风电场集电系统保护的探索

2021-01-14陈迎宾陈丰魏敏王学辉

云南电力技术 2020年6期

陈迎宾，陈丰，魏敏，王学辉

（国家电投集团云南国际电力投资有限公司，昆明 650228）

0 前言

风力发电场的集电系统包括机组变电单元、集电线路或集电电缆、35 kV或10 kV母线、无功补偿装置及其相应的保护二次设施。在国家绿色能源发展指引下，各大发电企业迅速发展风电板块，但对风电场的集电系统与普通电网配电系统的区别却研究甚少，在生产运行中也暴露出一些问题需要研究解决。因35 kV通用保护设施相当成熟，本文重点讨论集电线路的接地方式选择和风机变配电单元的保护策略及解决思路。

1 风电场集电线路接地方式

目前风电场采用的接地方式主要有消弧线圈接地、中性点不接地和电阻接地方式。

表1 几种接地方式的比较

1.1 消弧线圈接地

当风电场允许在单相接地的条件下运行时，可以采用消弧线圈接地。若变电站35 kV侧中性点采用消弧线圈接地方式[1]，35 kV母线侧需要配置一台接地变压器（提供一个中性点给不直接接地系统）,再接消弧线圈。消弧线圈的主要原理是当发生单相接地故障后，故障点流过电容电流，消弧线圈对电感电流进行补偿，使故障点的电流下降至10 A以下，达到灭弧目的，防止严重事故发生。

1.1.1 消弧线圈接地的优点

优点是故障点的残流很小，接地电弧可瞬间熄灭，能够限制电弧过电压的危害，接地电流呈电感电流，使接地处的电流变得很小或等于零，可以消除接地处的电弧。

1.1.2 消弧线圈接地的缺点

缺点是电缆线路增加造成电网电容电流加大，消弧线圈容量也加大，经济性不高；另外容易产生串联谐振过电压和虚幻接地现象。在工程实践中，故障电流经消弧线圈补偿后很微弱，造成大量的机组变电单元（箱变及其附属设施）内瞬间（如电缆头爆炸）跳闸，而越过了机组变电单元的跌落式熔断器，并且故障点位置不宜确定。

1.2 电阻接地

在中性点串接一电阻器后可泄放间歇性的弧光过电压中的电磁能量，促使中性点电位降低，延缓故障相恢复电压上升速度，减少电弧重燃，抑制电网过电压的幅值，实现接地保护。中性点经电阻接地又分为小电阻、中电阻和高电阻接地，目前国内风电场主要采用中电阻接地[2]。

1.2.1 中性点经高电阻接地方式

高电阻接地中的电阻一般大于500 Ω，接地故障电流一般小于10 A。一般在对地电容电流小于10 A的配电网较常使用，高电阻接地与中、小电阻运行方式有着存在较大的区别，风电场采用较少。

1.2.2 中性点经中电阻接地方式

中电阻接地中的电阻一般大于10 Ω小于500 Ω，接地故障电流一般大于10 A小于600 A；小电阻接地中的电阻一般小于＜10 Ω，接地故障电流一般大于600 A。中电阻接地保证了故障电流，可以迅速选线并切除故障线路，一般适用于以电缆线路为主[3]。

1.2.3 中性点经小电阻接地方式

小电阻接地中的电阻一般小于＜10 Ω，接地故障电流一般大于600 A。接地故障电流大，会在风电场带诸多问题，强烈的电弧可能会危及附近的电缆，形成新的火灾事故，扩大灾害范围，同时较大的接地电流会对机组配电单元产生不利影响。

2 风机保护

目前风机广泛采用双馈机组和直驱机组，其故障有明显不同的特性，在计算整定时应考虑不同机型对保护的要求。

2.1 双馈型异步发电机

当前厂家对双馈感应发电机组的保护缺乏研究。双馈感应发电机设计保护时应考虑双馈风电机组的短路电流，也需考虑在低电压穿越时以及电压跌落情况[4]。即crowbar 保护动作后，双馈异步发电机提供短路电流的能力较低，转子绕组回路时间常数减小，短路电流的强制分量快速衰减，发电机保护不能误动，可导致低穿越失败。

