張金平，秦世耀，王瑞明，李慶，孫勇，陳晨

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

近年來隨著風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展，到2010年底，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量是4400萬kW，占全球裝機(jī)容量的23%左右，部分電網(wǎng)的風(fēng)電裝機(jī)容量風(fēng)電裝機(jī)容量已超過電網(wǎng)統(tǒng)調(diào)總裝機(jī)的15%，風(fēng)電對(duì)接入電網(wǎng)的影響已不能忽略[1]。2011年，我國(guó)連續(xù)發(fā)生了多起大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事件，事故后的原因分析表明：風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電機(jī)組不具備低電壓穿越能力是事故發(fā)生及擴(kuò)大的主要原因。為了保證風(fēng)電大規(guī)模接入后電網(wǎng)的穩(wěn)定，國(guó)家GB/T19963-2011《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中明確要求風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)時(shí)，必須開展風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試。

1 風(fēng)電機(jī)組移動(dòng)式低電壓穿越試驗(yàn)裝置

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力需要通過試驗(yàn)的方式來驗(yàn)證，基于阻抗分壓式的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越試驗(yàn)裝置目前得到了廣泛的應(yīng)用。試驗(yàn)時(shí)，低電壓穿越試驗(yàn)裝置串接在電網(wǎng)和被試風(fēng)電機(jī)組之間，通過限流電抗器的接入限制低電壓跌落對(duì)電網(wǎng)的影響，通過并聯(lián)在短路電抗器上的開關(guān)的閉合“制造”電壓跌落故障。改變限流電抗器和短路電抗器的阻抗值及連接方式，就可以改變電壓跌落的幅度和類型。受固定式測(cè)試條件的影響，目前有相當(dāng)部分的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試裝置原理簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)接線方便，易于操作，便于運(yùn)輸。整個(gè)移動(dòng)試驗(yàn)裝置通常由兩個(gè)以上集裝箱組成，包括一個(gè)以上的工作集裝箱及一個(gè)辦公集裝箱。其中，工作集裝箱內(nèi)布置了低電壓穿越的主要的一次設(shè)備：電抗器、開關(guān)柜、控制柜；辦公集裝箱內(nèi)為操作人員監(jiān)測(cè)、控制試驗(yàn)進(jìn)程的工作場(chǎng)地?；诂F(xiàn)場(chǎng)工作、運(yùn)行條件的限制，整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備布置通常都比較緊湊，設(shè)備之間及設(shè)備與操作人員之間的安全間距距離規(guī)程要求的設(shè)定極限很近，裕度非常小。設(shè)計(jì)上考慮裝置的安全鏈對(duì)于保證人身及設(shè)備的安全有著十分重要的意義。圖1是低電壓穿越試驗(yàn)裝置原理圖。

圖1 阻抗分壓式低電壓穿越試驗(yàn)裝置Fig.1 Impedance division-type LVRT test device

2 試驗(yàn)裝置安全鏈保護(hù)范圍及設(shè)計(jì)原則

2.1 保護(hù)范圍

安全鏈保護(hù)的范圍包括以下3個(gè)方面：

1）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)人員人身保護(hù)。人身保護(hù)是安全鏈第一優(yōu)先的任務(wù)，防止試驗(yàn)人員的試驗(yàn)過程中的人身觸電事故。

2）實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)電力設(shè)備保護(hù)。風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備包括被試風(fēng)電機(jī)組本身、風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器、風(fēng)電機(jī)組的接入饋線。保護(hù)的目的是，風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備在試驗(yàn)過程中不至因過壓、過流而損毀。

3）實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)。風(fēng)電機(jī)組移動(dòng)式低電壓穿越測(cè)試設(shè)備包括操作開關(guān)、隔離開關(guān)、刀閘、電抗器，測(cè)試及控制設(shè)備，耐壓等級(jí)不同，功能各異，試驗(yàn)設(shè)備的保護(hù)是試驗(yàn)工作順利開展的基礎(chǔ)。

