风电场35kV母线单相接地引起三相短路故障分析

（1. 国华能源投资有限公司，北京 100007；2. 北京许继电气有限公司，北京 100085）

（1. 国华能源投资有限公司，北京 100007；2. 北京许继电气有限公司，北京 100085）

本文介绍了某风电场发生的一起由单相接地引起的35kV母线三相短路故障。本文在详细分析故障发生和发展过程的基础上，指出了风电场在运行方式安排和保护定值方面存在的不足，以及消弧装置在故障中的实际表现与原始设计之间的偏差。同时，本文还结合风电场的实际情况给出了应对措施和改进建议。

风电场；单相接地； 三相短路； 故障分析

0 引言

随着风电并网规模的扩大，风电场安全运行对电网安全的重要性日益突出。如何在风电场发生故障时将其影响降到最低，对保障人身和电网、设备的安全都有着非常重要的意义。在我国，风电场集电线路一般采用35kV电压等级。该电压等级在电网中已经有非常成熟的运行经验，但其在风电中的应用并不是十分顺利，多次发生由于35kV系统发生故障引发严重后果的情况[1]。本文对某风电场发生的一起由35kV开关柜内单相接地引起的35kV母线三相短路故障进行了详细分析，指出了保护及自动装置在故障中的实际表现与原始设计之间的偏差，分析了风电场保护定值方面存在的不足，并就如何改进35kV系统的运行管理，提高保护性能，避免故障扩大等问题进行了讨论，给出了应对措施和改进建议。这些工作对风电场的保护配置、故障处理及事故预想等都有一定的借鉴意义。

1 风电场基本情况

发生故障的风电场安装了132台1.5MW双馈型风电机组，总装机容量为199MW。发电机出口电压690V，每台机组配置一台容量为1600kVA的箱式变压器，将电压升至35kV后经架空线送至风电场升压站，每回集电线路包括10-12台风电机组不等。风电机组发出的电能送至升压站后经220kV架空线并入电网。风电场升压站包括两台220kV主变，主变型号相同，容量均为100MVA。风电场主变压器绕组接线型式为Y/△－11，风电场35kV系统采用中性点不接地的方式运行，每段母线均配置有消弧及过电压保护装置。风电场主接线图如图1所示。其中，220kV侧甲线对端为另一风电场的升压站，装机容量约80MW；乙线对端是当地电网的220kV站，是风电负荷消纳的起点。

发生故障前的运行方式为：35kV母联310开关在合位，所有风电机组及集电线路正常运行，平均风速10m/s左右。主变低压侧301开关中电流约1200A，风电场总输出功率在150MW。

2 故障描述

下午12点59分，风电场值班人员在听到报警铃声后，通过监控系统发现35kV I段母线所有开关、310开关、2001开关均跳闸，这时35kV配电室及电缆夹层已有很浓烟雾，无法进入查看设备，难以判断故障的真实情况。为防止事故扩大，值班班长下令拉开仍在运行的2#号主变高压侧开关，甩掉了2#主变所带的所有风电机组及负荷。至此，停电区间扩大为全站。在初步检查后，为防止发生火灾，危及主变，风电场值班人员启动了电缆室气体灭火装置，同时通知消防队，对主变低压穿墙母线箱等发热严重的设备进行喷水降温。事后检查发现，此次故障有3面35kV开关柜、主变低压母线桥等设备烧毁严重已无法使用。同时，1#主变经受了长时间短路电流冲击，低压附属部件受损严重，为整个风电场带来较大损失。

3 故障分析

3.1 故障时序

故障发生后，事故分析人员收集了站内故障录波数据、35kV母线保护动作报告、1#主变两套SGT756的动作报告等故障信息。在深入分析上述数据的基础上，结合故障现场、主控室监控信息及消弧柜等设备的检查结果，还原了这次故障的整个过程：1#主变低压侧301开关柜内，真空断路器上口与35kV母线之间发生了单相接地，并很快发展为35kV母线三相短路。35kV母差保护正确动作后，母线联络开关310及I母上集电线路支路、场用变支路开关都正确断开，但1#主变低压侧301开关拒动，故障未隔离，直至1#主变高压侧复压过流后备保护动作，2001开关跳开才切除了故障。其时序图见图2。

为了分析方便，本文根据故障类型和保护动作情况将整个故障分为了5个阶段，每个阶段对应的时间范围如图2所示。其中，第I阶段为故障前正常运行阶段，第II阶段核心事件是开关柜单相接地，第III阶段核心事件是故障从单相接地发展为三相短路及301开关拒动，第IV阶段是三相短路持续存在，第V阶段是主变高压侧后备保护动作，故障切除。

3.2 存在问题

从故障时序图可以看出，第II阶段开关柜内单相接地是故障发生的直接原因，第III阶段开关拒动是故障扩大的主要原因。但这两个原因并不是本文分析的重点，本文重点分析以下两个问题：

（1）单相故障在648ms迅速发展为两相故障，除设备本身原因外，是否还有其他因素。

（2）从第IV阶段到故障结束持续了5s左右，风电场是否在保护配置上存在不足，或者是故障中存在保护拒动。

图1 风电场主接线

图2 故障时序

3.3 分析讨论

3.3.1 故障发展的原因

本风电场为中性点不接地系统，并在每段35kV母线上配置了消弧与过电压保护装置柜。该装置在系统发生单相接地故障后，在30ms时将故障相直接接地以熄弧和降低弧光过电压。考虑架空线多为瞬时性故障的特点，该装置在5s后会分闸一次。如果是永久故障，则再次动作后不再分闸。可见，对中性点不接地系统，消弧装置有着非常重要的作用。[2-3]