2.2 永磁直驱同步发电机

永磁直驱同步发电机通过脉宽调制(PWM)控制的电力电子设备并网，其短路电流与并网电力电子设备密切相关。但是不同厂家的风机采用的控制策略也各不相同，给继电保护的整定带来不变，特别是给以永磁直驱机组为主的电网综合整定造成较大困难[3]。

3 风机变配电系统保护

目前，大多风电场采用箱式变电站、组合式变压器或由变压器及高低压电气元件（或装置）组成的敞开式电气设备。

3.1 35 kV高压电缆

对于采用架空集电线的风电场集电系统，线路杆塔与箱式变电站采用35 kV高压电缆连接，因施工质量或制作电缆头的材料质量问题，电缆头放电问题时有发生。特别是户外箱式变压器高压侧进线柜，受其运行环境和集电线路的影响，箱变高压侧进线在箱变内爆炸致使箱变崩裂的现象经常发生，所以配置35 kV高压电缆保护是必要的。

考虑风电场造价，保护从简配置，可采用跌落式熔断器和避雷器的组合方式。即形成了明显断开点，有利于检修维护，又能保护设备。避雷器应安装避雷器脱离器，在避雷器劣化或损坏后，将避雷器脱离线路，避雷器脱离后应有明显的颜色标示，便于线路巡视人员发现。

跌落式熔断器熔丝的选择应与35 kV集电线路所投入的保护、箱变高压侧熔断器、箱变低压侧断路器的保护定值配合，避免出现越级跳闸。

3.2 箱式变电站

对于采用箱式变电站的风电场，因考虑风电场总体成本，箱式变电站的保护设置较为简单。通常在变压器高压侧设置熔断器[5]，低压侧设置断路器并采用其本身的电流脱扣器作为其过流保护。

高压熔断器的选择可综合考虑跌落式熔断器熔丝、箱变低压侧断路器的脱扣电流设置和风机厂家对其设备的保护要求。箱变低压侧断路器的脱扣电流应考虑箱变高压侧熔断器的熔断曲线、风机厂家对其设备的保护要求综合计算整定，以确保安全。

4 风电场集电系统保护开发

4.1 必要性

集电系统是风电场重要组成部分，目前大多数风电场保护配置简单。如某公司的四个风电场集电系统仅装设接地选线、两段三相式电流保护和两段零序电流保护、箱变高压侧装设熔断器、低压侧装设断路器，在电场线路越级跳闸后不能迅速切除故障点（扩大化切除：电缆、箱变故障均会导致35 kV断路器跳闸），影响正常发电生产运行。

风电场集电线路短路故障若不能快速处置，可能会造成风机的大面积脱网。某风场曾因产生谐波，不能迅速切除故障，造成3台箱式变电站炸裂，35 kV母线保护动作，5回集电线路跳闸，49台风机脱网的严重事故。考虑到电网和风电场的安全稳定需要，以及风电场集电系统的故障特点，利用风电场内的广域信息，开发一个性能良好、能适应各风机厂家统一硬件平台的集电保护系统是很有必要。

4.2 开发思路的建议

4.2.1 准确定位

当箱变出故障时，集电线路保护可能会越级动作，致使所有箱变停电，风机脱网。当线路本身发生故障时，由于线路保护设有一定的保护延时(一般t=300 ms)，保护不能及时动作，延长了短路电流对系统的冲击。为解决该问题，箱变的高压侧可装设断路器，并将断路器组装成柜。基于避免越级或扩大跳闸断电范围设置零序分段接地保护，其取值时限与线路保护延时匹配。

4.2.2 基于DL/T 860

目前，基于DL/T 860[5]的保护产品硬件已成熟，平台具有很强的开放性，仅对其做软件的修改，即可满足风电场对其保护的要求[7]。

按照DL/T 860的要求，由GOOSE网络传输的风电场集电线路保护系统，在箱变发生故障时，线路保护不越级动作，而在集电线路本身发生故障时，线路保护能快速动作[8]。保护系统应包括风机模块、箱变模块、风电场GOOSE交换机模块、升压站GOOSE交换机模块等。

集电线路接地采用中电阻接地，保护装置配置短时限方向电流速断、方向过电流保护装置[9]；箱变保护模块应具有方向电流速断、方向过电流、过电压等保护功能；风机保护模块应具有方向电流速断、方向过电流、过电压等保护功能[10-12]。风机、箱变所采集的数据通过光纤送至集电线路保护装置，形成综合的保护系统，可能会改进现场故障多发的状况。