風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障研究分析

王瑞云

（鎮(zhèn)江市高等專(zhuān)科學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障研究分析

王瑞云

（鎮(zhèn)江市高等專(zhuān)科學(xué)校，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

針對(duì)35kVⅡ回集電線路C相單相接地故障引發(fā)BC兩相、三相相間短路，致使風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落、風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)、系統(tǒng)電壓升高，進(jìn)而引發(fā)其余風(fēng)機(jī)因高電壓陸續(xù)脫網(wǎng)的惡性事故，進(jìn)行故障分析并提出處理措施。

風(fēng)機(jī)；脫網(wǎng)；故障分析

與火電或水電的可控發(fā)電能源不同，風(fēng)機(jī)多是異步或永磁式發(fā)電機(jī)，機(jī)組本身無(wú)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備都要消耗無(wú)功，是不可控能源。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)事故，使系統(tǒng)電壓降低，低電壓保護(hù)動(dòng)作跳閘，大量機(jī)組拖網(wǎng)，系統(tǒng)會(huì)因線路充電功率、無(wú)功消耗設(shè)備減少使電壓升高，又會(huì)有很多風(fēng)機(jī)因過(guò)電壓跳閘脫網(wǎng)，使事故擴(kuò)大，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成很大影響。因此對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障的研究分析就顯得尤為重要，以某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)故障為例，根據(jù)故障現(xiàn)象分析風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因，排除故障，吸取教訓(xùn)，加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)。

一、故障概述

某風(fēng)電場(chǎng)安裝高原型風(fēng)電機(jī)組若干臺(tái)，風(fēng)電場(chǎng)采用1機(jī)組1箱變（35kV/690V）接線方式，并分為3組，每組箱變的35kV側(cè)并聯(lián)至Ⅰ回35kV集電線路，Ⅲ回集電線路至風(fēng)電場(chǎng)110kV變電站的35kV開(kāi)關(guān)柜，110kV主變壓器升壓后，經(jīng)Ⅰ回110kV線路送至變電站。風(fēng)電場(chǎng)主接線示意圖如圖1所示。

事故發(fā)生前共30臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，帶負(fù)荷34000kW，其他設(shè)備運(yùn)行正常。風(fēng)電場(chǎng)35kVⅡ回線電纜頭發(fā)生接地相間短路故障，32斷路器跳閘，35kVⅡ回線所運(yùn)行的10臺(tái)風(fēng)機(jī)停機(jī)，同時(shí)35kVⅠ、Ⅲ回線上的20臺(tái)風(fēng)機(jī)停機(jī)脫網(wǎng)。當(dāng)35kVⅡ回集電線路的線路保護(hù)裝置發(fā)出跳閘命令，將35kVⅡ回集電線路故障排除后，有一臺(tái)風(fēng)機(jī)未脫網(wǎng)，還在運(yùn)行狀態(tài)。

二、故障原因

1.風(fēng)電場(chǎng)35kVⅡ回線32斷路器跳閘原因分析

圖1 某風(fēng)電場(chǎng)部分電氣主接線圖

（1）一次設(shè)備檢查情況

風(fēng)電場(chǎng)工作人員對(duì)35 kV Ⅱ回線進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)距離35kV Ⅱ回線32斷路器2km處電纜分接箱內(nèi)240mm2的電纜分支套處絕緣擊穿。

事故發(fā)生后，對(duì)錄波器波形進(jìn)行調(diào)取，通過(guò)錄波圖看出，電纜分接箱內(nèi)故障電纜分支套處發(fā)生C相接地故障，C相電壓降至額定電壓的7.07%，二次相電壓7.07V，一次相電壓為2474.5V，如圖2所示；經(jīng)31.951s后發(fā)展成BC相間故障，相電壓降至額定電壓的6.66%，二次相電壓6.66V，一次相電壓2331V；又經(jīng)32.8ms后發(fā)展成三相接地短路故障。

圖2 電纜故障時(shí)35kV母線PT電壓波形

（2）保護(hù)動(dòng)作情況

35kV II回線PSL691U保護(hù)動(dòng)作出口，動(dòng)作電流59.287A，動(dòng)作時(shí)間0s（電流I整定=51.85A，動(dòng)作時(shí)間T整定=0ms），線路出口斷路器32跳閘。

2.風(fēng)電場(chǎng)35kVⅠ、Ⅲ回線風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因分析

故障發(fā)生后，35kVⅠ、Ⅲ回線上運(yùn)行中的20臺(tái)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。下面從故障錄波器波形圖、風(fēng)機(jī)故障波形圖、風(fēng)機(jī)故障代碼3個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）從故障波形圖中分析風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因

