一起由小動物爬塔引起的風電場集電線路跳閘事件的分析

孫虹凱 康海淵 張建軍 王是琦

關鍵詞：小動物爬塔;集電線路跳閘;解決措施;零序保護

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現代大型風電場基本建設在西北、華北戈壁灘上、或此類地區非自然保護區的大山上，面對大面積、長線路、分散式等特征，風電場管理無法做到集中式（圍墻式）統一管理，大型風電場集電線路總長度可達上百公里，甚至更長。常規35kV集電線路接風機箱變的桿塔，在桿塔底部距上約4米左右的位置安裝跌落平臺支架，平臺上面安設避雷器、保險、計數器等設備，此位置電力傳輸向上通過引流線接至集電線路導線，向下通過電纜接風機箱變。35kV集電線路的跌落開關相間間距、相對地距離大約600～800mm。小動物在平臺位置處活動，極易引起相間短路或者相對地短路造成集電線路跳閘。本文研究一起風電場跳閘事件，重點對零序保護作以研究，有助于風電場運行人員提高排查接地故障的能力。

1 事件概況

1.1風場概況

寧夏中衛某山地風電場，總裝機容量120MW。風機48臺，單機容量2.5MW;110kV主變1臺，容量120MW;35kV集電線路（#1至#5進線）5條，5條線路總長約46km，分別接引12、11、8、8、9臺風機。風機發電機為雙饋異步發電機，出口交流電壓690V，電能送出路線為風機出口→2.75MW的油浸式箱變→架空集電線路跌落平臺→集電線路導線→升壓站35kV開關柜。風電場整體電能通過單回110kV送出線路外送，2020年12月風電場正式并網發電。

1.2 故障前運行方式及出力情況

110kV送出線路運行正常，110kV #1主變運行正常，35kV I 段母線運行正常，35kV #1 接地變運行正常，35kV #1站用變運行正常，35kV #1 SVG無功補償裝置運行正常，35kV #1至#5進線全部運行正常。事故前全場出力33.58MW，35kV I段母線電壓Uab：34.96kV，Ubc：34.93kV，Uca：34.97kV。35kV #1 進線電流（一次值）Ia：100A，Ib：99.02A，Ic：100.72A。

1.3 故障后出力情況及損失出力

故障后全場總出力27.51MW，除#1進線退出運行外，其他設備正常運行。35kV I 段母線電壓Uab：34.76kV，Ubc：34.68kV，Uca：35.08kV。35kV #1進線電流Ia：0A，Ib：0A，Ic：0A。全站損失出力：6.07MW，停運風力發電機組12 臺，總計損失并網容量30MW。

2 事件經過

2.1 事件報文

2021年01月22日4時0分，風電場 #1 進線PCS-9611C線路保護零序過流I 段動作，保護裝置啟動出口，#1 進線35kV開關跳閘。零序動作電流3.22A，整組啟動到動作出口延時241ms，動作報文見圖1。

開關動作后，運行人員立即向調度聯系，接受調度指令，#1進線轉檢修。同時安排兩組人員排查故障原因，一組人員前往#1進線對絕緣子、跌落開關、電纜等重點部位全線排查，另一組人員檢查#1進線開關柜保護裝置報文和繼保室故障錄波器錄播信息，調取故障錄波器信息顯示：

（1）故障發生前35kV母線電壓波形正常，發生故障瞬間B、C相電壓（以下均為二次值）分別升高到86V、82V，A相電壓迅速降低至18V，產生零序電壓68V，見圖2。

（2）故障發生前#1進線A、B、C 三相電流均在0.83A上下，發生故障瞬間，出現0.82A自產零序電流，最終跳閘出口時，#1進線PCS-9611C保護裝置顯示外接零序動作電流值3.22A，自產零序動作電流值1.028A。

