張北小東梁風電場斷路器故障原因分析

李華兵（中工武大設計研究有限公司，湖北 武漢 430000）

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張北小東梁風電場斷路器故障原因分析

李華兵（中工武大設計研究有限公司，湖北 武漢 430000）

準確描述斷路器故障現象，分析故障發生原因，建立數據模型，分析計算得出結論，并提出解決故障的相應對策。

斷路器；故障；跳閘運行時間；短路電流；整定電流

1　斷路器故障現象描述

1.11#機位（風機編號為1102005）

總體運行時間：60d

故障發生時間：2012-12-25（22：00）

風機運行過程中定子斷路器跳閘，并且有3個F3.1熔絲、F4.7熔絲燒毀，柜門無法有效關閉。故障代碼4006（定子斷路器故障跳閘）、7080（+15V直流超出范圍）、7081（-15V直流超出范圍）、7124（網側接地）、7165（軟件過壓）、7257（網側沒有門極驅動時，機側IGBT關斷）。

圖1　

1.22#機位（風機編號為1104020）故障描述

總體運行時間：20d

故障發生時間：2012-10-05

風機并網時，變流柜內定子斷路器Q2.6發生巨響，并有電弧產生，變流柜門被炸開，Q2.6斷路器及左側柜體有明顯被燒黑的痕跡，并且有兩個變流柜門卡槽被炸掉，致使柜門無法有效關閉。經調試人員和柔性廠家人員現場查看測試，變流柜內無其他元器件損壞，Q2.6功能正常，隨后風機啟機并網無異?，F象發生。

說明原因：斷路器并網時承受了遠大于額定電流的大電流，并產生電弧。

1.313#機位（風機編號為1104028）

總體運行時間：60d

故障發生時間：2012-12-27

風機報故障4006（定子斷路器故障跳閘）停機，按復位按鈕，故障4006不能消除。

1.423#機位（風機編號為1105038）故障描述

總體運行時間：40d

故障發生時間：2012-11-27

風機正常停機，風機脫網時報故障18001（有功功率和控制給定功率之間偏差過大）、4006（CC101斷路器故障跳閘）、4008（PM3000處于故障狀態）、7137（變流器機側：低電壓故障）、7257（變流器：網側變流關斷故障，機側變流跳閘），并且變流柜內定子斷路器Q2.6的T.U.Reset彈片彈出。

說明：脫網時存在大的功率偏差，脫網大電流使斷路器故障跳閘。

1.523#機位（風機編號為1105038）故障描述

總體運行時間：40d

故障發生時間：2012-11-27

風機更換為10#機位的定子斷路器，風機運行并網后正常停機時，在脫網的過程中報故障18001、4006、4008、7137、7257、7009、7037、7165，并且變流柜內PM3000發出巨響，PM3000機側部分被燒黑。檢查線路發現變流柜CC101內繼電器K3.8和K7.5的線圈裝反。PM3000機側故障，引起斷路器故障跳閘，但斷路器還能正常使用。

圖2　

說明原因：脫網時存在大的功率偏差，PM3000燒壞是否與接錯線有關。

1.624#機位（風機編號為1105040）故障描述

總體運行時間：15d

故障發生時間：2012-11-08

當發電機轉速達到1300rpm并網時，變流柜內（變流柜編號為1103004）定子斷路器Q2.6的“Push On”鍵一直來回吸合，風機無法并網運行。直接給斷路器Q2.6的欠壓線圈通入24VDC，手動操作時，斷路器的“Push On”鍵可以正常吸合。現場更換為10#機位的斷路器后，風機可以正常并網運行。

