陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)配置

程興明

(大唐廣元風(fēng)電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 廣元 628000)

隨著我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展和國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略，陸上風(fēng)電場(chǎng)等新能源成為我國(guó)電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。陸上風(fēng)電場(chǎng)是否可以穩(wěn)定運(yùn)行能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性以及相關(guān)用戶(hù)的用電安全等產(chǎn)生直接影響。所以陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站的繼電保護(hù)問(wèn)題成為了人們廣泛關(guān)注的話(huà)題，如何合理地配置繼電保護(hù)，同時(shí)進(jìn)一步提升發(fā)電安全性和穩(wěn)定性，成為了陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站著重思考的問(wèn)題。

現(xiàn)階段我國(guó)陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站在繼電保護(hù)方法和手段上有較大的提升，針對(duì)陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)配置陸續(xù)發(fā)布相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及原則，正在不斷的完善陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)配置。目前陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站以集電線(xiàn)路、匯集母線(xiàn)、線(xiàn)變組和送出線(xiàn)路進(jìn)行的綜合保護(hù)配置為主。本文針對(duì)陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)的配置進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，為陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

1 繼電保護(hù)的主要作用及基本要求

1.1 繼電保護(hù)主要作用

在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)是通過(guò)預(yù)防事故或縮小事故范圍來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，最大限度地保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定。當(dāng)被保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)可根據(jù)系統(tǒng)情況進(jìn)行檢測(cè)并做出反應(yīng)，將故障切除。同時(shí)繼電保護(hù)對(duì)異常情況發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)，以便值班人員及時(shí)進(jìn)行處理，或由裝置進(jìn)行自動(dòng)的調(diào)整等。但繼電保護(hù)具有一定局限性，可在一定的延時(shí)范圍內(nèi)，依據(jù)故障具體情況做出反應(yīng)，減小故障影響范圍。

1.2 繼電保護(hù)的基本要求

繼電保護(hù)必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)成。因此，繼電保護(hù)裝置基本要求具有四性。

1)選擇性。指當(dāng)電力系統(tǒng)中設(shè)備或線(xiàn)路發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)僅將故障的設(shè)備或線(xiàn)路從電力系統(tǒng)中切除，當(dāng)故障設(shè)備或線(xiàn)路的保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)由相鄰設(shè)備或線(xiàn)路的保護(hù)將故障切除。

2)速動(dòng)性。指繼電保護(hù)裝置必須盡快地切除故障，以減少故障部位對(duì)其他設(shè)備及系統(tǒng)的影響，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3)靈敏性。指在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或異常情況時(shí)，繼電保護(hù)的反應(yīng)能力。繼電保護(hù)對(duì)于范圍內(nèi)的故障，不論短路點(diǎn)的位置，短路類(lèi)型，系統(tǒng)運(yùn)行方式如何，都能正確反應(yīng)動(dòng)作。

4)可靠性。繼電保護(hù)必須對(duì)應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)可靠動(dòng)作，即不拒動(dòng)；在正常運(yùn)行時(shí)不出現(xiàn)錯(cuò)誤反應(yīng)，即不誤動(dòng)[1-2]。