#1 進線的PCS-9611C保護裝置采用外接零序電流，零序電流I 段整定值為2.5A，結合故障錄波圖，初步判斷#1進線A相發生單相接地故障。A相電壓明顯被拉低，A相電流沒有明顯增大趨勢，初步認為是非金屬接地故障，零序過流I 段保護正確動作，斷開#1進線開關。查看系統其他電壓電流波形及綜自監控主機發電信息，顯示其他設備運行正常。

隨后第一組人員在巡視到#1進線接4號風機的集電線路桿塔時，發現該桿塔跌落開關正下方地面上有一只皮毛發焦的黃鼠狼。在做好安全措施后，人員登塔檢查，檢查發現A相跌落開關上觸頭處以及A相跌落開關與跌落平臺支架連接的鋼材處均有明顯的放電痕跡，且跌落開關上觸頭位置和支架鋼材位置均有動物皮毛殘留，分析認為黃鼠狼身體接通了A相跌落開關上觸頭和跌落平臺支架，導致A相對桿塔（地）放電，在放電一瞬間黃鼠狼皮毛粘留在了金屬部位。運行人員根據現場發現的情況和保護裝置反映出來的數據綜合分析，認定此次事件為小動物爬塔導致的相線對地放電的非金屬性接地跳閘事件。

2.3事件解決措施

在詳細分析事故原因后，并向周邊其他風電場了解到該地區時有小動物爬塔事件發生，為吸取經驗教訓，防患于未然。該風電場果斷采取措施，采用塔腿加裝防爬刺的措施用以防止小動物爬塔跳閘事件再次發生。組織職工利用1周時間，在接風機箱變電纜的48基集電線路桿塔的四個塔腿根部及電纜套管上加裝防爬刺，安裝后效果見圖3。在對接地故障的跌落開關修復后、#1進線絕緣測試后，并向調度匯報申請后，#1進線及時恢復了供電。

3 技術分析

通過該風電場的這一事件，對小動物爬塔防范措施，零序電流產生以及故障情況分析我們作一引申。

3.1 線路跳閘常見外界因素及防范措施

非自身原因導致的架空線路跳閘因素有很多，例如鳥類排泄物逐漸的附著在絕緣子上導致絕緣子爬電接地，鳥類在桿塔上搭窩時帶入的鋁絲、鐵絲等導電雜物掉落在絕緣子上導致的金屬接觸跳閘，大風天氣輕薄異物掛接在塔身上造成的跳閘，再一主要因素就是本文中提到的小動物爬塔導致的跳閘。

針對鳥類排泄物、鳥窩內異物及大風天氣異物等防范措施，主要還是以加強巡檢為主，及時的清除塔身上的鳥窩，及時對沿線周邊的輕薄異物（如地膜、塑料袋）進行清理。針對小動物爬塔基本有兩種方案，一是采用本文提到的塔腿處加裝防爬刺方案，二是可以在4個塔腿形成的距地1～2m的斷面處加裝網罩，網罩在塔腿斷面處向內向外以向下傾斜的方式延展鋪設，在該位置形成一道爬塔屏障。

3.2關于零序電流的介紹及分析

3.2.1零序電流的概念根據三相電路數學分析，一個三相平衡穩定運行的三相電路，三相電流的瞬時值表達式為：

ia=IA sinωt

ib=IB sin（ωt-120）°

ic=Ic sin（ωt+120）°

三相電流以相角相差120°的情況以正弦波形式運行，以向量形式做圖，見圖4。

3.2.2零序電流的重要知識點

（1）當三相電路不平衡或單相運行則產生零序電流，也就是單相接地，或者兩相短路接地的情況下會產生零序電流。

（2）中性點直接接地發生單相接地故障時，接地短路電流很大，此系統稱之為大電流接地系統。當中性點通過消弧線圈或接地變接地，發生接地故障時，接地故障電流偏小[1]。

（3）接地短路點離保護安裝處越近，則零序電流越大，反之短路點越遠，流過保護裝置的零序電流越小。

（4）零序電流保護只能用來保護接地短路故障，對于兩相不接地的短路和三相短路不能起到保護作用。

（5）零序電流大小與接地故障類型有關，與正、負序阻抗都有關系。

（6）零序電流可以帶方向閉鎖，用以保證選擇性和靈敏性。系統各元件零序阻抗角為80°的情況下，正方向動作繼電器方程為，指的是保護安裝處的零序電壓，正方向以母線為正，中性點電位為負;指的是保護安裝處的零序電流，正方向以母線指向被保護線路[2]。

