風(fēng)電小電流接地保護(hù)對(duì)比分析

徐明宇，王 冰，孫立鵬，武國(guó)良，穆興華，于海洋，邵靜涵

(1．黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030;2．哈爾濱智能熱電設(shè)計(jì)院，哈爾濱 150090;3．大慶油田電力工程公司，黑龍江 大慶 163453)

風(fēng)電在環(huán)境保護(hù)、整體能源利用、節(jié)能減排效率上是傳統(tǒng)能源不可比擬的。而且，風(fēng)電在風(fēng)力資源豐富的山區(qū)或島嶼上的特殊應(yīng)用，能夠延緩建設(shè)集中輸配電系統(tǒng)，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和供電可靠性。風(fēng)電場(chǎng)集電線路一般采用電纜敷設(shè)或架空線加電纜方式，大量電纜的使用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生接地故障，增大容性電流，若容性電流得不到及時(shí)控制，容易造成事故擴(kuò)大。因此風(fēng)電場(chǎng)接地方式的選擇以及保護(hù)的配置顯得尤為重要［1－6］。本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)集電線路的事故情況，結(jié)合大規(guī)模風(fēng)電及其接線特點(diǎn)和繼電保護(hù)配置，分析了三種不同接地方式(不接地、經(jīng)消弧線圈接地、小電阻接地)應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)匯集系統(tǒng)時(shí)四種保護(hù)裝置的性能，并對(duì)四種保護(hù)裝置的動(dòng)作特性進(jìn)行了比較研究。

1 研究思路

本文利用仿真軟件進(jìn)行故障模擬仿真，并對(duì)相應(yīng)保護(hù)裝置進(jìn)行故障測(cè)試，對(duì)比分析各保護(hù)裝置的性能。

1．1 仿真依據(jù)

本文以黑龍江省某風(fēng)電場(chǎng)為研究對(duì)象。該風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備參數(shù)如表1、表2所示。

表1 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)參數(shù)Tab．1 Fan parameters in wind field

該風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量197．2 MW，安裝39臺(tái)單機(jī)容量850 kW的維斯塔斯風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，193臺(tái)單機(jī)容量850 kW的歌美颯風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。場(chǎng)內(nèi)集電線路共分為16回，其中8回以架空線路形式接入場(chǎng)內(nèi)220 kV升壓變電站的35 kVⅠ段母線，另外8回以架空與電纜相結(jié)合的配網(wǎng)線路形式接入場(chǎng)內(nèi)220 kV升壓變電站的35 kVⅡ段母線。風(fēng)電電力經(jīng)220 kV升壓站統(tǒng)一送出。

表2 風(fēng)電場(chǎng)集電線路、箱式變壓器參數(shù)Tab．2 Integrated circuit，box type transformer parameters in wind farms

1．2 仿真模型

本文基于ADPSS仿真系統(tǒng)搭建了仿真模型。該模型是由中國(guó)電科院研發(fā)的基于高性能PC機(jī)群的全數(shù)字仿真系統(tǒng)。該仿真系統(tǒng)利用機(jī)群的多節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和高速本地通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模復(fù)雜交直流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)和電磁暫態(tài)的實(shí)時(shí)和超實(shí)時(shí)仿真以及外接物理裝置試驗(yàn)。ADPSS仿真系統(tǒng)與物理接口箱、功率放大器連接后，能夠?qū)⒎抡嫠M出的實(shí)時(shí)電流、電壓直接輸入到待檢裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)待檢裝置的動(dòng)態(tài)檢測(cè)。

仿真模型主要根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)圖紙、說(shuō)明書、接入報(bào)告等資料進(jìn)行搭建。依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)基本信息，利用ADPSS無(wú)窮大電壓源來(lái)進(jìn)行等值，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型如圖1所示。

2 試驗(yàn)分析

2．1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)主要針對(duì)以下裝置的零序保護(hù)、接地選線功能進(jìn)行測(cè)試。

1)某廠數(shù)字式線路保護(hù)測(cè)控裝置。特點(diǎn):該裝置用于系統(tǒng)為小電阻接地方式時(shí)，零序保護(hù)能夠正常使用，動(dòng)作區(qū)為120°～240°(電流超前電壓);用于不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)時(shí)，該裝置只能使用選線功能，而且需要配合后臺(tái)使用。

2)某廠微機(jī)小電流接地選線裝置。其特點(diǎn):該裝置在原理上利用了“S注入法”的主要特征以及小電流系統(tǒng)單相接地的穩(wěn)態(tài)相量、暫態(tài)量;采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，解決了微弱信號(hào)提取;構(gòu)成了一種自適應(yīng)綜合選線方法;該裝置能夠單獨(dú)使用，不需要后臺(tái)。

3)某廠微機(jī)線路保護(hù)測(cè)控裝置。特點(diǎn):該裝置用于系統(tǒng)為小電阻接地方式時(shí)，零序保護(hù)動(dòng)作區(qū)為－60°～－210°(電壓超前電流);用于不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)中，零序保護(hù)動(dòng)作區(qū)為15°～165°(電壓超前電流);該裝置選線功能需要配合后臺(tái)使用。