1.3 繼電保護(hù)配置的原則

首先，要依據(jù)保護(hù)對(duì)象的故障特征進(jìn)行配置。通過(guò)對(duì)需要保護(hù)的對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)及故障量等數(shù)據(jù)分析，結(jié)合故障的位置及等級(jí)的不同，安裝不同的繼電保護(hù)裝置。繼電保護(hù)采用最普遍的工頻電氣量，通過(guò)電力元件的電流和母線(xiàn)電壓及衍生出的其它量，從而構(gòu)成電流保護(hù)、電壓保護(hù)、方向保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、阻抗保護(hù)等。其次，可依據(jù)保護(hù)對(duì)象的電壓等級(jí)和重要性。根據(jù)電壓等級(jí)的不同，系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置要求也不同。比如220 kV及以上設(shè)備，穩(wěn)定性的要求較高，因此其對(duì)切斷故障所需的時(shí)間要求也較高，因此配置雙重化兩套主保護(hù)，強(qiáng)調(diào)主保護(hù)。主保護(hù)需保障設(shè)備的安全性及可靠性，以最快的速度選擇需要保護(hù)的線(xiàn)路，對(duì)有故障存在的線(xiàn)路進(jìn)行隔離和切斷。對(duì)低電壓等級(jí)的設(shè)備或系統(tǒng)方可采用運(yùn)后備方式，在故障設(shè)備本身保護(hù)裝置無(wú)法正確動(dòng)作時(shí)相鄰設(shè)備的保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。再次，滿(mǎn)足可靠性前提下盡可能簡(jiǎn)化二次回路。繼電保護(hù)系統(tǒng)是二次回路和繼電保護(hù)裝置有機(jī)組成，二者相輔相成，缺一不可。二次回路保障電力生產(chǎn)的安全及繼電保護(hù)裝置正常的運(yùn)行起著重要的作用。復(fù)雜的二次回路會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置無(wú)法正確地感受系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)而不正確動(dòng)作。所以滿(mǎn)足條件下應(yīng)盡量簡(jiǎn)化接線(xiàn)。最后，注意相鄰設(shè)備保護(hù)裝置的死區(qū)。系統(tǒng)的各個(gè)元件這配置相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置不應(yīng)出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)。在設(shè)備選型時(shí)合理配置電流互感器，設(shè)備之間的保護(hù)范圍應(yīng)有交叉[3]。

2 陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站典型接線(xiàn)方式

目前陸上風(fēng)電場(chǎng)大多采用220 kV或110 kV電壓等級(jí)，接入電網(wǎng)系統(tǒng)，陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)采用單母線(xiàn)或線(xiàn)變組接線(xiàn)方式，低壓側(cè)采用單母線(xiàn)或者單母線(xiàn)分段方式，本文針對(duì)陸上風(fēng)電場(chǎng)110 kV升壓站，主接線(xiàn)圖如圖1所示。

圖1為某陸上風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量50 MW，25臺(tái)單機(jī)容量2.0 MW風(fēng)電機(jī)組。每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能經(jīng)其現(xiàn)地箱式變電站升壓至35 kV后，經(jīng)各自集電線(xiàn)路接入陸上風(fēng)電場(chǎng)110 kV升壓站35 kV配電裝置室內(nèi)的35 kV母線(xiàn)，經(jīng)主變升壓到110 kV后，以1回110 kV出線(xiàn)接至電網(wǎng)變電站110 kV側(cè)。35 kV母線(xiàn)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)，110 kV側(cè)采用線(xiàn)路變壓器組接線(xiàn)。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)主接線(xiàn)圖

3 陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)配置

3.1 110 kV送出線(xiàn)路保護(hù)

陸上風(fēng)電場(chǎng)110 kV送出線(xiàn)路兩端配置1套同型號(hào)保護(hù)裝置，其主保護(hù)為光纖電流差動(dòng)保護(hù)，后備保護(hù)采用三段相間距離、接地距離保護(hù)，四段定時(shí)限零序方向過(guò)流保護(hù)，保護(hù)裝置具有三相一次重合閘功能。線(xiàn)路故障時(shí)，主保護(hù)拒動(dòng)后備保護(hù)延時(shí)動(dòng)作。電網(wǎng)側(cè)距離、接地保護(hù)按躲過(guò)升壓站主變低壓側(cè)故障進(jìn)行整定；陸上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)距離、零序保護(hù)與電網(wǎng)側(cè)距離、零序保護(hù)配合，防止誤動(dòng)。在線(xiàn)路任何條件下，在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生各種故障時(shí)，保護(hù)應(yīng)能正確動(dòng)作。在保護(hù)區(qū)外發(fā)生故障或故障切除、系統(tǒng)操作等情況下，保護(hù)不應(yīng)誤動(dòng)作。