說明原因：斷路器并網時合閘按鈕不能閉合，內部機構損壞或24VDC欠壓。

2　變頻系統參數及特性說明

2.1變頻系統短路計算

PM3000網側短路時：

電網提供的短路電流計算值（計算過程略去）為31.57kA；

電機定子側提供的短路電流為5.6kA；

網側接觸器通過的總短路電流=31.57+5.6=42.17kA。

2.2變頻系統主要設備參數

熔斷器：廠家SIBA，型號SQB1 AR 550A，6OOOA電流時網側熔斷器熔斷時間接近于0s。

（1）網側接觸器Q5.3：廠家ABB，型號AF260；

（2）定子斷路器：廠家ABB，型號E2B2000/3P，遮斷容量為65kA。

運行電流：Ib=1730A；

額定電流：In=2000A。

2.3保護整定計算

（1）過負荷保護

整定計算I1=2000A，t1=144s；

整定值I1=1A，t1=144s。

（2）短延時流保護值3×IB，0.5s

整定計算I2=5190A，t2=0.5s；

整定值I2=2.5A t2=0.5s，t=k曲線。

（3）瞬時保護［I］

運行電流IB=1730A；

額定電流In=2000A；

整定計算I3=8×IB=1384A；

整定值I3=7A。

（4）接地保護［G］

運行電流IB=1730A；

額定電流In=2000A；

整定計算值I4=0A，3×IB=519A，t4=0.5s；

整定I4=0.3A，4t4=0s，t=k曲線；

Crowbar電阻1，35MJ/±10%/0，075Ohm。

3　故障分析

（1）需要分析斷路器產生大電流產生的原因：①斷路器并網同步過程中是否會產生大電流？

斷路器同步條件：

Windtec的判據為矢量變換后電壓的直流分量：電壓偏差有功分量（Ud≤90V），無功分量（Uq≤30V），等效幅值≤94.8V時可以同步并網。（交流電壓幅值差、角度差、頻率差均通過以上直流判據反映）。交流電壓在94.8V以內，等效于定子開關同步，此時并網電流不會太大，應遠小于6000A，不會引起跳閘。

②是否由于電網電壓不平衡或PM3000網側IGBT直通引起大的短路電流？

從現有的2臺斷路器故障數據看，故障電流6000A且三相平衡，說明張北風場電壓是基本平衡的，不會引起大的電流；如PM3000網側IGBT直通，則網側熔斷器需承受電網及電機定子2個方向的短路電流，其電流為42.17kA遠大于6kA，網側熔斷器將0s熔斷，且網側PM3000也會燒壞，故這種說法也不成立。

③電網電壓波動過大是否會產生大電流？

風場電網電壓波動過大（電壓偏高），驅動電壓超出范圍+ /-15V（直流），以至于PM3000控制不好，引起網側短路，產生大的短路電流，斷路器切除故障滅弧過程中燒壞（1#機有類似現象）。

④Crowerbar回路導通是否會產生大電流？

Crowerbar回路由于直流母線電壓過高或光纖信號誤觸發，會導致Crowerbar動作，轉子短接進而產生大的電流，并在定子側感應出約3倍大的對稱電流，Crowerbar動作后50ms發跳定子開關命令，其跳閘時電弧會對開關絕緣可能造成一定的傷害，定子開關大電流跳閘次數是有一定限度的；Crowerbar動作在定子側會產生約大于50ms的大電流，但不會導致斷路器選擇性保護（時間500ms）動作。

（2）對斷路器燒壞原因初步分析：按廠家參數可切斷65kA短路電流，現在一月左右部分斷路器需切斷約十次6kA電流，斷路器本身具有滅弧能力按理應不至于燒壞，斷路器每切除一次故障電流絕緣和滅弧能力是否下降，該批次是否有質量問題。

4　初步結論

張北風場電壓波動較大，斷路器故障率相對較高，其它風場目前還沒有遇到這種情況，大電流產生的原因可能與電網電壓波動過大有一定關系，說明Windtec變流器的電網適應性相對較差；

crowbar回路觸發會在定子側產生對稱性大電流，但應該不會導致斷路器保護動作，這點需在風場進一步確認。

總之，變流器斷路器燒壞與PM3000的控制應有一定的關系，原因有待進一步分析。

5　相應對策

（1）對風場變流柜控制回路及有關光纖的連線進行全面檢查。

（2）各風場相關人員立即對所有ABB斷路器的日期和時間進行設定，柔性輸電須設置好變流柜ABB斷路器的時間才允許出廠，以確保保證斷路器歷史數據的正確性。

（3）風場人員須配合ABB廠家調出所有風場變流柜運行開關的歷史數據，以便對每一臺開關的現有狀態進行好診斷；要求ABB廠家根據相關數據作專題分析，查找出斷路器燒壞的原因。

（4）Windtec變流器無故障錄波功能也是一大缺陷，建議購買一臺恒河的故障錄波器，可記錄10d以上數據，價格約十幾萬元；便于分析故障，否則難于快速準確地地查明原因。

（5）需組織Windtec、柔性輸電、ABB一起開會共同會診，進一步查明斷路器大電流的來源，并做好相關解決方案（如對網側、機側、CROWARBAR回路電流、定子電流及直流母線電壓等參數進行錄波和檢測）。

6　結束語

針對斷路器故障原因分析：①應熟悉斷路器各項性能指標和使用方法，調用有供分析的故障記錄數據，判斷數據的準確性和真實性。②分析、總結風電場斷路器故障的常見故障類型，并建立數據模型，便于分析和計算，得出結論并試驗調試。③形成故障報告，總結經驗教訓并歸檔，對產生較大影響的故障類型，應以書面型式專題研究，并組織學習、研討，總結經驗教訓。

李華兵（1979-），男，工程師，本科，主要從事工作電力工程電氣設計及設計管理工作。

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2095-2066（2016）16-0045-02

2016-5-20