4)某廠保護(hù)測(cè)控裝置。特點(diǎn):該裝置零序保護(hù)只判斷電流大小，不判斷方向;該裝置選線功能需要配合后臺(tái)使用。

2．2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

試驗(yàn)分析只對(duì)9號(hào)、10號(hào)、14號(hào)機(jī)群線。由于試驗(yàn)的主要目的是針對(duì)不同保護(hù)裝置的性能比較，因此，為了簡(jiǎn)單起見，試驗(yàn)故障情況只考慮機(jī)群線U相0%處金屬性永久接地。假設(shè)零序保護(hù)裝置安裝在9號(hào)機(jī)群線，接地選線裝置針對(duì)的是9號(hào)、10號(hào)、14號(hào)機(jī)群線。

試驗(yàn)分為以下工況:

1)35 kV為不接地系統(tǒng)情況下9號(hào)機(jī)群線0%處金屬性永久接地故障、10號(hào)機(jī)群線0%處金屬性永久接地故障、35 kV母線金屬性永久接地故障。

2)35 kV為經(jīng)消弧線圈(8H)接地系統(tǒng)情況下9號(hào)機(jī)群線0%處金屬性永久接地故障、10號(hào)機(jī)群線0%處金屬性永久接地故障、35 kV母線金屬性永久接地故障。

3)35 kV為經(jīng)小電阻(66 Ω)接地系統(tǒng)情況下9號(hào)機(jī)群線0%處金屬性永久接地故障、10號(hào)機(jī)群線0%處金屬性永久接地故障、35 kV母線金屬性永久接地故障。

試驗(yàn)錄波曲線如圖2—圖4所示。圖中UU、UV、UW為35 kV三相母線電壓，UL為母線零序電壓，IU、IV、IW分別為9 號(hào)、10 號(hào)、14 號(hào)機(jī)群線零序電流。其中35 kV母線的PT變比為35 kV/100 V，機(jī)群線零序電流采用三相電流相量和的方式，CT變比為300 A/5 A。

故障瞬間母線零序電壓超前各機(jī)群線零序電流角度如表3所示。

圖2 9號(hào)機(jī)群線0%處U相金屬性永久接地故障錄波圖Fig．2 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph at No．9 cluster line 0%site

試驗(yàn)時(shí)各裝置的動(dòng)作情況如表4所示。注意零序保護(hù)裝置僅安裝在9號(hào)機(jī)群線，接地選線裝置針對(duì)的是9號(hào)、10號(hào)、14號(hào)3條機(jī)群線。

2．3 動(dòng)作分析及結(jié)論

1)數(shù)字式線路保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置零序保護(hù)在小電阻接地系統(tǒng)中，動(dòng)作方向正確，沒有誤動(dòng)情況。但在不接地及消弧線圈接地系統(tǒng)中，只能選用選線功能，但此功能需要監(jiān)控后臺(tái)的支持，不能單裝置使用。

圖3 10號(hào)機(jī)群線0%處U相金屬性永久接地故障錄波圖Fig．3 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph at No．10 cluster line 0%site

圖4 35 kV母線U相金屬性永久接地故障錄波圖Fig.4 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph on 35 kV bus

表3 故障時(shí)母線零序電壓超前零序電流角度Tab．3 Zero sequence voltage of bus ahead of zero sequence current angle in fault (°)

表4 裝置動(dòng)作情況Tab．4 Device action situation

2)微機(jī)線路保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置零序保護(hù)能靈活用于不接地、經(jīng)消弧線圈接地、經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中。另外，該裝置同樣具備選線功能，但此功能同樣需要監(jiān)控后臺(tái)的支持，不能單裝置使用。在不接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)中，該裝置動(dòng)作正確。在消弧線圈接地系統(tǒng)中，零序方向沒有落入動(dòng)作區(qū)，裝置沒有動(dòng)作。該裝置在消弧線圈接地系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)存在零序方向動(dòng)作區(qū)域不準(zhǔn)確的問題。

3)線路保護(hù)測(cè)控裝置。該裝置零序保護(hù)沒有方向閉鎖，無(wú)論正向還是反向故障都會(huì)引起動(dòng)作。

4)微機(jī)小電流接地選線裝置。該裝置性能優(yōu)良，無(wú)論在不接地系統(tǒng)，還是消弧線圈接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障，在其保護(hù)范圍內(nèi)都能正確選線。但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該裝置在系統(tǒng)電壓偏移較大、35 kV母線空載、CT飽和的情況下，存在拒動(dòng)或者選線不正確的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過基于ADPSS仿真系統(tǒng)搭建的仿真模型對(duì)四種裝置的零序保護(hù)、接地選線功能進(jìn)行仿真測(cè)試得知，風(fēng)電場(chǎng)集電線路保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠避免發(fā)生風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng)，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及風(fēng)電場(chǎng)獲取更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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