110 kV送出線(xiàn)路保護(hù)配置三相一次重合閘裝置，可實(shí)現(xiàn)檢同期合閘、檢無(wú)壓合閘和不檢查合閘，檢壓元件可用同名相線(xiàn)電壓，也可用相電壓[4]。

根據(jù)規(guī)定，110 kV送出線(xiàn)路保護(hù)配置為：線(xiàn)路兩端主保護(hù)及后備保護(hù)均投入，電網(wǎng)側(cè)啟用重合閘，陸上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)停用重合閘。

3.2 主變壓器保護(hù)

升壓站主變保護(hù)采用微機(jī)型保護(hù)，配置保護(hù)有差動(dòng)、高壓側(cè)后備和低壓側(cè)后備、非電量保護(hù)。差動(dòng)保護(hù)，反應(yīng)主變內(nèi)部故障，保護(hù)主變高低壓側(cè)CT之間，保護(hù)動(dòng)作跳主變高低壓兩側(cè)斷路器。差動(dòng)保護(hù)采用多CPU結(jié)構(gòu)，防止因CPU異常時(shí)保護(hù)拒動(dòng)。

高壓側(cè)配復(fù)合電壓閉鎖方向過(guò)流保護(hù)，保護(hù)設(shè)為二段二時(shí)限，兩段均選擇帶方向，方向指向高壓側(cè)，并與陸上風(fēng)電場(chǎng)側(cè)送出線(xiàn)路保護(hù)配合。第一時(shí)限動(dòng)作跳低壓側(cè)斷路器，第二時(shí)限動(dòng)作跳高壓側(cè)和低壓側(cè)斷路器。高壓側(cè)復(fù)合電壓閉鎖過(guò)流保護(hù)，設(shè)一段一時(shí)限，延時(shí)動(dòng)作跳高壓側(cè)和低壓側(cè)斷路器。

高壓側(cè)零序過(guò)流保護(hù)，保護(hù)設(shè)三段一時(shí)限，Ⅰ段帶方向，方向指向變壓器，延時(shí)動(dòng)作跳高壓側(cè)和低壓側(cè)斷路器；Ⅱ、Ⅲ段不帶方向，延時(shí)動(dòng)作跳高壓側(cè)和低壓側(cè)斷路器。CT外接主變中性點(diǎn)CT。

高壓側(cè)中性點(diǎn)放電間隙保護(hù)，包括零序電流和零序電壓，因主變低壓側(cè)帶電源，中性點(diǎn)一般接地運(yùn)行，間隙保護(hù)僅在失去中性點(diǎn)啟用保護(hù)。保護(hù)設(shè)一時(shí)限，延時(shí)限延時(shí)動(dòng)作跳高壓側(cè)和低壓側(cè)斷路器，零序過(guò)壓保護(hù)要求取外接3UO。

低壓側(cè)復(fù)合電壓閉鎖方向過(guò)流保護(hù)，保護(hù)設(shè)為二段式，每段帶二個(gè)時(shí)限，第一時(shí)限跳低壓側(cè)斷路器，第二時(shí)限跳高壓側(cè)斷路器，并與集電線(xiàn)路過(guò)流保護(hù)配合，形成時(shí)限級(jí)差，作為集電線(xiàn)路本體保護(hù)拒動(dòng)后的遠(yuǎn)后備保護(hù)，并可靠躲過(guò)35 kV間隔系統(tǒng)接地時(shí)流經(jīng)主變的零序電流的計(jì)算值，保證接地保護(hù)動(dòng)作的選擇性。變壓器低側(cè)過(guò)電流對(duì)低壓側(cè)集電線(xiàn)路末端相間故障的靈敏度不夠，低壓側(cè)過(guò)流Ⅲ段保護(hù)經(jīng)復(fù)壓閉鎖。