抛开开关柜质量方面的问题，就本次故障而言，导致故障快速发展的原因主要有两个方面，一是运行方式的安排，二是消弧装置的动作情况及消弧效果。一般来讲，从保证风电机组可靠运行的角度出发，两台主变并列运行显然更有利。事实上，有很多风电场在实际当中也是这么做的，但这种运行方式在发生故障时存在较大的风险。首先，原始设计上两台消弧装置是独立运行的，没有联合控制功能，存在误合于不同相的风险。因此，在并列时必须退出一台。本风电场在故障前II段母线上的消弧装置柜已退出运行，但这样做的直接风险是在母联开关（本例为310）因故断开时将使其中一段（在本例中为II段母线）失去消弧装置的保护；其次，并列运行加大了单相接地时的电容电流，电容电流的增大会导致多种隐患：一是短路点可能因电流过大而直接发展为永久故障；二是电流大会增加残压幅值，使电弧不易熄灭；三是在消弧柜容量不够时可能烧毁消弧设备。

对于消弧装置的动作情况，由于风电场在运行管理上重视不够，该装置与后台通讯不稳定，未能准确记录故障信息。而故障后由于I段消弧柜内装置损坏，已无法读取动作报告，失去了判断其动作情况的一手资料，不能准确判断其动作时间和相别。但是从录波文件看，单相接地到两相接地这段时间内，B相始终存在一定的残压，幅值最高在6kV左右。这在某种程度上印证了并列运行的潜在风险。

3.3.2 保护动作分析

35kV母线保护型号为SGB750，配置有母差保护和母联过流保护。主变保护分A、B两套，型号均为SGT756，主变保护C柜为非电量保护。A、B两套保护功能相同，包括差动保护、高压侧复压闭锁过流、低压侧复压闭锁过流、过负荷、中心点零序保护、间隙保护等。

在本次故障过程中，当第II阶段35kV母线I段发生单相接地时，无论消弧装置是否正确动作，35kV母差都不应出口。在第III阶段故障发展为两相短路时，母差保护于658ms出口跳开母联与I段母线上所有支路，母差保护动作正确。

在母联310断开后，2#主变与故障点隔离，短路电流消失。I段母线上除301开关拒动外，各支路正确断开，1#主变中故障电流继续存在，且故障很快发展为三相短路。根据主变保护配置，此时应由主变低压侧复压闭锁过流保护在延时1.8s后跳开主变各侧开关。如果故障没有切除，或低压侧复压过流没有动作，则在延时5.1s后由主变高压侧复压闭锁过流保护出口跳开各侧开关。从故障记录看，低压侧复压过流保护未动作，其原因为“低压侧TV断线对本侧复压投退”控制字定值为默认值，即在TV断线时闭锁本侧复压过流保护。当低压侧发生三相短路时，电压降为零，满足TV断线判断条件，从而闭锁了低压侧的复压过流保护，导致保护没有动作。通过上述分析知道，主变保护和两套保护此次均正确动作，但其定值需改进。

4 结论

（1）对有两台或多台主变的风电场，应谨慎安排主变并列运行的方式，做好事故预想和故障分析计算，避免不必要的破坏。

（2）风电场应重视消弧与过电压保护装置在保证安全运行方面的重要作用，加强消弧装置的测试、验收和维护工作；另一方面，对集电系统采用中心点不接地方式的大型风电场，单相接地时电容电流很大，消弧不及时极易扩展为相间故障，应加快风电场35kV系统中性点运行方式的改造，做到在单相接地时快速切除故障。

（3）风电场应重视监控系统各项功能的验收和维护工作，确保故障后能及时调取各装置的动作报告。一方面应提高自动化厂家对风电项目的重视程度，另一方面风电业主也应提升自身素质，在调试、测试、验收等各个阶段把好关。

（4）短路接地对风电场并不是复杂的故障，之所以造成严重损失，保护定值的不合理是主要原因之一。风电场内各项保护定值的计算有其特殊的地方，风电场和电网公司的定值计算与管理部门对此应加强分析和总结，避免直接移植普通配电网定值的误区。

（5）就本次事故而言，主变高压侧复压过流保护延时过大，直接导致损失扩大，但该延时受整个电网保护要求而不能调整。定值改进重点在主变低压侧的复压过流保护。综合考虑各种因素，开放PT断线闭锁功能后弊大于利。为最大限度减少损失，宜进一步放宽低压侧过流的出口条件，取消PT断线闭锁和低电压闭锁，并在满足保护选择性的基础上进一步缩短延时。

[1] 中国电监会办公厅.关于近期三起风电机组大规模脱网事故的通报.2011.

[2] 李福寿. 中性点非有效接地电网的运行[M].北京: 水利电力出版社,1992.

[3] 贾清泉. 非有效接地电网选线保护技术[M].北京:国防工业出版社,2007.

风电场35kV母线单相接地引起三相短路故障分析

靳现林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。

靳现林（1974-），男，高级工程师，主要从事风电场生产管理工作。

喻 宜（1972-），男，工程师，主要从事电力系统自动化与信息化开发工作。