风电场电气设备继电保护配置及定值整定计算

内蒙古龙源蒙东新能源有限公司 张 锐

电力系统在运行中可能会发生各种故障和不正常的运行状态，并网风电场最常见故障是各种短路故障，当发生短路故障时短路电流的热效应和机械效应可能直接导致设备损坏，更严重的后果会破坏系统运行的稳定性引起系统振荡，甚至造成系统瓦解，因此就需保护装置能准确可靠快速地切除故障点。风电场涉及到保护配置和整定计算的电气设备主要包括主变压器、母线、无功补偿装置、输电线路、站用变、接地变、箱变和风电机组。

1 风电场继电保护配置

大型风电场继电保护配置图1。

图1 大型风电场继电保护配置图

风电机组网侧断路器是风电机组的主保护，配置如下：长延时保护。长延时保护动作电流需大于风电机组的额定电流，动作时间应躲过允许短时过负荷的持续时间；短延时保护。短延时保护动作电流值应大于风电机组低穿故障稳态电流，短延时动作时间应比后一级保护的动作时间长一个时间级差[1]；瞬时速断保护。瞬时速断保护动作电流值应躲过尖峰电流。实测数据表明，双馈风机正常低穿动作情况下，流经断路器的短时故障电流不大于4倍额定电流左右；接地保护。主要考虑在出现最大不平衡电流时可靠不动作，但是发生接地故障时要可靠动作。

箱变低压侧断路器应配置长延时保护、短延时保护、瞬时速断保护及接地保护。保护范围是从风机侧断路器到箱变低压侧线路，同时也兼具风机侧断路器后备保护功能；线路保护配置：汇集线路应在母线侧配置一套线路保护，保护配置过流I 段、过流II 段、过流III 段、过负荷、零序I 段、零序II段。对于相间短路，应配置阶段式过电流保护（过流I 段、过流II 段、过流III 段）；中性点经低电阻接地系统，配置反应单相接地短路的两段式零序电流保护（零序I 段、零序II 段）。

母线保护配置。母线是电能集中和分配的重要电气设备，母线上电压互感器、电流互感器、隔离开关、断路器、避雷器等设备故障均需母线保护装置切除。母线保护应具有差动保护、分段充电过电流保护、分段死区保护、TA 断线判别、抗TA 饱和、TV 断线判别和复压闭锁等功能。

电容器保护配置。电容器应配置电流速断和过流保护，作为电容器组和断路器之间连接线相间短路保护：过电压保护和低电压保护。线电压过高或过低时，电压元件带时限的保护动作于跳闸；零序电流保护。对于低电阻接地系统中，作为接地故障主保护和后备保护；配置中性点不平衡电流、开口三角电压、桥式差电流或相电压差动等不平衡保护，作为电容器内部故障保护。

主变压器保护配置。220kV 及以上电压等级变压器按双重化原则配置主、后备一体的电气量保护，同时配置一套非电量保护。110kV 电压等级变压器配置主、后备一体的双套电气量保护或主、后备独立的单套电气量保护，同时配置一套非电量保护；电气量保护：差动保护、过流保护、零序保护、过负荷保护；非电量保护：重瓦斯、轻瓦斯保护，油温保护，压力释放保护，压力突变保护。

站用变保护配置。对于风电场而言，站用变容量一般都小于10MVA，应配置电流速断保护和过流保护。针对低电阻接地系统，高压侧还应配置两段式零序电流保护作为接地故障主保护和后备保护；接地变保护配置。接地变应配置电流速断保护、过电流保护作为内部相间故障的主保护和后备保护。配置两段式零序电流保护作为接地变压器单相接地故障的主保护和系统各元件单相接地故障的总后备保护。

2 风电场继电保护定值整定计算

2.1 风机网侧、箱变低压侧断路器整定计算

风机额定电流为In 时，风机网侧断路器定值与时间分别为：长延时保护1.2In/10～30s；短延时保护2.0～3.0In/0.1～0.3s；瞬时速断保护4.0～5.0In/0s；接地保护0.4～0.8In/0.4～0.8s。箱变低压侧断路器定值为分别为：长延时保护1.2In/10～30s，比风机网侧断路器延时1.0～2.0s；短延时保护2.0～3.0In/0.1～0.3s，比风机网侧断路器延时0.1～0.2s；瞬时速断保护4.0～5.0In/0s；接地保护0.4～0.8In/0.4～0.8s，比风机网侧断路器延时0.1～0.2s。

2.2 汇集线路保护定值整定计算

过流I 段：整定时间0s，按躲过本线路箱变低压侧最大三相短路电流整定：IDZ＞Krel×+Imax(Krel=1.3)，按保证线路末端相间短路有足够灵敏度整定，灵敏系数取1.5。按躲过励磁涌流整定，线路接入箱变台数乘以7～10倍的额定电流；过流II 段：整定时间0.3s。按可靠躲开最大负荷电流整定，可靠系数取1.2，返回系数取0.95；过流III 段：整定时间0.6s。保证线路最远箱变低压侧相间短路有足够灵敏度整定，灵敏系数取1.5。

过负荷：整定时间6s。按可靠躲开最大负荷电流整定，可靠系数取1.05，返回系数取0.95；零序I段：整定时间0s。线路末端单相接地故障由足够灵敏度整定IDZ=(3I0接地变+3I0线路)/Ksen(Ksen=2)；零序II段：整定时间0.3s。按可靠躲开本线路电容电流整定IDZ＞Krel×Ic(Krel=1.5)。

