風電場匯集線繼電保護配置與整定

趙宇皓，張兵海，楊志強

(1.河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021;2.蔚縣新天風能有限公司，張家口 075000)

按照國家風電發展規劃，2015年我國風電規模將達到1億kW。隨著風機裝機容量的增加，風電場對電網運行的影響也越來越突出。風電場具有特殊的接線方式、運行方式和運行環境，研究風電場的保護配置與整定，對風電場的穩定運行及故障切除等方面具有重要意義[1-4]。根據某風電并網系統的保護定值計算實例，探討風電并網系統的保護配置及整定原則，給出了風電場匯集線路保護的配置方案及保護與低電壓穿越的配合關系。

1 系統概述

圖1所示為某風電場接線圖。風力發電機沿35 kV匯集線分布，風機出口電壓690 V，經過箱式變壓器升壓到35 kV，經匯集線T接入升壓變電站的35 kV母線，35 kV系統經接地變壓器小電阻接地，主變壓器容量100 MVA。風電場一期裝機49.5 kW，共33臺1 500 kW的雙反饋式風力發電機組，平均接入3回35 kV匯集線路，分別為331線路、332線路、333線路；二期裝機為49.3 MW，共33臺單機容量為1 500 kW的風力發電機組，平均接入2回35 kV匯集線路，分別為334線路、335線路。

圖1 某風電場接線示意

風電場內風機箱式變壓器一般采用高壓側角形、低壓側星形接線形式，高壓側出口采用電纜上塔接至架空線路，再經架空線路送至風電場升壓站。線路進站采用電纜，站外設置終端塔，從終端塔至35 kV 開關柜段由電纜進線。風機箱變壓器高壓側配置有隔離開關及熔斷器，低壓側配置有斷路器。當風機發生故障時，風機保護動作跳開低壓側斷路器，保證風機安全；當風機箱變壓器發生故障時，高壓側熔斷器熔斷，從而保證系統的穩定運行。

2 匯集線繼電保護配置

35 kV系統為中性點經低阻接地系統，GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程規程》[5]規定：中性點經低阻接地的單側電源線路裝設一段或兩段三相式電流保護，作為相間故障的主保護和后備保護；裝設一段或兩段零序電流保護，作為接地故障的主保護和后備保護。此外，DL/T 584-2007《3～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程規程》[6]規定：母線連接元件(含站用變壓器、電容器、電抗器、出線)應配置兩段零序電流保護、兩段相電流保護作為該元件的主保護和后備保護。以下主要對相間故障保護配置進行分析。

2.1 相間故障主保護

按照規程要求，在保護實際配置時，若配置兩段過流保護作為相間故障主保護和后備保護，則主保護只有一段，將面臨主保護無法兼顧選擇性和速動性的難題。

對于相間故障，需要配置有快速動作的主保護，且主保護要滿足線路末端故障有靈敏度，即主保護范圍為線路全長。由于匯集線沿線分布風力發電機，線路主保護范圍將延伸至線路近端的風機箱變壓器內部。

主保護動作時間可選擇2種方案：一是為滿足選擇性的要求，主保護動作延時為與箱式變壓器高壓側熔斷器時間配合，取延時Δt為0.3～0.5 s；二是滿足速動性的要求，采用無延時的速斷保護。方案一的問題在于，在匯集線出線近端發生相間故障時，故障電流值近似于35 kV母線相間短路電流，35 kV母線故障電壓遠低于20%的額定電壓，在這種嚴重故障下，保護的快速切除故障對負荷開關等電力設備壽命及整個風電場風機的不間斷運行有重要意義。在此情況下，應該按照35 kV母線短路故障處理，保護無延時切除故障。方案二的問題在于，當發生線路近端風機箱式變壓器內部故障時，線路主保護與風機箱式變壓器高壓側熔斷器無時間配合，由此帶來的結果是匯集線主保護可能先于箱式變壓器熔斷器動作，造成該線路跳閘和非故障風機脫網。

綜上所述，主保護配置一段電流保護無法兼顧快速性和選擇性的需求。因此，建議35 kV線路主保護應配置有過流速斷保護及延時電流速斷保護。其中，過流速斷保護在線路出線近端短路時無延時切除故障；延時電流速斷保護作為整條線路的主保護，保護范圍為線路全長，同時作為風機箱式變壓器的遠后備保護，設置短延時。

2.2 相間故障后備保護

規程[6]規定，“3～110 kV電網繼電保護一般采用遠后備方式，即在臨近故障點的斷路器處裝設的繼電保護或斷路器本身拒動時，應由電源側上一級斷路器處的繼電保護動作切除故障”。由于風電并網線路為雙側電源線路，需要考慮風機并網運行時的工況。在此情況下，其他并網線路作為該線路的上一級電源，應配置有一段長延時過流保護，作為該線路保護或斷路器拒動時的遠后備保護，同時作為主變壓器的遠后備保護，在主變壓器發生故障且低壓側保護或斷路器拒動時，切除故障。

文獻[3]提到，線路保護還要增設方向元件以提高保護靈敏度，但在實際整定中，長延時過流保護整定原則一般為躲過線路負荷電流，即使加裝方向元件，電流定值也不能小于線路負荷電流，而且方向元件使用中存在TV斷線閉鎖保護等情況，應用較為復雜，因此該算例中保護不配置方向元件。

