氣設(shè)備。

3.1 35 kV高壓電纜

對于采用架空集電線的風電場集電系統(tǒng)，線路桿塔與箱式變電站采用35 kV高壓電纜連接，因施工質(zhì)量或制作電纜頭的材料質(zhì)量問題，電纜頭放電問題時有發(fā)生。特別是戶外箱式變壓器高壓側(cè)進線柜，受其運行環(huán)境和集電線路的影響，箱變高壓側(cè)進線在箱變內(nèi)爆炸致使箱變崩裂的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，所以配置35 kV高壓電纜保護是必要的。

考慮風電場造價，保護從簡配置，可采用跌落式熔斷器和避雷器的組合方式。即形成了明顯斷開點，有利于檢修維護，又能保護設(shè)備。避雷器應(yīng)安裝避雷器脫離器，在避雷器劣化或損壞后，將避雷器脫離線路，避雷器脫離后應(yīng)有明顯的顏色標示，便于線路巡視人員發(fā)現(xiàn)。

跌落式熔斷器熔絲的選擇應(yīng)與35 kV集電線路所投入的保護、箱變高壓側(cè)熔斷器、箱變低壓側(cè)斷路器的保護定值配合，避免出現(xiàn)越級跳閘。

3.2 箱式變電站

對于采用箱式變電站的風電場，因考慮風電場總體成本，箱式變電站的保護設(shè)置較為簡單。通常在變壓器高壓側(cè)設(shè)置熔斷器[5]，低壓側(cè)設(shè)置斷路器并采用其本身的電流脫扣器作為其過流保護。

高壓熔斷器的選擇可綜合考慮跌落式熔斷器熔絲、箱變低壓側(cè)斷路器的脫扣電流設(shè)置和風機廠家對其設(shè)備的保護要求。箱變低壓側(cè)斷路器的脫扣電流應(yīng)考慮箱變高壓側(cè)熔斷器的熔斷曲線、風機廠家對其設(shè)備的保護要求綜合計算整定，以確保安全。

4 風電場集電系統(tǒng)保護開發(fā)

4.1 必要性

集電系統(tǒng)是風電場重要組成部分，目前大多數(shù)風電場保護配置簡單。如某公司的四個風電場集電系統(tǒng)僅裝設(shè)接地選線、兩段三相式電流保護和兩段零序電流保護、箱變高壓側(cè)裝設(shè)熔斷器、低壓側(cè)裝設(shè)斷路器，在電場線路越級跳閘后不能迅速切除故障點（擴大化切除：電纜、箱變故障均會導致35 kV斷路器跳閘），影響正常發(fā)電生產(chǎn)運行。

風電場集電線路短路故障若不能快速處置，可能會造成風機的大面積脫網(wǎng)。某風場曾因產(chǎn)生諧波，不能迅速切除故障，造成3臺箱式變電站炸裂，35 kV母線保護動作，5回集電線路跳閘，49臺風機脫網(wǎng)的嚴重事故。考慮到電網(wǎng)和風電場的安全穩(wěn)定需要，以及風電場集電系統(tǒng)的故障特點，利用風電場內(nèi)的廣域信息，開發(fā)一個性能良好、能適應(yīng)各風機廠家統(tǒng)一硬件平臺的集電保護系統(tǒng)是很有必要。

4.2 開發(fā)思路的建議

4.2.1 準確定位

當箱變出故障時，集電線路保護可能會越級動作，致使所有箱變停電，風機脫網(wǎng)。當線路本身發(fā)生故障時，由于線路保護設(shè)有一定的保護延時(一般t=300 ms)，保護不能及時動作，延長了短路電流對系統(tǒng)的沖擊。為解決該問題，箱變的高壓側(cè)可裝設(shè)斷路器，并將斷路器組裝成柜。基于避免越級或擴大跳閘斷電范圍設(shè)置零序分段接地保護，其取值時限與線路保護延時匹配。

4.2.2 基于DL/T 860

目前，基于DL/T 860[5]的保護產(chǎn)品硬件已成熟，平臺具有很強的開放性，僅對其做軟件的修改，即可滿足風電場對其保護的要求[7]。

按照DL/T 860的要求，由GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娘L電場集電線路保護系統(tǒng)，在箱變發(fā)生故障時，線路保護不越級動作，而在集電線路本身發(fā)生故障時，線路保護能快速動作[8]。保護系統(tǒng)應(yīng)包括風機模塊、箱變模塊、風電場GOOSE交換機模塊、升壓站GOOSE交換機模塊等。

集電線路接地采用中電阻接地，保護裝置配置短時限方向電流速斷、方向過電流保護裝置[9]；箱變保護模塊應(yīng)具有方向電流速斷、方向過電流、過電壓等保護功能；風機保護模塊應(yīng)具有方向電流速斷、方向過電流、過電壓等保護功能[10-12]。風機、箱變所采集的數(shù)據(jù)通過光纖送至集電線路保護裝置，形成綜合的保護系統(tǒng)，可能會改進現(xiàn)場故障多發(fā)的狀況。

5 結(jié)束語

隨著技術(shù)的進步，保護裝置會不斷更新，風電場集電線路系統(tǒng)的保護策略也會不斷優(yōu)化，保護系統(tǒng)功能會逐步完善，集電線路短路故障造成風機大面積脫網(wǎng)的事件將會越來越少。