某海上風電場220 kV海纜線路單相接地故障分析

顧星星

摘 要：以某海上風電場實際發生的一起220 kV海纜線路單相接地故障為例，分析了故障發生時該海上風電場陸上集控中心端及海上升壓站端的故障電壓、故障電流波形及特性。分析結果表明：相較于陸上集控中心端，海上升壓站端為弱饋電源端；由于海上升壓站端的正序等值阻抗、負序等值阻抗遠大于零序等值阻抗，當海纜線路發生單相接地故障時，海上升壓站端流過的故障電流主要為零序分量，使故障電流的三相電流幅值、相位近似一致，與傳統接地故障象征有明顯差別。研究結果可為海上風電場220 kV海纜線路安全穩定運行，以及海纜線路繼電保護正確選相及可靠動作提供有益指導。

關鍵詞：海上風電場；海纜線路；單相接地故障；故障錄波

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A

0? 引言

110 kV及以上電壓等級的陸上風電場接入電力系統，風電場端具有弱饋電源特性，當并網線路發生接地故障時，風電場端流過的故障電流主要為零序分量，使故障電流的三相電流幅值、相位近似一致，這與傳統接地故障象征有明顯差別[1]。海上風電場220 kV海纜線路保護與陸上風電場的并網線路保護配置基本一致，研究海上風電場220 kV海纜線路單相接地故障時的故障電壓、故障電流特性，對保證海上風電場220 kV海纜線路安全穩定運行及繼電保護可靠動作可起到有益的指導作用。本文以某海上風電場實際發生的一起220 kV海纜線路單相接地故障為例，對故障發生時海上風電場陸上集控中心端及海上升壓站端的故障電壓、故障電流波形及特性進行分析。

1? 海上風電場概況

某海上風電場的總裝機容量為300 MW，安裝了75臺單機容量為4 MW的風電機組，發電機為鼠籠異步型。該海上風電場配套建有1座220 kV陸上集控中心和1座220 kV海上升壓站。風電機組通過12回35 kV海纜接入220 kV海上升壓站，經海上升壓站升壓后，以2回220 kV海纜在登陸點登陸，并轉陸纜接至220 kV陸上集控中心，再經1回220 kV線路接至220 kV蓬樹開關站（電網接入點）。220 kV陸上集控中心采用單母線接線方式，220 kV海上升壓站采用線變組接線方式，風電場的3臺主變壓器220 kV側中性點均直接接地運行。

該海上風電場的220 kV陸上集控中心的一次系統圖如圖1所示，220 kV海上升壓站的一次系統圖如圖2所示。圖中數值均為設備編號。

2? 事故前的工況及事故經過

2.1? 事故發生前的工況

事故發生前，該海上風電場的全場平均風速為8.68 m/s，總有功功率為180.25 MW；220 kV交蓬26L0線路、220 kV海交26S1線路、220 kV海交26S2線路均正常運行；其余主設備也均正常運行。

2.2? 事故經過

2021年12月12日06：00：31，該海上風電場陸上集控中心端220 kV海交26S1開關、海上升壓站端220 kV海交26S1開關跳閘。海上升壓站場用電系統的備用電源自動投入裝置（下文簡稱為“備自投裝置”）動作正常，400 V I段母線切換至2#場用變壓器（下文簡稱為“場用變”）供電。

現場檢查220 kV海交26S1線路的保護動作情況，發現陸上集控中心端的縱聯差動保護動作、接地距離保護I段動作，故障測距為26.736 km，故障電流為22.626 A，零序電流為21.248 A，故障回路電壓為27.752 V，最大差動電流為25.017 A，故障相別為C相；發現海上升壓站端的縱聯差動保護動作、接地距離保護I段動作，故障測距為57.661 km，故障電流為1.330 A，零序電流為3.169 A，故障回路電壓為5.302 V，最大差動電流為25.124 A，故障相別為C相。

現場查看故障錄波情況，故障時刻陸上集控中心端的220 kV正母線電壓、220 kV海交26S1線路電流的錄波圖如圖3所示，故障時刻海上升壓站端220 kV海交26S1線路電壓、電流的錄波圖如圖4所示。

根據繼電保護裝置動作情況和圖3、圖4的實際故障錄波圖進行分析，判斷此次故障為220 kV海交26S1線路C相單相接地故障。

進一步對圖3、圖4的實際故障錄波圖進行分析可知：當220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時，陸上集控中心端220 kV海交26S1線路的C相電壓降低，非故障相電壓基本不變，C相電流瞬時增大。而海上升壓站端220 kV海交26S1線路的C相電壓大幅降低，非故障電壓基本不變；而故障電流的A、B、C三相電流幅值、相位基本相同。

由此可知，當海上風電場220 kV海纜線路發生單相接地故障時，陸上集控中心端的故障電壓、故障電流的特性與傳統大電流接地系統線路發生單相接地故障時的故障象征相同，而海上升壓站端的故障電壓、故障電流的特性與傳統大電流接地系統線路單相接地故障象征有較大差別。