35kVⅡ回集電線路發(fā)生C相單相接地故障，后續(xù)發(fā)展為BC兩相、三相相間短路。

由圖2可以看出，35kV線路B、C兩相電壓短路時(shí)間(電壓跌落到6.66V，為標(biāo)準(zhǔn)電壓的6.66%＜20%)在32.8ms秒。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963-2011 《風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《Q-GDW392-2009風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)電網(wǎng)電壓跌落到90%以下的時(shí)候，風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越程序，低電壓穿越程序的電壓范圍為額定電壓的20%～90%，即電壓跌落到額定電壓的90%～20%，在這個(gè)電壓范圍內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組維持不跳閘，停機(jī)時(shí)間是反時(shí)限的，即電壓跌落越深，風(fēng)電機(jī)組維持不跳閘的時(shí)間就越短。最短時(shí)間是625ms（對(duì)應(yīng)跌落電壓20%)，最長(zhǎng)時(shí)間為2000ms（對(duì)應(yīng)跌落電壓90%）。如果電壓跌落20%以下時(shí)，0ms跳閘停機(jī)脫網(wǎng)，如圖3所示。

風(fēng)電場(chǎng)35kVⅡ回線因電纜頭發(fā)生相間短路故障時(shí)，35kVⅡ回線運(yùn)行風(fēng)機(jī)停機(jī)。其電網(wǎng)（35kV系統(tǒng)）電壓跌落至接近2.331k V，此時(shí)風(fēng)機(jī)立即進(jìn)入低電壓保護(hù)模式，35kVⅠ、Ⅲ回線上運(yùn)行中的20臺(tái)風(fēng)機(jī)停機(jī)脫網(wǎng)，是正常的，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

（2）從風(fēng)機(jī)故障波形圖中分析風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因

圖3 高原型風(fēng)機(jī)低電壓穿越曲線

當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，35kV Ⅱ回線32斷路器斷開(kāi)，此線路上所帶8臺(tái)風(fēng)機(jī)失電，以Ⅰ、Ⅲ回線的部分風(fēng)機(jī)為例，分析風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因，如圖4、圖5所示。

圖4 02號(hào)風(fēng)機(jī)功率、電壓故障波形圖

圖5 07號(hào)風(fēng)機(jī)功率、電壓故障波形圖

通過(guò)對(duì)以上2臺(tái)風(fēng)機(jī)故障波形圖分析，說(shuō)明35kVⅠ、Ⅲ回線上20臺(tái)運(yùn)行風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的主要原因是由于風(fēng)機(jī)相電壓跌落到低電壓穿越下限值20%以下，即相電壓400V的20% 80V以下（2、7號(hào)風(fēng)機(jī)電壓分別跌至59V、36V），風(fēng)機(jī)運(yùn)行電壓超出低電壓穿越范圍要求，立即停機(jī)。

（3）從風(fēng)機(jī)的故障代碼中分析風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因

經(jīng)過(guò)對(duì)故障代碼和發(fā)生的時(shí)間比對(duì)分析，主要有3種類(lèi)型，第一類(lèi)有機(jī)組立即報(bào)出“斷路器最大電流”故障代碼，1s后報(bào)出“頻率低”故障代碼；第二類(lèi)有機(jī)組1s后報(bào)出“頻率低”故障代碼；第三類(lèi)有機(jī)組立即報(bào)出“主開(kāi)關(guān)失電”故障代碼(表1)。

表1 風(fēng)機(jī)故障類(lèi)別統(tǒng)計(jì)

對(duì)上述3類(lèi)故障代碼的分析：風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)前，風(fēng)場(chǎng)出力為34000kW，第一類(lèi)報(bào)出603（斷路器最大電流）故障代碼的風(fēng)機(jī)所帶負(fù)荷較高（接近風(fēng)機(jī)的額定功率）；第二類(lèi)未報(bào)出603故障代碼的風(fēng)機(jī)所帶負(fù)荷相對(duì)較低（小于額定功率）；第三類(lèi)是報(bào)出了45“Main ctrl. supply”主開(kāi)關(guān)失電代碼。原因?yàn)橛酗L(fēng)機(jī)主控柜門(mén)損壞，無(wú)法固定UPS，正在處理中。

3.本次未脫網(wǎng)風(fēng)機(jī)的情況分析

有一臺(tái)風(fēng)機(jī)報(bào)出“Wind>Power”“風(fēng)能>功率”代碼信息。風(fēng)機(jī)自動(dòng)待風(fēng)停機(jī)。約1h強(qiáng)風(fēng)機(jī)雖然報(bào)出“FR T Phase Drop”、變頻器系統(tǒng)發(fā)出低電壓穿越模式信號(hào)給主控系統(tǒng)并同時(shí)報(bào)出代碼1400 Freq.conv. not Ok，1406 Freq.conv.grid error，1409 Freq.conv. error，但是因當(dāng)時(shí)風(fēng)機(jī)為待風(fēng)停機(jī)狀態(tài)，未執(zhí)行上述代碼停機(jī)。稍后自動(dòng)復(fù)位，風(fēng)機(jī)自啟動(dòng)并網(wǎng)。

