一起風(fēng)電場(chǎng)線路無(wú)故障跳閘事件分析

冉慶禹，王 龍

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100）

0 引言

隨著雙碳目標(biāo)的提出，風(fēng)力發(fā)電得到迅速發(fā)展。但風(fēng)電出力隨機(jī)性大，功率具有很強(qiáng)的波動(dòng)性和間歇性特征[1?2]。為提高風(fēng)電電能質(zhì)量，使風(fēng)電功率因數(shù)達(dá)到最優(yōu)，風(fēng)電場(chǎng)通常都配置無(wú)功補(bǔ)償裝置。當(dāng)無(wú)功補(bǔ)償裝置出現(xiàn)問(wèn)題，不僅會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電功率因數(shù)下降，電能質(zhì)量降低，還會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3?4]。本文對(duì)某110 kV變電站一起35 kV風(fēng)電場(chǎng)線路正常運(yùn)行情況下開(kāi)關(guān)跳閘事件進(jìn)行分析，確定原因并提出解決措施。

1 跳閘事件

2021年 4月 1日 17：03：35，某 110 kV 變電站314 SL線路保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作相別為B相和C相，動(dòng)作電流為1.02 A；4月10日23：41：52，314 SL線路保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作相別為B相和C相，動(dòng)作電流為0.98 A；4月21日16：35：45，314 SL線路保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作，動(dòng)作相別為B相，動(dòng)作電流為0.97 A。一個(gè)月內(nèi)連續(xù)發(fā)生3起線路跳閘事件，引起工作人員的重視。工作人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取故障錄波圖進(jìn)行分析，以確定事件發(fā)生的原因。

2 原因分析

314 SL線路保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段動(dòng)作后，保護(hù)工作人員到現(xiàn)場(chǎng)查看裝置定值，過(guò)流Ⅰ段定值為動(dòng)作電流16.8 A、動(dòng)作時(shí)限0 s；過(guò)流Ⅱ段定值為動(dòng)作電流0.96 A、動(dòng)作時(shí)限0.2 s；過(guò)流Ⅲ段定值為動(dòng)作電流5.9 A、動(dòng)作時(shí)限0.5 s。過(guò)流Ⅰ段、過(guò)流Ⅱ段均有方向閉鎖，方向由母線指向線路，過(guò)流Ⅲ段無(wú)方向閉鎖。事件發(fā)生時(shí)，314 SL線路電流已經(jīng)達(dá)到Ⅱ段定值，從而引發(fā)保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段出口動(dòng)作，314 SL線路跳閘。在確定314 SL線路電流達(dá)到保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段定值后，檢修人員對(duì)線路及接入電纜進(jìn)行絕緣、交流耐壓試驗(yàn)，對(duì)線路避雷器進(jìn)行直流泄漏及絕緣電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)全部合格。同時(shí)重點(diǎn)檢查了現(xiàn)場(chǎng)線路末端箱變、箱變避雷器、低壓側(cè)電纜及風(fēng)電機(jī)組底部控制柜，均未發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。為確定314 SL線路跳閘原因，保護(hù)人員進(jìn)行了分析。

1）保護(hù)裝置是否誤動(dòng)。按照保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段定值為0.96 A進(jìn)行模擬故障校驗(yàn)，當(dāng)繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出0.97 A模擬量至保護(hù)裝置時(shí)，過(guò)流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)繼電保護(hù)測(cè)試儀輸出0.95 A模擬量至保護(hù)裝置時(shí)，保護(hù)啟動(dòng)，但未動(dòng)作。可見(jiàn)，保護(hù)裝置采樣正確，未誤動(dòng)。

2）保護(hù)裝置過(guò)流Ⅱ段方向閉鎖是否失效。314 SL線路保護(hù)裝置方向元件采用90°接線，靈敏角為45°，所以動(dòng)作區(qū)域應(yīng)為：

式中：IB為保護(hù)裝置B相電流；UCA為保護(hù)裝置C相、A相間的線電壓。

利用繼電保護(hù)測(cè)試儀進(jìn)行校驗(yàn)，最終確定動(dòng)作區(qū)域?yàn)椋?/p>

滿足相位誤差在3%以內(nèi)的要求，說(shuō)明保護(hù)裝置方向閉鎖有效。

3）電流互感器極性是否接反。電流互感器一次側(cè)以35 kV母線為極性端，二次側(cè)以S1為極性端，現(xiàn)場(chǎng)檢查電流互感器為減極性，用作保護(hù)、測(cè)量、計(jì)量的繞組輸入端均接在S1端，故電流互感器極性正確，保護(hù)繞組接線正確。

4）功率因數(shù)是否影響電流值。保護(hù)工作人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)取了故障錄波圖進(jìn)行分析，B相和C相電流在0.96 A附近，當(dāng)B相電流達(dá)0.96 A時(shí)，過(guò)流Ⅱ段元件開(kāi)始啟動(dòng)計(jì)時(shí)，此時(shí)UCA超前IB約39°，電流在動(dòng)作區(qū)域，方向元件滿足條件，經(jīng)0.2 s延時(shí)后過(guò)流Ⅱ段出口跳閘。由于三相電流略有差異，B相電流比A相和C相電流略大。跳閘時(shí)刻B相電流大于過(guò)流Ⅱ段定值，而A相和C相電流小于過(guò)流Ⅱ段定值，因此動(dòng)作報(bào)告中故障相別為B相。