3? 海上風電場的弱饋特性及其海纜線路單相接地故障特性的分析

3.1? 海上風電場的弱饋特性

在兩端供電系統中，通常把電源容量較小的一側電源稱為弱饋電源[2]。對于海上風電場而言，其所發電量通常經海上升壓站的主變壓器、海纜線路送至陸上集控中心，再經送出線路并入電網，因此，陸上集控中心端是強電源，海上升壓站端是弱饋電源。

當海纜線路內部發生故障時，由于海上升壓站端（即弱饋電源端）的系統阻抗很大，因此其故障電流很小，且比陸上集控中心端的故障電流小。由于海上升壓站的主變壓器為中性點直接接地，當海纜線路發生單相接地故障時，在零序等效電路中，海上升壓站端的等值阻抗比正序等值阻抗、負序等值阻抗相對小很多，因此在海上升壓站端的故障電流中，幾乎全是零序電流，正序、負序電流所占比重很小[3]。

3.2? 海纜線路單相接地故障特性的分析

利用對稱分量法對該海上風電場海纜線路單相接地故障特性進行分析。當該海上風電場220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時，其正序、負序、零序網絡如圖5所示。圖中：XFG1、XXB1、XJD1、XT1、XLG1、XLS1、XS1分別為風電機組的正序等值阻抗、風電機組箱式變壓器的正序等值阻抗、風電機組進線的正序等值阻抗、海上升壓站主變壓器的正序等值阻抗、故障點到海上升壓站端線路的正序等值阻抗、故障點到陸上集控中心端線路的正序等值阻抗、歸算到陸上集控中心220 kV正母線處的系統正序等值阻抗；fG1為流過海上升壓站端的正序等效電流；fS1為流過陸上集控中心端的正序等效電流；f1為故障點電流的正序分量，其值為流過海上升壓站端和陸上集控中心端的正序等效電流之和；f1為故障點電壓的正序分量；G1為風電機組的等效電動勢；S1為系統的等效電動勢；XFG2、XXB2、XJD2、XT2、XLG2、XLS2、XS2別為風電機組的負序等值阻抗、風電機組箱式變壓器的負序等值阻抗、風電機組進線的負序等值阻抗、海上升壓站主變壓器的負序等值阻抗、故障點到海上升壓站端線路的負序等值阻抗、故障點到陸上集控中心端線路的負序等值阻抗、歸算到陸上集控中心220 kV正母線處的系統負序等值阻抗；fG2為流過海上升壓站端的負序等效電流；fS2為流過陸上集控中心端的負序等效電流；f2為故障點電流的負序分量，其值為流過海上升壓站端和陸上集控中心端的負序等效電流之和；f2為故障點電壓的負序分量；XT0、XLG0、XLS0、XS0分別為海上升壓站主變壓器的零序等值阻抗、故障點到海上升壓站端線路的零序等值阻抗、故障點到陸上集控中心端線路的零序等值阻抗、歸算到陸上集控中心220 kV正母線處的系統零序等值阻抗；fG0為流過海上升壓站端的零序等效電流；fS0為流過陸上集控中心端的零序等效電流；f0為故障點電流的零序分量，其值為流過海上升壓站端和陸上集控中心端的零序等效電流之和；f0為故障點電壓的零序分量。

該海上風電場220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時正序、負序、零序網絡的邊界條件為：

（1）

式中：為單相接地故障時故障相C相的電壓；為單相接地故障時非故障相A相的電流；為單相接地故障時非故障相B相的電流。

特殊相為C相，利用對稱分量法將邊界條件用特殊相序分量表示為：

（2）

（3）

式中：、、分別為單相接地故障時故障相C相的正序電流分量、負序電流分量、零序電流分量；為單相接地故障時故障相C相的故障電流；、、分別為單相接地故障時故障相C相的正序電壓分量、負序電壓分量、零序電壓分量。

因此，當220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時，復合序網絡為正序、負序、零序網絡的串聯，即圖5中f1=f2=f0。

海上升壓站端的正序等值阻抗X∑G1、負序等值阻抗X∑G2、零序等值阻抗X∑G0可分別表示為：

X∑G1=XFG1+XXB1+XJD1+XT1+XLG1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

X∑G2=XFG2+XXB2+XJD2+XT2+XLG2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