3.2.3風電場零序電流的分析

選取該風電場接地故障某一時刻的故障錄播電流值做以分析，故障至跳閘之間的某一時刻電流值（二次值）A相0.371A∠304°，B相0.819A∠111°，C相0.834A∠354°，運用向量的方式計算，以圖4正序平衡向量A相的頂端為起始0°，以逆時針方向為正向角度繪圖，按各自角度旋轉，得到圖6，圖示C相電流在起始點順時針方向的6°位置。按本文上述介紹的零序電流的計算準則和計算方法，繪制得到圖7，根據計算得到=0.82A∠27°，通過與故障錄波顯示的此時刻的示數的對比，人工計算的數值角度基本與故障錄播裝置計算的數值一致。

該風電場零序保護采用的是外接零序電流互感器保護功能，未采用自產零序保護。當故障某一時刻保護裝置采集的3I0電流值超過了定值2.5A（跳閘時刻顯示外接零序二次值達到3.22A），時間超過了0.2s（跳閘時刻顯示延時為0.24s），驅動零序電流保護啟動。對此零序方向問題選取某一故障時刻零序電壓電流數值進行分析，某一故障時刻的零序電壓71.80V∠238°，零序電流0.827A∠27°，兩者在向量域比較，零序電壓超前零序電流角度為-149°，在-190°和-10°之間，滿足方向繼電器的原理，零序故障為正方向（線路側故障）。而帶方向的零序電流保護多用于110kV及以上中性點直接接地的大電流接地系統中，本文不再贅述方向保護的原理。

3.2.4 零流在調試中的注意事項

高壓開關柜電纜接入時常受電纜本身設計的影響，有時設計選取的三芯電纜很粗，很難從零序電流互感器中穿過，有時設計選取的是三根單芯電纜，更加難以穿心。所以選擇性放棄電纜穿芯的接入，繼而采用保護裝置自產零序保護功能。這樣在調試過程中，調試人員須做好自產零序的調試工作，一是計算定值必須以自產的二次值去計算;二是在定值校驗過程中，要對各種接地情況下產生的零序值進行校驗，并核實定值控制字，零序保護控制字必須選取自產零序。

如果選用外接零序保護功能而沒有接入外接零序電流互感器，則會導致線路發生接地故障時，線路本體保護裝置零序保護拒動，很容易使故障量和故障時限達到其他保護裝置的動作定值（例如接地變保護裝置定值），從而引發越級跳閘，造成更大的損失。

4 結束語

綜上所述可知，防范接地故障零序跳閘事件還是有很多方式方法的，結合線路的防范措施，我們在站區內也應加強對于小動物防范措施的落實，例如加強地溝孔洞的封堵，在室內出入口加裝防小動物隔板，在角落處設置鼠藥盒等[3]。同時各風電場應加強運行檢修人員關于電氣設備和繼電保護等理論知識的學習，掌握基本的電氣一二次知識，熟悉正弦波、向量、角度等概念，能夠熟練繪制正序、負序、零序向量圖，懂得基本參數量的計算。善于運用理論指導運行維修工作，這樣當發生故障時就能夠從容的解決處理。

參考文獻

[1]束洪春，高鈺瑩，董俊，安娜，等. 一種風電場集電線路故障區段與故障分支識別方法[P]. 云南?。篊N112083284B，2021-10-12.

[2]國家電力調度通信中心.國家電網公司繼電保護培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]杜力.一起小動物引發的變電站主變多重故障分析[J]. 農村電氣化，2020（2）：32-34）.