一起由小动物爬塔引起的风电场集电线路跳闸事件的分析

孙虹凯 康海渊 张建军 王是琦

关键词：小动物爬塔;集电线路跳闸;解决措施;零序保护

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现代大型风电场基本建设在西北、华北戈壁滩上、或此类地区非自然保护区的大山上，面对大面积、长线路、分散式等特征，风电场管理无法做到集中式（围墙式）统一管理，大型风电场集电线路总长度可达上百公里，甚至更长。常规35kV集电线路接风机箱变的杆塔，在杆塔底部距上约4米左右的位置安装跌落平台支架，平台上面安设避雷器、保险、计数器等设备，此位置电力传输向上通过引流线接至集电线路导线，向下通过电缆接风机箱变。35kV集电线路的跌落开关相间间距、相对地距离大约600～800mm。小动物在平台位置处活动，极易引起相间短路或者相对地短路造成集电线路跳闸。本文研究一起风电场跳闸事件，重点对零序保护作以研究，有助于风电场运行人员提高排查接地故障的能力。

1 事件概况

1.1风场概况

宁夏中卫某山地风电场，总装机容量120MW。风机48台，单机容量2.5MW;110kV主变1台，容量120MW;35kV集电线路（#1至#5进线）5条，5条线路总长约46km，分别接引12、11、8、8、9台风机。风机发电机为双馈异步发电机，出口交流电压690V，电能送出路线为风机出口→2.75MW的油浸式箱变→架空集电线路跌落平台→集电线路导线→升压站35kV开关柜。风电场整体电能通过单回110kV送出线路外送，2020年12月风电场正式并网发电。

1.2 故障前运行方式及出力情况

110kV送出线路运行正常，110kV #1主变运行正常，35kV I 段母线运行正常，35kV #1 接地变运行正常，35kV #1站用变运行正常，35kV #1 SVG无功补偿装置运行正常，35kV #1至#5进线全部运行正常。事故前全场出力33.58MW，35kV I段母线电压Uab：34.96kV，Ubc：34.93kV，Uca：34.97kV。35kV #1 进线电流（一次值）Ia：100A，Ib：99.02A，Ic：100.72A。

1.3 故障后出力情况及损失出力

故障后全场总出力27.51MW，除#1进线退出运行外，其他设备正常运行。35kV I 段母线电压Uab：34.76kV，Ubc：34.68kV，Uca：35.08kV。35kV #1进线电流Ia：0A，Ib：0A，Ic：0A。全站损失出力：6.07MW，停运风力发电机组12 台，总计损失并网容量30MW。

2 事件经过

2.1 事件报文

2021年01月22日4时0分，风电场 #1 进线PCS-9611C线路保护零序过流I 段动作，保护装置启动出口，#1 进线35kV开关跳闸。零序动作电流3.22A，整组启动到动作出口延时241ms，动作报文见图1。

开关动作后，运行人员立即向调度联系，接受调度指令，#1进线转检修。同时安排两组人员排查故障原因，一组人员前往#1进线对绝缘子、跌落开关、电缆等重点部位全线排查，另一组人员检查#1进线开关柜保护装置报文和继保室故障录波器录播信息，调取故障录波器信息显示：

（1）故障發生前35kV母线电压波形正常，发生故障瞬间B、C相电压（以下均为二次值）分别升高到86V、82V，A相电压迅速降低至18V，产生零序电压68V，见图2。

（2）故障发生前#1进线A、B、C 三相电流均在0.83A上下，发生故障瞬间，出现0.82A自产零序电流，最终跳闸出口时，#1进线PCS-9611C保护装置显示外接零序动作电流值3.22A，自产零序动作电流值1.028A。

#1 进线的PCS-9611C保护装置采用外接零序电流，零序电流I 段整定值为2.5A，结合故障录波图，初步判断#1进线A相发生单相接地故障。A相电压明显被拉低，A相电流没有明显增大趋势，初步认为是非金属接地故障，零序过流I 段保护正确动作，断开#1进线开关。查看系统其他电压电流波形及综自监控主机发电信息，显示其他设备运行正常。

随后第一组人员在巡视到#1进线接4号风机的集电线路杆塔时，发现该杆塔跌落开关正下方地面上有一只皮毛发焦的黄鼠狼。在做好安全措施后，人员登塔检查，检查发现A相跌落开关上触头处以及A相跌落开关与跌落平台支架连接的钢材处均有明显的放电痕迹，且跌落开关上触头位置和支架钢材位置均有动物皮毛残留，分析认为黄鼠狼身体接通了A相跌落开关上触头和跌落平台支架，导致A相对杆塔（地）放电，在放电一瞬间黄鼠狼皮毛粘留在了金属部位。运行人员根据现场发现的情况和保护装置反映出来的数据综合分析，认定此次事件为小动物爬塔导致的相线对地放电的非金属性接地跳闸事件。

2.3事件解决措施

在详细分析事故原因后，并向周边其他风电场了解到该地区时有小动物爬塔事件发生，为吸取经验教训，防患于未然。该风电场果断采取措施，采用塔腿加装防爬刺的措施用以防止小动物爬塔跳闸事件再次发生。组织职工利用1周时间，在接风机箱变电缆的48基集电线路杆塔的四个塔腿根部及电缆套管上加装防爬刺，安装后效果见图3。在对接地故障的跌落开关修复后、#1进线绝缘测试后，并向调度汇报申请后，#1进线及时恢复了供电。

