風電小電流接地保護對比分析

徐明宇，王 冰，孫立鵬，武國良，穆興華，于海洋，邵靜涵

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

風電在環境保護、整體能源利用、節能減排效率上是傳統能源不可比擬的。而且，風電在風力資源豐富的山區或島嶼上的特殊應用，能夠延緩建設集中輸配電系統，提高電網運行經濟性和供電可靠性。風電場集電線路一般采用電纜敷設或架空線加電纜方式，大量電纜的使用會導致系統發生接地故障，增大容性電流，若容性電流得不到及時控制，容易造成事故擴大。因此風電場接地方式的選擇以及保護的配置顯得尤為重要［1－6］。本文針對風電場集電線路的事故情況，結合大規模風電及其接線特點和繼電保護配置，分析了三種不同接地方式(不接地、經消弧線圈接地、小電阻接地)應用于風電場匯集系統時四種保護裝置的性能，并對四種保護裝置的動作特性進行了比較研究。

1 研究思路

本文利用仿真軟件進行故障模擬仿真，并對相應保護裝置進行故障測試，對比分析各保護裝置的性能。

1．1 仿真依據

本文以黑龍江省某風電場為研究對象。該風電場主要設備參數如表1、表2所示。

表1 風電場風機參數Tab．1 Fan parameters in wind field

該風電場總裝機容量197．2 MW，安裝39臺單機容量850 kW的維斯塔斯風力發電機組，193臺單機容量850 kW的歌美颯風力發電機組。場內集電線路共分為16回，其中8回以架空線路形式接入場內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合的配網線路形式接入場內220 kV升壓變電站的35 kVⅡ段母線。風電電力經220 kV升壓站統一送出。

表2 風電場集電線路、箱式變壓器參數Tab．2 Integrated circuit，box type transformer parameters in wind farms

1．2 仿真模型

本文基于ADPSS仿真系統搭建了仿真模型。該模型是由中國電科院研發的基于高性能PC機群的全數字仿真系統。該仿真系統利用機群的多節點結構和高速本地通信網絡，實現了大規模復雜交直流電力系統機電暫態和電磁暫態的實時和超實時仿真以及外接物理裝置試驗。ADPSS仿真系統與物理接口箱、功率放大器連接后，能夠將仿真所模擬出的實時電流、電壓直接輸入到待檢裝置，實現對待檢裝置的動態檢測。

仿真模型主要根據風電場圖紙、說明書、接入報告等資料進行搭建。依據風電場基本信息，利用ADPSS無窮大電壓源來進行等值，對系統進行建模，模型如圖1所示。

2 試驗分析

2．1 試驗對象

試驗主要針對以下裝置的零序保護、接地選線功能進行測試。

1)某廠數字式線路保護測控裝置。特點:該裝置用于系統為小電阻接地方式時，零序保護能夠正常使用，動作區為120°～240°(電流超前電壓);用于不接地及消弧線圈接地系統時，該裝置只能使用選線功能，而且需要配合后臺使用。

2)某廠微機小電流接地選線裝置。其特點: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單相接地的穩態相量、暫態量;采用了先進的數字信號處理技術，解決了微弱信號提取;構成了一種自適應綜合選線方法;該裝置能夠單獨使用，不需要后臺。

3)某廠微機線路保護測控裝置。特點:該裝置用于系統為小電阻接地方式時，零序保護動作區為－60°～－210°(電壓超前電流);用于不接地及消弧線圈接地系統中，零序保護動作區為15°～165°(電壓超前電流);該裝置選線功能需要配合后臺使用。

4)某廠保護測控裝置。特點:該裝置零序保護只判斷電流大小，不判斷方向;該裝置選線功能需要配合后臺使用。

2．2 試驗方法及數據

試驗分析只對9號、10號、14號機群線。由于試驗的主要目的是針對不同保護裝置的性能比較，因此，為了簡單起見，試驗故障情況只考慮機群線U相0%處金屬性永久接地。假設零序保護裝置安裝在9號機群線，接地選線裝置針對的是9號、10號、14號機群線。

試驗分為以下工況:

1)35 kV為不接地系統情況下9號機群線0%處金屬性永久接地故障、10號機群線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為經消弧線圈(8H)接地系統情況下9號機群線0%處金屬性永久接地故障、10號機群線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為經小電阻(66 Ω)接地系統情況下9號機群線0%處金屬性永久接地故障、10號機群線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、10 號、14 號機群線零序電流。其中35 kV母線的PT變比為35 kV/100 V，機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群線零序電流角度如表3所示。

圖2 9號機群線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

試驗時各裝置的動作情況如表4所示。注意零序保護裝置僅安裝在9號機群線，接地選線裝置針對的是9號、10號、14號3條機群線。

2．3 動作分析及結論

1)數字式線路保護測控裝置。該裝置零序保護在小電阻接地系統中，動作方向正確，沒有誤動情況。但在不接地及消弧線圈接地系統中，只能選用選線功能，但此功能需要監控后臺的支持，不能單裝置使用。

圖3 10號機群線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 裝置動作情況Tab．4 Device action situation

2)微機線路保護測控裝置。該裝置零序保護能靈活用于不接地、經消弧線圈接地、經小電阻接地系統中。另外，該裝置同樣具備選線功能，但此功能同樣需要監控后臺的支持，不能單裝置使用。在不接地系統、小電阻接地系統中，該裝置動作正確。在消弧線圈接地系統中，零序方向沒有落入動作區，裝置沒有動作。該裝置在消弧線圈接地系統中應用時存在零序方向動作區域不準確的問題。

3)線路保護測控裝置。該裝置零序保護沒有方向閉鎖，無論正向還是反向故障都會引起動作。

4)微機小電流接地選線裝置。該裝置性能優良，無論在不接地系統，還是消弧線圈接地系統、小電阻接地系統發生接地故障，在其保護范圍內都能正確選線。但是在試驗中發現該裝置在系統電壓偏移較大、35 kV母線空載、CT飽和的情況下，存在拒動或者選線不正確的情況。

3 結語

本文通過基于ADPSS仿真系統搭建的仿真模型對四種裝置的零序保護、接地選線功能進行仿真測試得知，風電場集電線路保護系統的應用，能夠避免發生風電機組脫網，保證電網安全穩定運行及風電場獲取更多的經濟效益。

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