2.2 設(shè)計(jì)原則

1）可靠原則。安全鏈所有節(jié)點(diǎn)串聯(lián)連接，采用常閉式設(shè)計(jì)，任一環(huán)節(jié)的安全性能不滿足，則安全鏈馬上會(huì)觸發(fā)，試驗(yàn)停止。

設(shè)單一環(huán)節(jié)保護(hù)可靠性為ηi，則鏈?zhǔn)较到y(tǒng)保護(hù)失效的不可靠率由下式?jīng)Q定：

要求，整個(gè)試驗(yàn)裝置的可靠率大于99.9999%，則安全鏈?zhǔn)蕿?0-6，安全鏈有5級(jí)串聯(lián)環(huán)節(jié)，則任一安全設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可靠率（如保護(hù)動(dòng)作可靠率）大于97%即可滿足要求。

2）操作透明原則

安全鏈的設(shè)計(jì)應(yīng)周密和全面，但是其操作應(yīng)簡(jiǎn)單和透明。安全鏈應(yīng)嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)場(chǎng)的正常試驗(yàn)過程中，設(shè)備和試驗(yàn)步驟正常情況下，安全鏈的設(shè)置不會(huì)對(duì)操作人員的正常操作過程產(chǎn)生影響；一旦出現(xiàn)故障，安全鏈或由控制系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)，或可由操作人員方便地觸發(fā)。

3 試驗(yàn)裝置安全鏈實(shí)現(xiàn)

3.1 試驗(yàn)裝置安全鏈構(gòu)成

整個(gè)試驗(yàn)裝置的安全鏈包括以開關(guān)柜設(shè)計(jì)、繼電保護(hù)配置為主要內(nèi)容的硬件安全鏈，以流程化控制、自檢閉鎖為主的軟件安全鏈及包含安全規(guī)程與輔助設(shè)施的制度安全鏈等5個(gè)方面，如圖2所示。下文將分別討論各個(gè)部分的實(shí)現(xiàn)方法。

圖2 安全鏈構(gòu)成Fig.2 Composition of the safety chain

3.2 開關(guān)柜設(shè)計(jì)及選型

風(fēng)電機(jī)組移動(dòng)式低電壓穿越試驗(yàn)裝置共安裝7面開關(guān)柜，分別布置隔離刀閘、電網(wǎng)側(cè)開關(guān)及PT、限流電抗器開關(guān)、跌落開關(guān)、風(fēng)機(jī)側(cè)開關(guān)及PT。

DL/T 593-2006《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》和DL/T 791-2001《戶內(nèi)交流充氣式開關(guān)柜選用導(dǎo)則》對(duì)戶內(nèi)使用開關(guān)柜的額定電壓、額定電流、絕緣水平、爬電距離、氣體種類、壓力等做了明確要求。移動(dòng)式低電壓穿越試驗(yàn)裝置試驗(yàn)室串接在風(fēng)電機(jī)組箱變高壓側(cè)，最高標(biāo)準(zhǔn)額定電壓等級(jí)為35 kV，試驗(yàn)裝置短路時(shí)串接的最小電抗值為18.87 Ω，假設(shè)變壓器額定容量為12000 kA·V，短路電壓Uk為6.5%，忽略饋線的阻抗影響（假定在主變低壓側(cè)入口處短路），最大短路電流小于700 A，據(jù)此選定開關(guān)柜的各技術(shù)參數(shù)。

SF6氣體絕緣真空斷路器開關(guān)柜在母線室和斷路器室均設(shè)置絕緣氣箱，依靠氣箱內(nèi)的SF6起到氣體絕緣效果，降低了操作過電壓；在電氣和機(jī)械壽命上，SF6斷路器完全滿足IEC60056中B級(jí)斷路器標(biāo)準(zhǔn)要求，在預(yù)期壽命內(nèi)對(duì)斷口部件不需要維護(hù)，而僅需要對(duì)其他部件進(jìn)行維護(hù)。試驗(yàn)設(shè)備選用額定電壓/電流為40.5 kV/1250 A，額定短路開斷電流為31.5 kA的SF6氣體絕緣真空斷路器可滿足最大至6 MW的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越試驗(yàn)要求。