3 保護整定與低電壓穿越校驗

35 kV風電系統采用中性點經低阻接地的接線形式，應按照低阻接地系統的電流保護整定原則進行整定。此外，根據國電電網調[2011]974號文件《風電并網運行反事故措施要點》要求，并網風電機組要求具備低電壓穿越能力，即在并網點電壓跌落的時候，能夠保持運行，直到電網恢復正常，從而穿越這個低電壓時間(區域)。為滿足風電機組低電壓穿越的要求，匯集線路保護定值整定需要與低電壓穿越的技術指標配合，因此，需要進行保護定值的低電壓穿越校驗。

3.1 保護整定

3.1.1 電流速斷保護

規程[6]規定，“應按躲過本線路末端最大三相短路電流整定”，以331線路為例，電流動作值整定為：

(1)

式中：Krel為可靠系數，取1.3；Ik.max為331線路末端最大三相短路電流；ηTA為TA變比。保護范圍：

(2)

保護靈敏度校驗。電流速斷保護應校驗被保護線路出口短路的靈敏系數，在常見運行大方式下，三相短路的靈敏系數不小于1時即可投運。電流動作值經校驗滿足靈敏度要求。

3.1.2 延時電流速斷保護

規程[6]要求，“電流定值應對本線路末端故障有規定的靈敏系數”，而且“20 km以下的線路不小于1.5”，該算例中，匯集線路長度均小于20 km，整定原則為：滿足線路末端最小運行方式下兩相短路有靈敏度，靈敏系數為1.5。電流動作值整定為：

(3)

3.1.3 長延時過流保護

規程[6]要求，“電流定值應與相鄰線路的延時段保護或過電流保護配合整定，同時，電流定值還應躲過最大負荷電流”，同時要求“對中低壓側接有并網小電源的變壓器，如變壓器小電源側的過電流保護不能在變壓器其他側母線故障時可靠切除故障，則應由小電源并網線的保護裝置切除故障”，據此，整定原則為躲風機正常運行時的線路負荷電流，并作為1號主變壓器的遠后備保護。電流動作值整定為：

(4)

式中：KK為可靠系數，取1.2；Kf為返回系數0.85～0.95，取0.9；IFH.max為本線路最大負荷電流。保護動作時間與1號主變壓器過流保護時間配合。

3.2 低電壓穿越校驗

3.2.1 低電壓穿越要求

圖2為對風電場的低電壓穿越要求。風電場并網點電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不間斷并網運行；并網點在圖中輪廓線以下時，場內風電機組允許從電網切出。

圖2 風電場低電壓穿越曲線

規定的風電場低電壓穿越要求:

a. 風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時，能夠保證不脫網連續運行625 ms的能力；

b. 風電場并網點電壓在發生跌落后2 s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行。

3.2.2 線路保護校驗原則

風電機組應在并網點電壓為20%額定電壓能夠持續625 ms不間斷運行，當某條線路故障點距離母線較遠時，故障過程中并網點電壓將大于20%額定電壓，從低電壓穿越曲線圖中可以看出，隨著并網點電壓的升高，風機允許運行時間Tg相應增加，在允許時間內切除故障，可維持其他非故障線路風機組的不間斷運行，若保護動作時間超過曲線允許時間Tg，則很可能造成其他非故障線路的風機大面積脫網。

從圖2中可以得出風機不間斷運行時Ug和Tg的關系式Ug=K1+K2Tg，其中，K2為曲線斜率，計算可得K2=0.51；K1為曲線與縱軸交點，計算得K1=-0.12。

Ug=0.51Tg-0.12

(5)

電流速斷保護不需要與其他保護配合，延時整定為0 s，即使考慮斷路器動作時間，也將遠小于625 ms，因此電流速斷保護不需要進行低電壓穿越校驗。

延時電流速斷保護由于考慮與其他保護的配合，動作時間可能取值較大，動作延時較長很可能造成不間斷允許時間內無法切除故障，造成非故障線路風機脫網，因此需要進行低電壓穿越校驗。在故障電壓在20%額定電壓時，保護動作時間越短，故障切除越迅速，越有利于風機的不間斷運行。

對長延時過流保護來說，由于延時較長，而且作為其他線路及設備的遠后備保護，當其動作時將切除非故障運行線路，可以不考慮與低電壓穿越的配合。

3.2.3 線路保護校驗實例

以該算例中331線路保護為例，校驗延時電流速斷保護，取線路電流速斷保護范圍處(73%線路長度)發生小方式下兩相短路，正序短路阻抗：

(6)

35 kV母線處最小電壓

(7)

將式(7)帶入式(5)，計算可得Tg=0.764 s。

為保證非故障線路風機的不間斷運行，331線路保護延時電流速斷保護最長切除時間不能超過764 ms，由于延時電流速斷保護延時為500 ms，因此，延時電流速斷保護滿足風機低電壓穿越要求。

同樣原理，應進行所有線路延時電流速斷保護的低電壓穿越校驗，以滿足低電壓穿越的要求。此外，在現場試驗時，應該實際測量保護動作時間和斷路器分閘時間，二者之和應滿足低電壓穿越對時間的要求。

4 結論

a. 根據風電并網匯集線保護整定計算，認為匯集線相間故障主保護配置一段電流保護無法兼顧保護選擇性和速動性，35 kV匯集線路相間故障保護應配置有過流速斷保護、延時電流速斷保護和長延時過流保護。

b. 匯集線保護整定應滿足風電場低電壓穿越的要求。

參考文獻：

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[4] 王承熙,張 源.風力發電[M].北京:中國電力出版社，2002．

[5] GB/T 14285-2006，繼電保護和安全自動裝置技術規程[S].

[6] DL/T 584-2007，3 kV～110 kV電網繼電保護裝置運行整定規程[S].