风电场综合故障录波分析探讨

诸葛军，张全元，亢歆童

（1.特变电工新疆新能源股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2.湖北电力有限公司超高压公司，湖北 武汉 430050；3.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

由于环境污染的加剧和能源危机，世界各国都在环保问题上引起了高度重视，使风电技术得到了快速发展。我国在世界上庄严的提出了“碳达峰，碳中和”的承诺目标，使风电产业发展势头强劲，风电新增装机容量近几年稳居全球前列。由于快速发展也出现了不同程度的问题，新能源电站故障时有发生，如“224 事故”导致风电机组的大面积脱网事故等情况，已影响到电网的安全。传统故障录波器和继电保护故障录波很难采集到风机侧故障和箱变侧故障，缺少对风机及箱变的故障准确分析判断。风机故障波形读取未能开放，分析故障比较困难。低电压穿越和高电压穿越保护也在近几年电网技术改造要求下不断完善改进，减少风机对电网脱网引起电网大面积停电的风险。本文通过读取风机变流器故障波形分析箱变与风机保护综合性故障案例，分析了风机与箱变故障的逻辑关系及事故原因，提出了改进设计优化方案的研究探讨思路，推动风力发电技术进步。因此，对风力发电的技术进行研究具有重要意义。

1 风电项目基本情况

某100 MW 风力发电项目装机容量100 MW，安装40 台2.5 MW 风力发电机组。风电场升压站建设一台100 MVA 主变，建设一条110 kV 送出线路。风电机组接线采用一机一变单元接线方式，风机出口电压为0.69 kV 通过箱变升压至35 kV，经35 kV集电线路汇集至110 kV升压站，风电项目110 kV升压站接入上级220 kV汇集站。

2 风电箱变低压母排放电综合故障事件基本情况

2021年5月26日，某100 MW风力发电项目X#风机箱变低压侧断路器发生跳闸故障导致箱变无法投运事件。根据现场情况，2021年5月26日5:17，X#风机箱变低压铜母排存在尖端拉弧放电现象，电压下降引起风机低电压穿越保护动作，随后箱变低压断路器跳闸并报警。箱变低压断路器跳闸后造成风机侧电压升高导致风机变流柜网侧防雷器持续动作，使防雷器烧毁并伴有大量烟雾，触发柜内风机烟感报警，造成风机事故链动作停机。现场箱变低压配电室前门与侧门被短路电弧故障气流冲开，并报箱变低压室门开信号。

3 保护动作情况及信息分析

对箱变监控后台调取故障数据报文，通过多报文对比分析，确定报文显示主要信息2021年5月26日05:17:28，X#箱变低压检修门开信号，36 ms后显示X#箱变低压断路器故障信号，后台报文与现场检查情况吻合。由于箱变低压故障冲击气流将检修前门与侧门冲开，后续低压断路器跳闸。根据现场调出风机故障记录及故障波形分析，由于故障引起风机保护低电压穿越启动抬高电压及箱变低压断路器跳闸，此高电压持续触发风机配电柜内网侧防雷器动作并导致超出防雷器泄放能力过热烧坏，导致消防烟感器报警，风机事故链保护动作停机。备注：低电压穿越（LVRT），指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持低电压穿越并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）。LVRT是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保证不脱网连续运行625 ms的能力。风电场并网点电压在发生跌落后2 s 内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。当电网发生三相短路故障、两相短路故障或者单相接地短路故障引起并网点电压跌落时，风电场并网点各线电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不脱网连续运行；风电场并网点任意线电压低于或部分低于图中电压轮廓线时，场内风电机组允许从电网切出，如图1所示。

图1 风电场低压穿越曲线

4 风机侧故障波形分析

根据风机变流器网侧故障录波三相电压变化图形可知，05:17:18.469，发生箱变母排尖端放电时网侧C相电压波形发生变形并降低，如图2所示。

图2 箱式变压器放电电压波形图（C相）

由于C 相弧光放电导致周边空气绝缘下降出现A、B相放电电压发生变形并降低，如图3所示。

图3 箱式变压器放电电压波形图（A、B相）

由于风机正常发电直流侧电压波动，箱变低压母排三相弧光放电引起风机直流侧电压降低，23 ms后直流侧电压降低至直流额定电压的90%以下风机侧低电压穿越保护启动，低电压穿越后18 ms 抬高电压倍数1.38 倍，随之交流侧三相电压升高，此时箱变低压断路器跳闸，风机发电机形成孤岛运行电压升高，如图4所示。

图4 低电压穿越保护启动波形图

由于箱变低压断路器跳闸，风机发电机形成孤岛运行电压升高，交流电压升高造成风机侧防雷器泄压启动降低电压，如图5所示。

图5 风机侧直流电压及网侧交流电压波形图

风机发电机侧电压升高导致风机侧防雷器泄压持续启动，导致风机侧防雷器烧毁，并持续引起低压穿越启动，变流器抬升电压，随后防雷器烧毁并伴随大量烟雾导致柜内消防烟感器报警，风机事故链保护动作停机，如图6所示。

图6 风机侧直流电压及网侧交流电压故障波形图

5 故障原因分析

根据变流器故障录波图形数据、设备故障现场情况及箱变测控后台数据分析。由于箱变低压母排出现尖端对金属支架放电拉弧，箱变低压侧C 相电压降低，放电引起低压侧故障段母排周边空气绝缘降低，导致相间、相地拉弧放电，导致电压降低出现故障，引起风机低电压穿越保护投入，抬升系统电压造成变流器网侧防雷器持续动作泄压，随后箱变低压侧断路器跳闸，风机发电机形成孤岛运行进一步抬高风机发电侧电压，防雷器持续动作烧毁导致风机低电压穿越连续动作抬升电压，防雷器烧毁造成消防烟雾报警启动报警，导致风机事故链动作，风机保护停机。故障原因为箱变低压侧母排存在尖端部位，距离配电柜上下金属支架安装距离较近，导致拉弧放电引起此次一系列故障。

6 解决处理措施

根据现场故障情况，厂家对损坏的防雷器进行更换，并对风机系统进行全面检查，并出具了分析报告。箱变厂家对出现故障低压母排及二次线进行更换，对熏黑柜门及器件进行清洗，并出具分析报告。厂家对箱变进行7项试验均合格（电压比测量及联结组别标号检定、绕组直流电阻测量、绕组对地及绕组间绝缘电阻测量、外施耐压试验、电缆绝缘测试、断路器回路电阻、断路器开关特性试验），并出具试验报告后，箱变投运正常，风机正常投运发电。

7 结束语

综上所述，通过故障录波分析故障，能够较全面地分析故障发生的时间和逻辑关系，为风电技术改进提供可靠技术支撑，完善设备的设计与优化，为新能源技术发展奠定基础，使我国的风力发电技术逐渐成熟完善。对风力发电技术的不断研究和创新，使风力发电技术得到快速的改进和发展，我国的风力发电产业生态圈将会更加完善，为全球环境保护做出更大的贡献。