表1 開關(guān)柜斷路器技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the switch cabinet breaker

在中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)中，在電網(wǎng)發(fā)生單相接地等故障情況下，電壓互感器PT的鐵磁諧振會(huì)導(dǎo)致PT因過電壓而損壞。風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行條件惡劣，線路都采用架空設(shè)計(jì)，春夏季節(jié)易遭受雷擊而導(dǎo)致單相接地，串接在中壓饋線上的試驗(yàn)裝置易受到鐵磁諧振的威脅，在試驗(yàn)裝置的風(fēng)機(jī)側(cè)、電網(wǎng)側(cè)PT上安裝消諧阻尼器是較好的解決辦法。表2是消諧阻尼器的技術(shù)參數(shù)。

表2 消諧阻尼器技術(shù)參數(shù)Tab.2 Technical parametes of the harmonic damper

電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，消諧器上電壓＜500 V，消諧阻尼器的非線性電阻呈高電阻值，阻尼作用大，使諧振在起始階段不易發(fā)展；當(dāng)電網(wǎng)單相接地時(shí)，消諧器上電壓較高，非線性電阻呈低值，PT開口三角電壓較小；電網(wǎng)弧光接地時(shí)，非線性電阻仍能保持一定的阻值，這樣可以限制互感器涌流。

3.3 繼電保護(hù)配置

繼電保護(hù)配置在試驗(yàn)裝置的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)線路上，用于在試驗(yàn)裝置內(nèi)部、風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器、風(fēng)電機(jī)組接入饋線的三相短路、兩相短路或試驗(yàn)裝置內(nèi)部的單相接地短路故障情況下的保護(hù)；繼電保護(hù)裝置測(cè)量被保護(hù)線路的電壓、電流，當(dāng)被保護(hù)線路過壓、過流時(shí)，切斷被保護(hù)線路。試驗(yàn)過程被保護(hù)線路的過流或過壓可能由于被試風(fēng)機(jī)接入線路的故障所致，也可能由于試驗(yàn)裝置的故障所致，無論何種情況，都要保證試驗(yàn)裝置的繼電保護(hù)先于風(fēng)場(chǎng)集電線路的繼電保護(hù)動(dòng)作。

保護(hù)配置如下類型保護(hù)：

1）瞬時(shí)電流速斷保護(hù)（I段保護(hù)），不帶時(shí)限，其動(dòng)作時(shí)間是保護(hù)裝置固有的動(dòng)作時(shí)間；

2）限時(shí)電流速斷保護(hù)（Ⅱ段保護(hù)），帶較小延時(shí)；

3）定時(shí)限過電流保護(hù)(Ⅲ段保護(hù))，帶較長(zhǎng)時(shí)限。

瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過電流保護(hù)都是反應(yīng)于電流升高而動(dòng)作的保護(hù)。它們之間的區(qū)別主要在于按照不同的原則來選擇啟動(dòng)電流。典型保護(hù)定值選取如表3所示。

表3 繼電保護(hù)配置及定值Tab.3 Relay protection configuration and setting value

反時(shí)限過電流保護(hù)的保護(hù)特性具有當(dāng)電流越大保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限短，而電流小時(shí)動(dòng)作時(shí)限長(zhǎng)的特點(diǎn)。試驗(yàn)裝置反時(shí)限過電流特性如式（2）所示。

其中，Tp取值為0.12。

3.4 流程化控制

流程化控制保證低電壓穿越試驗(yàn)過程按照設(shè)定的操作序列執(zhí)行，防止人員操作過程中的隨意性，杜絕誤操作。通過控制器軟件設(shè)定自動(dòng)的操作流程，程序化控制采用美國(guó)Cygnal C8051F120智能芯片為主控制器，C8051F120為高集成度的片上系統(tǒng)（SOC），內(nèi)部集成了16路程序存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM、A/D轉(zhuǎn)換、輸入/輸出接口及串行接口。軟件用C/C++語言實(shí)現(xiàn)，由數(shù)據(jù)采集與處理模塊、流程化控制模塊、定時(shí)器模塊、通訊模塊等組成。