3 技术分析

通过该风电场的这一事件，对小动物爬塔防范措施，零序电流产生以及故障情况分析我们作一引申。

3.1 线路跳闸常见外界因素及防范措施

非自身原因导致的架空线路跳闸因素有很多，例如鸟类排泄物逐渐的附着在绝缘子上导致绝缘子爬电接地，鸟类在杆塔上搭窝时带入的铝丝、铁丝等导电杂物掉落在绝缘子上导致的金属接触跳闸，大风天气轻薄异物挂接在塔身上造成的跳闸，再一主要因素就是本文中提到的小动物爬塔导致的跳闸。

针对鸟类排泄物、鸟窝内异物及大风天气异物等防范措施，主要还是以加强巡检为主，及时的清除塔身上的鸟窝，及时对沿线周边的轻薄异物（如地膜、塑料袋）进行清理。针对小动物爬塔基本有两种方案，一是采用本文提到的塔腿处加装防爬刺方案，二是可以在4个塔腿形成的距地1～2m的断面处加装网罩，网罩在塔腿断面处向内向外以向下倾斜的方式延展铺设，在该位置形成一道爬塔屏障。

3.2关于零序电流的介绍及分析

3.2.1零序电流的概念根据三相电路数学分析，一个三相平衡稳定运行的三相电路，三相电流的瞬时值表达式为：

ia=IA sinωt

ib=IB sin（ωt-120）°

ic=Ic sin（ωt+120）°

三相电流以相角相差120°的情况以正弦波形式运行，以向量形式做图，见图4。

3.2.2零序电流的重要知识点

（1）当三相电路不平衡或单相运行则产生零序电流，也就是单相接地，或者两相短路接地的情况下会产生零序电流。

（2）中性点直接接地发生单相接地故障时，接地短路电流很大，此系统称之为大电流接地系统。当中性点通过消弧线圈或接地变接地，发生接地故障时，接地故障电流偏小[1]。

（3）接地短路点离保护安装处越近，则零序电流越大，反之短路点越远，流过保护装置的零序电流越小。

（4）零序电流保护只能用来保护接地短路故障，对于两相不接地的短路和三相短路不能起到保护作用。

（5）零序电流大小与接地故障类型有关，与正、负序阻抗都有关系。

（6）零序电流可以带方向闭锁，用以保证选择性和灵敏性。系统各元件零序阻抗角为80°的情况下，正方向动作继电器方程为，指的是保护安装处的零序电压，正方向以母线为正，中性点电位为负;指的是保护安装处的零序电流，正方向以母线指向被保护线路[2]。

3.2.3风电场零序电流的分析

选取该风电场接地故障某一时刻的故障录播电流值做以分析，故障至跳闸之间的某一时刻电流值（二次值）A相0.371A∠304°，B相0.819A∠111°，C相0.834A∠354°，运用向量的方式计算，以图4正序平衡向量A相的顶端为起始0°，以逆时针方向为正向角度绘图，按各自角度旋转，得到图6，图示C相电流在起始点顺时针方向的6°位置。按本文上述介绍的零序电流的计算准则和计算方法，绘制得到图7，根据计算得到=0.82A∠27°，通过与故障录波显示的此时刻的示数的对比，人工计算的数值角度基本与故障录播装置计算的数值一致。

该风电场零序保护采用的是外接零序电流互感器保护功能，未采用自产零序保护。当故障某一时刻保护装置采集的3I0电流值超过了定值2.5A（跳闸时刻显示外接零序二次值达到3.22A），时间超过了0.2s（跳闸时刻显示延时为0.24s），驱动零序电流保护启动。对此零序方向问题选取某一故障时刻零序电压电流数值进行分析，某一故障时刻的零序电压71.80V∠238°，零序电流0.827A∠27°，两者在向量域比较，零序电压超前零序电流角度为-149°，在-190°和-10°之间，满足方向继电器的原理，零序故障为正方向（线路侧故障）。而带方向的零序電流保护多用于110kV及以上中性点直接接地的大电流接地系统中，本文不再赘述方向保护的原理。

3.2.4 零流在调试中的注意事项

高压开关柜电缆接入时常受电缆本身设计的影响，有时设计选取的三芯电缆很粗，很难从零序电流互感器中穿过，有时设计选取的是三根单芯电缆，更加难以穿心。所以选择性放弃电缆穿芯的接入，继而采用保护装置自产零序保护功能。这样在调试过程中，调试人员须做好自产零序的调试工作，一是计算定值必须以自产的二次值去计算;二是在定值校验过程中，要对各种接地情况下产生的零序值进行校验，并核实定值控制字，零序保护控制字必须选取自产零序。

如果选用外接零序保护功能而没有接入外接零序电流互感器，则会导致线路发生接地故障时，线路本体保护装置零序保护拒动，很容易使故障量和故障时限达到其他保护装置的动作定值（例如接地变保护装置定值），从而引发越级跳闸，造成更大的损失。

4 结束语

综上所述可知，防范接地故障零序跳闸事件还是有很多方式方法的，结合线路的防范措施，我们在站区内也应加强对于小动物防范措施的落实，例如加强地沟孔洞的封堵，在室内出入口加装防小动物隔板，在角落处设置鼠药盒等[3]。同时各风电场应加强运行检修人员关于电气设备和继电保护等理论知识的学习，掌握基本的电气一二次知识，熟悉正弦波、向量、角度等概念，能够熟练绘制正序、负序、零序向量图，懂得基本参数量的计算。善于运用理论指导运行维修工作，这样当发生故障时就能够从容的解决处理。

參考文献

[1]束洪春，高钰莹，董俊，安娜，等. 一种风电场集电线路故障区段与故障分支识别方法[P]. 云南省：CN112083284B，2021-10-12.

[2]国家电力调度通信中心.国家电网公司继电保护培训教材[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]杜力.一起小动物引发的变电站主变多重故障分析[J]. 农村电气化，2020（2）：32-34）.