2.3 母线保护定值整定计算

母线选择元件定值：按躲过主变低压侧二次回路断线时由负荷电流引起的差电流整定IHcd＞1.1×Ikmax（Ikmax为母线上任一元件最大负荷电流）；TA 断线电流定值：按躲过最大不平衡电流，一般整定为CT 额定电流的0.05～0.1倍；TA 异常电流定值：按躲过正常运行实测最大不平衡电流，一般整定为CT 额定电流的0.02～0.1倍。

2.4 电容器保护定值整定计算

过流I 段：整定时间0s。按电容器端部引线故障有灵敏度整定，一般取3～5倍额定电流IDZ＜Ikim/Ksen,IDZ=n×IN（Ksen≥2,n=3～5）；过流II 段：整定时间0.3s。按可靠躲电容器额定电流整定，一般取1.5～2倍额定电流；过电压保护：按照1.3倍电容器额定电压整定，整定时间30s；低电压保护：按照电容器所接母线失压后可靠动作整定，一般取0.2～0.5倍额定电压，整定时间0.6s；防止TV 断线保护误动：经电流闭锁，按0.5～0.8倍额定电流整定，整定时间0.6s。

零序I 段：整定时间0.2s。按电容器端部引线单相接地故障有灵敏度整定IDZ=(3I0接地变+3I0线路)/Ksen(Ksen≥2)零序II 段：整定时间0.3s。按照可靠躲正常运行时出现的零序电流整定IDZ=(3I0接地变+3I0线路)/Ksen(Ksen=4)。

2.5 主变压器保护定值整定计算

差动启动电流Iop.min=（0.3～0.6）Ie,一般工程宜采用不小于0.3Ie 的整定值。差动速断定值：按躲过变压器可能产生的最大励磁涌流或外部短路最大不平衡电流整定，Iop=K×Ie，Ie 为变压器的额定电流、K 为正值系数，推荐值如下：6300kVA 及以下7～12，6300～31500kVA4.5～7，40000～120000kVA3～6，120000kVA 及以上2～5；复压闭锁相间低电压Uop=（0.6～0.7）Un，复压闭锁负序相电压Uop.2=（0.06～0.08）Un。

低后备：复压闭锁过流I 段。整定时间与低压侧出线过流I 段配合，按变压器低压侧汇集线路末端相间故障有足够灵敏度整定，灵敏系数取1.5，IDZ＜Ikim/Ksen，按可靠躲过负荷电流整定IDZ＞Irel/Kre×IN（Krel=1.2;Kre=0.95）；复压闭锁过流II 段：整定时间与低压侧出线过流II 段配合。按变压器低压侧各35kV 集电线路末端相间故障有较高灵敏度整定，灵敏系数取2。按可靠躲过负荷电流整定，可靠系数取1.2，返回系数取0.95。

高后备：复压闭锁过流I 段。整定时间与低压侧复压过流时间配合，按低压侧母线故障有灵敏度整定，灵敏系数取1.5。按可靠躲过负荷电流整定，可靠系数取1.3，返回系数取0.95。按与主变低压侧过流保护定值配合整定，大于1.1倍的低压侧过流I 段定值；过负荷报警：整定时间与变压器允许的过负荷时间相配合，IDZ=Krel/Kre×IN（Krel=1.05;Kre=0.85～0.95）；零序保护：零序保护整定值根据调度下发定值设置。

2.6 站用变保护定值整定计算

过流I 段：整定时间0；按高压侧引线故障有灵敏度整定，灵敏系数取2；按躲过站用变低压侧母线最大三相短路电流整定，可靠系数取1.2，返回系数取0.95；按躲过励磁涌流整定，大于7～10倍的额定电流；过流II 段：整定时间0.3s。按站用变低压侧故障有灵敏度并可靠躲负荷电流整定IDZ＜Ikim/Ksen，IDZ＞Krel/Kre×IN（Ksen=1.5;Krel=1.2;Kre=0.95）；零序I 段：整定时间0s。按对站用变高压侧单相接地故障有灵敏度整定IDZ=(3I0接地变+3I0线路/ Ksen（Ksen≥2）；零序II 段：整定时间0.3s。按可靠躲开正常零序电流整定IDZ=(3I0接地变+3I0线路/ Ksen（Ksen=4）。

2.7 接地变保护定值整定计算

过流I 段：整定时间0s。按保证接地变电源侧在小方式下相间短路时有足够灵敏度整定，灵敏系数取2。按躲过励磁涌流整定，大于7～10倍的额定电流；过流II 段：整定时间0.3s。按可靠躲额定电流整定，可靠系数取1.2，返回系数取0.95；零序I段：整定时间0.6s。按单相接地故障有灵敏度整定IDZ=3I0线路/ Ksen（Ksen=2）；零序II 段：整定时间0.9s。按可靠躲过线路的电容电流整定IDZ=Krel× 3I0线路(Krel=1.5)。

综上，对并网风电场电气设备继电保护配置及定值整定计算分析的目的，就是要保证装置整定满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，当出现故障时能够准确、可靠、快速地切除故障，保证风电场电气设备安全稳定运行。