主變高壓側(cè)、低壓側(cè)均配置過(guò)負(fù)荷保護(hù)，發(fā)信號(hào)。

主變本體和有載調(diào)壓開(kāi)關(guān)均配置非電量保，重瓦斯跳閘，輕瓦斯發(fā)信號(hào)。壓力釋放動(dòng)作發(fā)信號(hào)。主變油溫和繞溫，溫度高發(fā)信號(hào)。油位異常發(fā)信號(hào)。

雖然現(xiàn)在繼電保護(hù)裝置技術(shù)已非常成熟，一臺(tái)裝置集成了主變壓器所有的保護(hù)種類(lèi)和測(cè)控功能，但是繼電保護(hù)的四要素中的最主要的一條是可靠性，所以為了保證主變壓器在實(shí)際運(yùn)行中，單臺(tái)保護(hù)或測(cè)控裝置出現(xiàn)故障時(shí)，主變壓器也能可靠運(yùn)行。一般采用以下配置原則：①保護(hù)和測(cè)控分開(kāi)配置；②保護(hù)裝置采取主保護(hù)和后備保護(hù)分開(kāi)配置；③測(cè)控采取高低壓本體分開(kāi)配置；④110 kV以上主變壓器的操作箱與測(cè)控裝置分開(kāi)設(shè)置。這樣就保證運(yùn)行中如果某一臺(tái)保護(hù)裝置壞了退出，而主變壓器也可以安全有保證的運(yùn)行[5]。

3.3 35 kV母線(xiàn)保護(hù)

陸上風(fēng)電場(chǎng)匯集線(xiàn)系統(tǒng)的母線(xiàn)每段應(yīng)配置一套母線(xiàn)保護(hù)，作為母線(xiàn)故障的主保護(hù)。母線(xiàn)配置差動(dòng)保護(hù)，經(jīng)電壓閉鎖，進(jìn)行母線(xiàn)區(qū)內(nèi)故障的動(dòng)作，跳各支路斷路器。保護(hù)裝置的差動(dòng)回路包括母線(xiàn)大差回路和各段母線(xiàn)小差回路。母線(xiàn)差動(dòng)保護(hù)由分相式比率差動(dòng)元件構(gòu)成，母線(xiàn)大差是指除母聯(lián)開(kāi)關(guān)外所有支路和分段電流所構(gòu)成的差動(dòng)回路。母線(xiàn)的小差是指該段母線(xiàn)上所連接的所有支路(包括母聯(lián)和分段開(kāi)關(guān))電流所構(gòu)成的差動(dòng)回路。母線(xiàn)大差比率差動(dòng)用于判別母線(xiàn)區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障，小差比率差動(dòng)用于故障母線(xiàn)的選擇。

3.4 35 kV接地變/兼站用變保護(hù)

為減少維護(hù)，陸上風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)多采用干式接地變兼站用變。其保護(hù)配置有速斷過(guò)流、帶時(shí)限過(guò)流保護(hù)、零序過(guò)流保護(hù)。相間短路故障，速斷過(guò)流保護(hù)跳本間隔及主變低壓側(cè)斷路器；低壓側(cè)、系統(tǒng)接地故障，帶時(shí)限過(guò)流保護(hù)與其他間隔零保護(hù)配合，跳本間隔及主變低壓側(cè)斷路器，過(guò)流Ⅱ段與集電線(xiàn)路等間隔零序保護(hù)配合，形成時(shí)限級(jí)差，可作為零序保護(hù)的近后備保護(hù)；接地變及系統(tǒng)接地故障，零序過(guò)流保護(hù)與其他間隔零保護(hù)配合，跳本間隔及主變低壓側(cè)斷路器，零序CT用接地變電阻柜內(nèi)CT。僅為站用變不聯(lián)跳主變低壓側(cè)。

3.5 35 kV集電線(xiàn)路保護(hù)

