風電場綜合故障錄波分析探討

諸葛軍，張全元，亢歆童

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.湖北電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

由于環境污染的加劇和能源危機，世界各國都在環保問題上引起了高度重視，使風電技術得到了快速發展。我國在世界上莊嚴的提出了“碳達峰，碳中和”的承諾目標，使風電產業發展勢頭強勁，風電新增裝機容量近幾年穩居全球前列。由于快速發展也出現了不同程度的問題，新能源電站故障時有發生，如“224 事故”導致風電機組的大面積脫網事故等情況，已影響到電網的安全。傳統故障錄波器和繼電保護故障錄波很難采集到風機側故障和箱變側故障，缺少對風機及箱變的故障準確分析判斷。風機故障波形讀取未能開放，分析故障比較困難。低電壓穿越和高電壓穿越保護也在近幾年電網技術改造要求下不斷完善改進，減少風機對電網脫網引起電網大面積停電的風險。本文通過讀取風機變流器故障波形分析箱變與風機保護綜合性故障案例，分析了風機與箱變故障的邏輯關系及事故原因，提出了改進設計優化方案的研究探討思路，推動風力發電技術進步。因此，對風力發電的技術進行研究具有重要意義。

1 風電項目基本情況

某100 MW 風力發電項目裝機容量100 MW，安裝40 臺2.5 MW 風力發電機組。風電場升壓站建設一臺100 MVA 主變，建設一條110 kV 送出線路。風電機組接線采用一機一變單元接線方式，風機出口電壓為0.69 kV 通過箱變升壓至35 kV，經35 kV集電線路匯集至110 kV升壓站，風電項目110 kV升壓站接入上級220 kV匯集站。

2 風電箱變低壓母排放電綜合故障事件基本情況

2021年5月26日，某100 MW風力發電項目X#風機箱變低壓側斷路器發生跳閘故障導致箱變無法投運事件。根據現場情況，2021年5月26日5:17，X#風機箱變低壓銅母排存在尖端拉弧放電現象，電壓下降引起風機低電壓穿越保護動作，隨后箱變低壓斷路器跳閘并報警。箱變低壓斷路器跳閘后造成風機側電壓升高導致風機變流柜網側防雷器持續動作，使防雷器燒毀并伴有大量煙霧，觸發柜內風機煙感報警，造成風機事故鏈動作停機?，F場箱變低壓配電室前門與側門被短路電弧故障氣流沖開，并報箱變低壓室門開信號。

3 保護動作情況及信息分析

對箱變監控后臺調取故障數據報文，通過多報文對比分析，確定報文顯示主要信息2021年5月26日05:17:28，X#箱變低壓檢修門開信號，36 ms后顯示X#箱變低壓斷路器故障信號，后臺報文與現場檢查情況吻合。由于箱變低壓故障沖擊氣流將檢修前門與側門沖開，后續低壓斷路器跳閘。根據現場調出風機故障記錄及故障波形分析，由于故障引起風機保護低電壓穿越啟動抬高電壓及箱變低壓斷路器跳閘，此高電壓持續觸發風機配電柜內網側防雷器動作并導致超出防雷器泄放能力過熱燒壞，導致消防煙感器報警，風機事故鏈保護動作停機。備注：低電壓穿越（LVRT），指在風力發電機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持低電壓穿越并網，甚至向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區域）。LVRT是對并網風機在電網出現電壓跌落時仍保持并網的一種特定的運行功能要求。風電場內的風電機組具有在并網點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網連續運行625 ms的能力。風電場并網點電壓在發生跌落后2 s 內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內的風電機組能夠保證不脫網連續運行。當電網發生三相短路故障、兩相短路故障或者單相接地短路故障引起并網點電壓跌落時，風電場并網點各線電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區域內時，場內風電機組必須保證不脫網連續運行；風電場并網點任意線電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內風電機組允許從電網切出，如圖1所示。

圖1 風電場低壓穿越曲線

4 風機側故障波形分析

根據風機變流器網側故障錄波三相電壓變化圖形可知，05:17:18.469，發生箱變母排尖端放電時網側C相電壓波形發生變形并降低，如圖2所示。

圖2 箱式變壓器放電電壓波形圖（C相）

由于C 相弧光放電導致周邊空氣絕緣下降出現A、B相放電電壓發生變形并降低，如圖3所示。

圖3 箱式變壓器放電電壓波形圖（A、B相）

由于風機正常發電直流側電壓波動，箱變低壓母排三相弧光放電引起風機直流側電壓降低，23 ms后直流側電壓降低至直流額定電壓的90%以下風機側低電壓穿越保護啟動，低電壓穿越后18 ms 抬高電壓倍數1.38 倍，隨之交流側三相電壓升高，此時箱變低壓斷路器跳閘，風機發電機形成孤島運行電壓升高，如圖4所示。

圖4 低電壓穿越保護啟動波形圖

由于箱變低壓斷路器跳閘，風機發電機形成孤島運行電壓升高，交流電壓升高造成風機側防雷器泄壓啟動降低電壓，如圖5所示。

圖5 風機側直流電壓及網側交流電壓波形圖

風機發電機側電壓升高導致風機側防雷器泄壓持續啟動，導致風機側防雷器燒毀，并持續引起低壓穿越啟動，變流器抬升電壓，隨后防雷器燒毀并伴隨大量煙霧導致柜內消防煙感器報警，風機事故鏈保護動作停機，如圖6所示。

圖6 風機側直流電壓及網側交流電壓故障波形圖

5 故障原因分析

根據變流器故障錄波圖形數據、設備故障現場情況及箱變測控后臺數據分析。由于箱變低壓母排出現尖端對金屬支架放電拉弧，箱變低壓側C 相電壓降低，放電引起低壓側故障段母排周邊空氣絕緣降低，導致相間、相地拉弧放電，導致電壓降低出現故障，引起風機低電壓穿越保護投入，抬升系統電壓造成變流器網側防雷器持續動作泄壓，隨后箱變低壓側斷路器跳閘，風機發電機形成孤島運行進一步抬高風機發電側電壓，防雷器持續動作燒毀導致風機低電壓穿越連續動作抬升電壓，防雷器燒毀造成消防煙霧報警啟動報警，導致風機事故鏈動作，風機保護停機。故障原因為箱變低壓側母排存在尖端部位，距離配電柜上下金屬支架安裝距離較近，導致拉弧放電引起此次一系列故障。

6 解決處理措施

根據現場故障情況，廠家對損壞的防雷器進行更換，并對風機系統進行全面檢查，并出具了分析報告。箱變廠家對出現故障低壓母排及二次線進行更換，對熏黑柜門及器件進行清洗，并出具分析報告。廠家對箱變進行7項試驗均合格（電壓比測量及聯結組別標號檢定、繞組直流電阻測量、繞組對地及繞組間絕緣電阻測量、外施耐壓試驗、電纜絕緣測試、斷路器回路電阻、斷路器開關特性試驗），并出具試驗報告后，箱變投運正常，風機正常投運發電。

7 結束語

綜上所述，通過故障錄波分析故障，能夠較全面地分析故障發生的時間和邏輯關系，為風電技術改進提供可靠技術支撐，完善設備的設計與優化，為新能源技術發展奠定基礎，使我國的風力發電技術逐漸成熟完善。對風力發電技術的不斷研究和創新，使風力發電技術得到快速的改進和發展，我國的風力發電產業生態圈將會更加完善，為全球環境保護做出更大的貢獻。