三、原因分析和整改措施

造成此次風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的直接原因是35kV電纜相間短路。據(jù)數(shù)據(jù)分析，由35 kV電纜頭故障引發(fā)的大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故占70%以上，客觀地分析造成35 kV電纜頭故障的原因，采取防范措施，消除隱患，避免此類(lèi)故障的再次發(fā)生，對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的正常運(yùn)營(yíng)意義重大。

1.原因分析

（1）電纜接線處不是自然狀態(tài)，受到了一定的拉力和應(yīng)力導(dǎo)致

冬夏季節(jié)，凍土層凍融變化復(fù)雜，土層對(duì)電纜和電纜頭機(jī)械拉力大。另外，日早晚溫差大，電纜熱脹冷縮，低溫環(huán)境熱縮頭彈性減低，絕緣易被破壞。部分地區(qū)紫外輻射強(qiáng)度大，絕緣易老化。

（2）電纜頭質(zhì)量問(wèn)題

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50168－1992《電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定：“制作塑料絕緣電力電纜終端與接頭時(shí)，應(yīng)防止塵埃、雜物落入絕緣內(nèi)。嚴(yán)禁在霧或雨中施工”。

如果在制作中不注意環(huán)境因素的影響，就會(huì)電纜頭絕緣中由于進(jìn)入塵埃、雜質(zhì)等形成氣隙，并在強(qiáng)電場(chǎng)下發(fā)生局部放電，繼而發(fā)展為絕緣擊穿，造成電纜頭擊穿的故障。如果在潮濕的環(huán)境中制作，則電纜容易受潮而使得整體絕緣水平下降，另外也容易進(jìn)入潮氣形成氣隙而出現(xiàn)局部放電。電纜運(yùn)行中負(fù)載高低產(chǎn)生的電纜熱脹冷縮。風(fēng)電機(jī)組負(fù)荷變化較大，造成熱脹冷縮頻繁，易使電纜頭損壞。有些風(fēng)電箱變考慮防風(fēng)沙問(wèn)題，進(jìn)線孔過(guò)低過(guò)小，使電纜彎曲半徑過(guò)小，承受機(jī)械應(yīng)力過(guò)大，絕緣易受損。35kV電纜固定不規(guī)范，長(zhǎng)期受風(fēng)力影響造成與構(gòu)架處磨損導(dǎo)致絕緣損傷不斷惡化，最終導(dǎo)致電纜故障。

2.整改措施

在普通地區(qū)制作電纜頭的材料、工藝和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不一定能夠滿(mǎn)足風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境常年安全運(yùn)行的要求，應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境采用相應(yīng)的材料、工藝和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制作電纜頭。

（1）凍土層凍融變化復(fù)雜地區(qū)使用鋼絲鎧裝電纜

普通鎧帶纏繞護(hù)套作防護(hù)，主要是防止電纜受外力損傷，而在凍土層凍融變化復(fù)雜地區(qū)宜采用直徑4.0mm的鋼絲鎧裝緊密排布，纏繞護(hù)套作防護(hù)，不僅要防止電纜受外力損傷，更主要的是電纜在冷熱收縮時(shí)與電纜形成一個(gè)整體，防止應(yīng)力損傷電纜。

（2）溫差較大地區(qū)宜使用全冷縮電纜頭

冷縮電纜終端絕緣性能優(yōu)異，耐老化，防腐蝕，密封性能好，抗電痕性能好且硅橡膠彈性好，與電纜界面結(jié)合緊密，應(yīng)力控制與絕緣復(fù)合為一體，有效解決了電纜屏蔽斷面處應(yīng)力集中的問(wèn)題，保證電纜的安全運(yùn)行。

高壓電纜終端頭施工中應(yīng)充分考慮施工時(shí)工作環(huán)境條件，必要時(shí)采取可靠的防潮、升溫和防塵措施后，方可進(jìn)行施工。

（3）加強(qiáng)35kV高壓電纜終端頭及電纜固定的規(guī)范

在安裝固定電纜時(shí)，要防止心線多次彎曲扭轉(zhuǎn)造成絕緣外力損傷，特別注意電纜交叉處及與構(gòu)架碰觸部位，由于風(fēng)場(chǎng)常年風(fēng)速大，防止振動(dòng)磨損、老化造成絕緣損壞。對(duì)單心電纜固定卡件進(jìn)行檢查，堅(jiān)決杜絕使用導(dǎo)磁材料構(gòu)件。

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1671-0711（2015）10-0069-03

2015-09-17）