集電線(xiàn)路配置三段式過(guò)流、零序過(guò)流保護(hù)，保護(hù)范圍為線(xiàn)路全長(zhǎng)，即線(xiàn)路最末端一臺(tái)箱變高壓側(cè)，保護(hù)動(dòng)作于本間隔斷路。過(guò)流保護(hù)不經(jīng)方向與電壓閉鎖。陸上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置零序過(guò)流保護(hù)能夠滿(mǎn)足單相接地快速切除故障要求，故一般不采用零序功率方向保護(hù)。其中過(guò)流保護(hù)于主變低壓側(cè)過(guò)流保護(hù)配合，零序過(guò)流保護(hù)與接地變零序過(guò)流保護(hù)配合，零序?yàn)橥饨恿阈?。過(guò)負(fù)荷保護(hù)為告警發(fā)信。

3.6 35 kV無(wú)功補(bǔ)償裝置保護(hù)

為保證SVG對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，減少減壓變運(yùn)行維護(hù)，現(xiàn)陸上風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVG)基本采用水冷直掛式。無(wú)功補(bǔ)償裝置本體配置相應(yīng)靈敏度高的保護(hù)。無(wú)功補(bǔ)償裝置開(kāi)關(guān)的保護(hù)配置有二段式過(guò)流、零序過(guò)流、過(guò)電壓、低電壓、不平衡電壓保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作本間隔斷路器。零序電流為外接零序。

4 陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)分析

陸上風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)與配電網(wǎng)繼電保護(hù)具有較大的區(qū)別，陸上風(fēng)電場(chǎng)零序保護(hù)主要分為主變高壓側(cè)和低壓側(cè)兩種部分。通常高壓側(cè)零序保護(hù)采用中性點(diǎn)直接接地零序與間隙零序保護(hù)相互配合方案；低壓側(cè)主要采用小電阻接地方式或采用接地變接地方式。采用這種接地方式下，陸上風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)系統(tǒng)可以采用零序電流識(shí)別單相接地故障。對(duì)于超出接地零序CT范圍外的母線(xiàn)采用母差保護(hù)。對(duì)于母線(xiàn)上的站用變(接地變)、無(wú)功補(bǔ)償裝置同時(shí)也配置零序電流保護(hù)。采用該方案的保護(hù)配置對(duì)風(fēng)電場(chǎng)升壓站站內(nèi)的所有電氣設(shè)備進(jìn)行了全覆蓋。

對(duì)陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站繼電保護(hù)配置簡(jiǎn)要闡述了方案，方案中設(shè)備通過(guò)主保護(hù)與后備保護(hù)的相互配合，讓保護(hù)更加全面，可以盡可能地降低故障所帶來(lái)的損失。但在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中繼電保護(hù)配置還需進(jìn)行定值整定，定值整定計(jì)算和保護(hù)的配置需充分考慮故障電流的影響[6]。

對(duì)于陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站集電線(xiàn)路，現(xiàn)階段各風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組普遍采用T接單回線(xiàn)路方式接入系統(tǒng)，依據(jù)當(dāng)前的保護(hù)配置方案，在集電線(xiàn)路出現(xiàn)故障時(shí)，目前現(xiàn)有的故障測(cè)距方法，難以區(qū)分故障點(diǎn)具體在哪條分支中，使得在查找故障點(diǎn)方面存在著一定的困難，因此需要進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，隨著陸上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量越來(lái)越大，環(huán)境的復(fù)雜，為提高陸上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行安全性以及穩(wěn)定性，在陸上風(fēng)電場(chǎng)升壓站保護(hù)配置時(shí)，需要考慮到接入提高電網(wǎng)的系統(tǒng)相關(guān)性能，結(jié)合保護(hù)對(duì)象特點(diǎn)進(jìn)行合理配置，能有效切除故障或控制故障范圍，盡可能地減少短路故障所帶來(lái)的損失，進(jìn)而確保整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)更好地運(yùn)行。