風電場油浸式箱變重瓦斯保護實用性改造

(福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350000)

風電場的風力發電機組布置較為分散，距離風電場集中升壓變電所較遠，而目前市場上風力發電機組出口電壓多為690 V，需就地經升壓變電站升壓后傳送至風電場升壓變電所。

目前，風電場單臺風電機組升壓設備大多采用油浸式箱式變電站，由于風電場箱變運行環境惡劣，且大多離升壓站較遠，不能每天進行巡視，因此風電場箱變保護配置顯得尤為重要。

1 箱變保護配置

箱式變電站(簡稱“箱變”)是將高壓負荷開關、插入式熔斷器與后備保護熔斷器(或者全范圍熔斷器 )、變壓器器身和無勵磁分接開關等電器元件組裝在一個密封的油箱中，用變壓器油作為絕緣介質的一種新型變壓器。箱變有多種分類方法，如按產品結構可分為組合式變電站(歐式箱變) 、預裝式變電站即(美式箱變)；按安裝場所可分為戶內、戶外；按高壓接線方式可分為終端接線、雙電源接線和環網接線；按箱體結構可分為整體、分體等。

箱變的高壓側可采用兩級熔斷器串聯保護或全范圍熔斷器保護，低壓側通常采用塑殼式斷路器作為低壓側保護與電能分配，其電磁脫扣器為瞬時動作，用于短路保護；其熱動型脫扣器具有反時限特性，用于過載保護。

風電場風機升壓變多采用“一機一變”的箱式變壓器，多為歐式箱變和美式箱變；箱變的保護配置有瓦斯保護、過載及短路保護等保護。

其中，瓦斯保護是變壓器內部故障的主保護，對變壓器匝間和層間短路、鐵芯故障、套管內部故障、繞組內部斷線及絕緣劣化和油面下降等故障均能靈敏動作。當油浸式變壓器的內部發生故障時，電弧使絕緣材料分解并產生大量的氣體，從油箱向油枕流動，其強烈程度隨故障的嚴重程度不同而不同，反應這種氣流與油流而動作的保護稱為瓦斯保護，也叫氣體保護。

瓦斯保護一般分為輕瓦斯和重瓦斯兩類。輕瓦斯是變壓器內部過熱,或局部放電,使變壓器油油溫上升，產生一定的氣體,匯集于繼電器內,達到一定量后觸動繼電器，發出信號。重瓦斯保護是在變壓器內發生嚴重短路后，將對變壓器油產生沖擊，使一定油流沖向繼電器的檔板,動作于跳閘。

由于風電場箱變多分散且距離升壓站較遠，安全可靠的瓦斯保護尤其重要，既可以有效隔離故障設備，也不擴大故障范圍。

2 工程實例

2.1 改造背景

東南沿海某風電場2012年7月投產，總裝機48 MW，分四組35 kV集電線路匯入升壓站，通過1臺容量50 MW主變壓器匯入110 kV電網。24臺風電機組采用“一機一變”模式，共有24臺油浸式箱式變壓器，測控裝置為某廠生產的風電箱變智能監控裝置。

油浸式箱式變壓器重瓦斯保護原設計為跳開本組35 kV集電路開關柜內斷路器，即在箱變監控用一根光纖(S1)將重瓦斯動作信號傳到繼保室光電轉換柜內，然后再通過光電轉換為跳閘信號去啟動集電線路的跳閘出口；在箱變內安裝一個光電轉換器(命名為FTT2000Z)，把重瓦斯出口1的動作信號轉換成光信號通過S1傳到下一臺箱變內的FTT2000Z，下一臺再傳到它的下一臺，最終每個回路的FTT2000Z把信號通過S1輸送到保護室的箱變監控屏處；在箱變監控屏放置與回路數量相對應數量的FTT2000Z，每個回路通過S1傳輸過來的光信號在此處經過FTT2000Z轉換成電信號；在監控屏處把FTT2000Z送出的電信號通過二次控纜直接跳閘35 kV開關柜的斷路器。

此設計在實際運行中存在以下缺點和問題：(1)采用光纖回路接到升壓站，如光纖回路被意外破壞，箱變就失去了重瓦斯保護；(2)單臺箱變故障跳整組線路，會造成其余正常箱變、風機停運；(3)各集電線路斷路器涉及到保護回路多，光電轉換裝置等設備會直接影響保護的可靠性。

2.2 改造方案及實施

箱變高壓側開關是真空負荷隔離開關+ 熔斷器結構，考慮到真空負荷隔離開關不能開斷大電流，對重瓦斯保護進行以下改造。

2.2.1 硬件改造

箱變現場保護用電流互感器(變比75/5)并未接入箱變測控裝置，改造后將電流互感器接入測控裝置。

2.2.2 軟件升級

升級箱變測控裝置，增加FC閉鎖跳閘功能,原理見圖1。

2.2.3 定值整定

FC閉鎖跳閘整定值按能躲過風機最大負荷電流整定。

目前風電機組最大出力設定值為2040 kW，電流互感器變比75∶5，箱變高壓側電壓為35 kV，可靠系數取1.1。

一次側電流最大電流：

二次側電流最大電流：

FC閉鎖跳閘整定值：

FC閉鎖跳閘定值取2.5 A。

綜上，改造后，箱變接入重瓦斯保護，并且重瓦斯保護動作后檢測箱變高壓側電流，實現大電流(大于或等于2.5 A)保護不出口，熔斷箱快速切斷箱變，小電流(小于2.5 A)，保護出口動作，快速斷開高壓側負荷開關。

圖 1 FC閉鎖跳閘功能原理圖

2.3 改造產生的經濟效益

(1) 進行改造前，單臺箱變重瓦斯保護正常動作與該組集電線路斷路器跳閘，該組線路其余5臺風機停運，故障出現到隔離故障箱變需2 h，風電場在滿負荷運行時，造成損失電量：2000×5×2=20000 kWh，按上網電價0.5元/kWh計算，每次最大可避免1萬元損失。

(2)進行改造前，因保護光纖回路影響，單臺箱變重瓦斯保護未能正常動作，造成箱變損壞，預計維修費用10萬元。

綜上所述，此次改造提高了保護可靠性，同時為風電場帶來一定的經濟效益。

3 結語

目前，風電場箱變重瓦斯保護多采用動作上一級集電線路斷路器來切斷故障箱變，這樣設計雖然能切除故障箱變，但也會造成該條集電線路上其余風機不能正常運行，給風電場造成額外的經濟損失。此改造主要解決了以下問題：

(1) 投入使用箱變重瓦斯保護，實現單臺箱變有異常時及時跳開，完全避免了主設備損壞事故問題，也不會影響到整組風機運行，提高了風電場運行可靠性。

(2) 簡化保護回路，保護不再受風電場監控系統光纖回路影響，保護動作的正確性、可靠性得到保證。