风电场油浸式箱变重瓦斯保护实用性改造

(福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350000)

风电场的风力发电机组布置较为分散，距离风电场集中升压变电所较远，而目前市场上风力发电机组出口电压多为690 V，需就地经升压变电站升压后传送至风电场升压变电所。

目前，风电场单台风电机组升压设备大多采用油浸式箱式变电站，由于风电场箱变运行环境恶劣，且大多离升压站较远，不能每天进行巡视，因此风电场箱变保护配置显得尤为重要。

1 箱变保护配置

箱式变电站(简称“箱变”)是将高压负荷开关、插入式熔断器与后备保护熔断器(或者全范围熔断器 )、变压器器身和无励磁分接开关等电器元件组装在一个密封的油箱中，用变压器油作为绝缘介质的一种新型变压器。箱变有多种分类方法，如按产品结构可分为组合式变电站(欧式箱变) 、预装式变电站即(美式箱变)；按安装场所可分为户内、户外；按高压接线方式可分为终端接线、双电源接线和环网接线；按箱体结构可分为整体、分体等。

箱变的高压侧可采用两级熔断器串联保护或全范围熔断器保护，低压侧通常采用塑壳式断路器作为低压侧保护与电能分配，其电磁脱扣器为瞬时动作，用于短路保护；其热动型脱扣器具有反时限特性，用于过载保护。

风电场风机升压变多采用“一机一变”的箱式变压器，多为欧式箱变和美式箱变；箱变的保护配置有瓦斯保护、过载及短路保护等保护。

其中，瓦斯保护是变压器内部故障的主保护，对变压器匝间和层间短路、铁芯故障、套管内部故障、绕组内部断线及绝缘劣化和油面下降等故障均能灵敏动作。当油浸式变压器的内部发生故障时，电弧使绝缘材料分解并产生大量的气体，从油箱向油枕流动，其强烈程度随故障的严重程度不同而不同，反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护，也叫气体保护。

瓦斯保护一般分为轻瓦斯和重瓦斯两类。轻瓦斯是变压器内部过热,或局部放电,使变压器油油温上升，产生一定的气体,汇集于继电器内,达到一定量后触动继电器，发出信号。重瓦斯保护是在变压器内发生严重短路后，将对变压器油产生冲击，使一定油流冲向继电器的档板,动作于跳闸。

由于风电场箱变多分散且距离升压站较远，安全可靠的瓦斯保护尤其重要，既可以有效隔离故障设备，也不扩大故障范围。

2 工程实例

2.1 改造背景

东南沿海某风电场2012年7月投产，总装机48 MW，分四组35 kV集电线路汇入升压站，通过1台容量50 MW主变压器汇入110 kV电网。24台风电机组采用“一机一变”模式，共有24台油浸式箱式变压器，测控装置为某厂生产的风电箱变智能监控装置。

油浸式箱式变压器重瓦斯保护原设计为跳开本组35 kV集电路开关柜内断路器，即在箱变监控用一根光纤(S1)将重瓦斯动作信号传到继保室光电转换柜内，然后再通过光电转换为跳闸信号去启动集电线路的跳闸出口；在箱变内安装一个光电转换器(命名为FTT2000Z)，把重瓦斯出口1的动作信号转换成光信号通过S1传到下一台箱变内的FTT2000Z，下一台再传到它的下一台，最终每个回路的FTT2000Z把信号通过S1输送到保护室的箱变监控屏处；在箱变监控屏放置与回路数量相对应数量的FTT2000Z，每个回路通过S1传输过来的光信号在此处经过FTT2000Z转换成电信号；在监控屏处把FTT2000Z送出的电信号通过二次控缆直接跳闸35 kV开关柜的断路器。

此设计在实际运行中存在以下缺点和问题：(1)采用光纤回路接到升压站，如光纤回路被意外破坏，箱变就失去了重瓦斯保护；(2)单台箱变故障跳整组线路，会造成其余正常箱变、风机停运；(3)各集电线路断路器涉及到保护回路多，光电转换装置等设备会直接影响保护的可靠性。

2.2 改造方案及实施

箱变高压侧开关是真空负荷隔离开关+ 熔断器结构，考虑到真空负荷隔离开关不能开断大电流，对重瓦斯保护进行以下改造。

2.2.1 硬件改造

箱变现场保护用电流互感器(变比75/5)并未接入箱变测控装置，改造后将电流互感器接入测控装置。

2.2.2 软件升级

升级箱变测控装置，增加FC闭锁跳闸功能,原理见图1。

2.2.3 定值整定

FC闭锁跳闸整定值按能躲过风机最大负荷电流整定。

目前风电机组最大出力设定值为2040 kW，电流互感器变比75∶5，箱变高压侧电压为35 kV，可靠系数取1.1。

一次侧电流最大电流：

二次侧电流最大电流：

FC闭锁跳闸整定值：

FC闭锁跳闸定值取2.5 A。

综上，改造后，箱变接入重瓦斯保护，并且重瓦斯保护动作后检测箱变高压侧电流，实现大电流(大于或等于2.5 A)保护不出口，熔断箱快速切断箱变，小电流(小于2.5 A)，保护出口动作，快速断开高压侧负荷开关。

图 1 FC闭锁跳闸功能原理图

2.3 改造产生的经济效益

(1) 进行改造前，单台箱变重瓦斯保护正常动作与该组集电线路断路器跳闸，该组线路其余5台风机停运，故障出现到隔离故障箱变需2 h，风电场在满负荷运行时，造成损失电量：2000×5×2=20000 kWh，按上网电价0.5元/kWh计算，每次最大可避免1万元损失。

(2)进行改造前，因保护光纤回路影响，单台箱变重瓦斯保护未能正常动作，造成箱变损坏，预计维修费用10万元。

综上所述，此次改造提高了保护可靠性，同时为风电场带来一定的经济效益。

3 结语

目前，风电场箱变重瓦斯保护多采用动作上一级集电线路断路器来切断故障箱变，这样设计虽然能切除故障箱变，但也会造成该条集电线路上其余风机不能正常运行，给风电场造成额外的经济损失。此改造主要解决了以下问题：

(1) 投入使用箱变重瓦斯保护，实现单台箱变有异常时及时跳开，完全避免了主设备损坏事故问题，也不会影响到整组风机运行，提高了风电场运行可靠性。

(2) 简化保护回路，保护不再受风电场监控系统光纤回路影响，保护动作的正确性、可靠性得到保证。