對(duì)錄波文件進(jìn)行分析，314 SL線路保護(hù)動(dòng)作錄波文件中，某一時(shí)刻IA角度為2.295°，UAB角度為162.742°。錄波文件顯示，此次保護(hù)動(dòng)作過(guò)程中，電壓未受到影響，三相電壓波形為三相對(duì)稱正弦波，UAB超前UA的角度為30°，此刻UA角度為132.742°，從而得出UA超前IA的角度為130.447°。同理，UB超前IB的角度約為130°，此時(shí)以35 kV母線為基準(zhǔn)，110 kV變電站內(nèi)314間隔有功功率為?6.96 MW，無(wú)功功率為4.871 Mvar，功率因數(shù)為0.816。

從電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)調(diào)取歷史曲線，在有功功率數(shù)值相同的情況下，查詢得到相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，分別推算出電流和電壓的關(guān)系如圖1所示，圖中IA1和IA2分別為2021年和2019年314 SL線路A相的電流值，IB1和IB2分別為2021年和2019年314 SL線路B相的電流值。

圖1 保護(hù)動(dòng)作與正常運(yùn)行時(shí)相量圖

對(duì)比314 SL線路不同時(shí)間、相同有功功率情況下的數(shù)據(jù)，在相同有功功率的情況下，2021年4月21日電網(wǎng)向風(fēng)電場(chǎng)輸送的無(wú)功功率比2019年4月25日增加了2.963 Mvar，功率因數(shù)下降0.148。該風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償電容器組投切原則：定槳距失速型異步發(fā)電機(jī)在任何運(yùn)行方式下不能向系統(tǒng)提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支持，僅能通過(guò)電容器的自動(dòng)投切，調(diào)整其等效功率因數(shù)接近1.0，風(fēng)電場(chǎng)在有功出力不同的情況下，需投入不同數(shù)量的無(wú)功補(bǔ)償裝置且在設(shè)置轉(zhuǎn)速點(diǎn)投入軟啟動(dòng)。由表1可見(jiàn)，在相同有功出力的情況下，2021年4月21日風(fēng)電場(chǎng)所投入的無(wú)功補(bǔ)償容量比2019年4月25日下降了2.963 Mvar，推測(cè)該風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償能力下降或補(bǔ)償方式發(fā)生變化。

風(fēng)電場(chǎng)工作人員對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備中有120個(gè)電容單元電容值不合格，其電容值已從額定值 3×55.7 μF（誤差范圍為?5%～+10%）降低至3×0.43 μF，當(dāng)其運(yùn)行在額定電壓690 V工況下，單個(gè)電容單元無(wú)功功率為24.8 kvar，總無(wú)功功率缺額為2.976 Mvar，與分析結(jié)論相符。

綜上，本次事件主要由于風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置故障，無(wú)法提供充足的無(wú)功功率進(jìn)行電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，需從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，線路功率因數(shù)下降，電流值增大，達(dá)到過(guò)流Ⅱ段整定值，保護(hù)動(dòng)作使314 SL線路跳閘，風(fēng)電場(chǎng)損失有功出力。

3 解決措施

風(fēng)電場(chǎng)工作人員確定原因后，更換120個(gè)不合格電容單元，試驗(yàn)合格后，投入無(wú)功補(bǔ)償裝置，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。風(fēng)電場(chǎng)使用的固定補(bǔ)償設(shè)備只有風(fēng)機(jī)固定電容及分組投切電容，設(shè)備老舊，補(bǔ)償方式單一，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，電容器容量較大，不能連續(xù)調(diào)節(jié)，可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，且電容器要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)檢修，因此固定補(bǔ)償已經(jīng)不能滿足目前風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)無(wú)功功率的變化[5?6]。

風(fēng)電場(chǎng)有關(guān)技術(shù)人員對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行改造，采用靜止無(wú)功發(fā)生器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，其基本原理是使用可關(guān)斷的大功率電子器件形成自換相橋式電路，經(jīng)過(guò)電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)中運(yùn)行，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，或者直接控制其交流側(cè)電流，實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)功能。

1）風(fēng)電場(chǎng)更換靜止無(wú)功發(fā)生器后，線路運(yùn)行平穩(wěn)，功率因數(shù)持續(xù)在0.95以上，未造成線路電流幅值增大而誤跳閘。

2）靜止無(wú)功發(fā)生器具有濾波功能，響應(yīng)速度快，占地面積小，安裝方式靈活，設(shè)備維護(hù)量小，可提高電能質(zhì)量。同時(shí)靜止無(wú)功發(fā)生器在電網(wǎng)側(cè)為某地區(qū)10 GW新能源可靠消納提供了良好的運(yùn)行條件，為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)、構(gòu)建“雙新”電力系統(tǒng)保駕護(hù)航。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)此次跳閘事件的分析，確定該風(fēng)電場(chǎng)線路無(wú)故障跳閘的原因，提出改善無(wú)功補(bǔ)償模式，采用先進(jìn)的靜止無(wú)功發(fā)生器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，為風(fēng)電場(chǎng)尤其是設(shè)備老舊的風(fēng)電場(chǎng)改善電能質(zhì)量、提高經(jīng)濟(jì)效益、減輕運(yùn)維負(fù)擔(dān)提供參考，避免無(wú)故障損失負(fù)荷等事件的發(fā)生。