X∑G0=XT0+XLG0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

陸上集控中心端的正序等值阻抗X∑S1、負序等值阻抗X∑S2、零序等值阻抗X∑S0可分別表示為：

X∑S1=XLS1+XS1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

X∑S2=XLS2+XS2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

X∑S0=XLS0+XS0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

根據江蘇省省級調度中心下發的系統等值阻抗，等效到該海上風電場220 kV正母線最大運行方式和最小運行方式下的系統等值阻抗分別為0.0150、0.0311，據此可計算出該海上風電場220 kV正母線最大運行方式和最小運行方式下的短路容量分別為6666.66、3215.43 MVA。該海上風電場的總裝機容量為300 MW，其中通過220 kV海交26S1線路接入陸上集控中心220 kV正母線的容量為152 MVA，僅為其接入點陸上集控中心端220 kV正母線短路容量的2.28%～4.73%，可認為海上升壓站端的正序等值阻抗和負序等值阻抗遠大于陸上集控中心端的正序等值阻抗和負序等值阻抗，即X∑G1?X∑S1、X∑G2?X∑S2。對于零序網絡，由于海上升壓站的主變壓器220 kV側中性點直接接地，因此當220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時，海上升壓站端的零序等值阻抗僅包含故障點到海上升壓站端線路的零序等值阻抗和海上升壓站主變壓器的零序等值阻抗，與陸上集控中心端的零序等值阻抗相差不大，即X∑G0與X∑S0相差不大。

當220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時，f1=f2=f0。根據正序、負序、零序網絡各自的分流效應，流過海上升壓站端的正序等效電流、負序等效電流、零序等效電流和流過陸上集控中心端的正序等效電流、負序等效電流、零序等效電流可分別表示為：

（10）

（11）

（12）

（13）

（14）

（15）

在不考慮負荷電流的情況下，海上升壓站端的A、B、C三相電流fAH、fBH、fCH可分別表示為：

（16）

（17）

（18）

由于海上升壓站端相較于陸上集控中心端為弱饋電源端，其正序等值阻抗、負序等值阻抗遠大于陸上集控中心端的正序等值阻抗、負序等值阻抗，而海上升壓站端的零序等值阻抗與陸上集控中心端的零序等值阻抗相差不大，因此可以得出、，即海上升壓站端流過的故障電流中的正序分量、負序分量遠小于零序分量，從而出現海上升壓站故障電流的三相電流幅值、相位均近乎相同的情況，與圖4實際故障錄波圖的顯示一致。

在不考慮負荷電流的情況下，陸上集控中心端的A、B、C三相電流、、可分別表示為：

（19）

（20）

（21）

由于陸上集控中心端相較于海上升壓站端為強電源側，當220 kV海交26S1線路C相發生單相接地故障時，故障相流過的故障電流的正序、負序、零序分量大小相等、方向相同，且故障相電流為其正序、負序、零序分量的疊加，而非故障相電流為零，與圖3實際故障錄波圖的顯示一致。

4? 結論

本文以某海上風電場實際發生的一起220 kV海纜線路單相接地故障為例，對海上風電場220 kV海纜線路發生單相接地故障時陸上集控中心端及海上升壓站端的故障電壓、故障電流波形及特性進行了分析。分析結果顯示：該海上風電場220 kV海纜線路發生單相接地故障時，相較于陸上集控中心端，海上升壓站端為弱饋電源端；海上風電場220 kV海纜線路發生單相接地故障時，海上升壓站端流過的故障電流主要為零序分量，使故障電流的三相電流幅值、相位近似一致，與傳統接地故障象征有明顯差別。該研究結果可對海上風電場220 kV海纜線路安全穩定運行，以及繼電保護正確選相及可靠動作起到有益地指導作用。

[參考文獻]

[1] 王進，張健，苗偉威，等. 一起220 kV風電場并網線路接地故障分析[J]. 山東電力技術，2020，47（6）：1-4.

[2] 申南軒. 風電場并網運行的故障特性分析及保護策略研究[D]. 北京：華北電力大學，2018.

[3] 張保會，李光輝，王進，等. 風電接入電力系統故障電流的影響因素分析及對繼電保護的影響[J]. 電力自動化設備，2012，32（2）：1-8.

ANALYSIS OF SINGLE-PHASE GROUNDING FAULT OF 220 kV SUBMARINE CABLE LINE IN A CERTAIN OFFSHORE WIND FARM

Gu Xingxing

（Jiangsu Communications Rudong Offshore Wind Power Co.，Ltd，Nantong 226400，China）

Abstract：This paper takes an actual single-phase grounding fault of a 220 kV submarine cable line in a certain offshore wind farm as an example to analyze the waveform and characteristics of the fault voltage，fault current of the onshore centralized control center end and offshore booster station end of the offshore wind farm when the fault occurred. The analysis results show that compared to the onshore centralized control center end，the offshore booster station end is a weak feed power source end；Due to the fact that the positive sequence equivalent impedance and negative sequence equivalent impedance at the offshore booster station end are much greater than the zero sequence equivalent impedance，when a single-phase grounding fault occurs on the submarine cable line，the fault current flowing through the offshore booster station end mainly consists of the zero sequence component，making the amplitude and phase of the three-phase current of the fault current approximately consistent，which is significantly different from the traditional grounding fault symbol. The research results can provide useful guidance for the safe and stable operation of 220 kV submarine cable lines in offshore wind farms，as well as the correct phase selection and reliable operation of relay protection for submarine cable lines.

Keywords：offshore wind farm；submarine cable line；single-phase grounding fault；fault recording