流程化控制由試驗(yàn)人員在試驗(yàn)終端上的操作觸發(fā)。試驗(yàn)設(shè)備包含以下流程化操作模塊：

1）風(fēng)電機(jī)組準(zhǔn)備并網(wǎng)流程。斷開各接地刀閘→斷開各斷路器→合上各隔離開關(guān)→合上限流電抗器短路開關(guān)→啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組。

2）準(zhǔn)備進(jìn)集裝箱流程。風(fēng)電機(jī)組停機(jī)→斷開各斷路器→斷開各隔離開關(guān)→合上各接地刀閘。

3）空載跌落流程。風(fēng)電機(jī)組停機(jī)→斷開風(fēng)電機(jī)組側(cè)試驗(yàn)開關(guān)→斷開限流電抗器短路開關(guān)→閉合跌落開關(guān)→斷開跌落開關(guān)→閉合限流電抗器短路開關(guān)。

4）低電壓跌落測(cè)試流程。閉合風(fēng)電機(jī)組側(cè)試驗(yàn)開關(guān)→斷開限流電抗器短路開關(guān)→閉合跌落開關(guān)→斷開跌落開關(guān)→閉合限流電抗器短路開關(guān)。

3.5 自檢閉鎖系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)可以執(zhí)行如下自檢閉鎖操作：

1）電壓跌落前確保接入電網(wǎng)的限流電抗器能正確投入，反饋節(jié)點(diǎn)收到限流電抗器投入信號(hào)。

2）模擬量測(cè)量信號(hào)正常、開關(guān)量輸入信號(hào)正常，才能啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)過程中，各跌落開關(guān)輔助接點(diǎn)位置不正確，流程化操作過程超時(shí)，試驗(yàn)自動(dòng)停止。

4）當(dāng)操作區(qū)域帶電時(shí)，自檢系統(tǒng)自動(dòng)閉鎖該區(qū)域，不允許操作人員進(jìn)入。

3.6 規(guī)程設(shè)計(jì)與輔助設(shè)施

1）試驗(yàn)設(shè)備分區(qū)布置原則。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)上，遵循了強(qiáng)弱電分開的原則，試驗(yàn)二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)分開隔離布置，不允許試驗(yàn)人員進(jìn)入一次帶電區(qū)域；試驗(yàn)前，在測(cè)試設(shè)備的安裝上，要求試驗(yàn)設(shè)備與被試風(fēng)機(jī)有足夠的安全距離，防止極端情況下，被試風(fēng)機(jī)倒塌影響試驗(yàn)人員及設(shè)備的安全；測(cè)試設(shè)備位于待測(cè)風(fēng)機(jī)的主風(fēng)向的上風(fēng)向。

2）進(jìn)入集裝箱工作流程。

進(jìn)入集裝箱工作流程的主要作用是保證操作員進(jìn)入工作集裝箱內(nèi)可能帶電位置時(shí)保護(hù)操作人員的安全。由于開關(guān)柜的使用，操作人員并不能通過外部明顯的斷合位置判斷操作開關(guān)的狀態(tài)，需要有多重措施來保障操作員的安全。

驗(yàn)電設(shè)施在操作員碰觸操作位置（或可能碰觸位置）之前檢驗(yàn)該位置是否帶有電荷，是否對(duì)人員人身安全構(gòu)成威脅。當(dāng)檢驗(yàn)位置電壓在500 V以上時(shí)，驗(yàn)電設(shè)備報(bào)警，提示操作人員不要靠近。在驗(yàn)電確認(rèn)操作位置沒有電壓后，通過掛接底線將操作位置牢固接地，操作點(diǎn)與地電位等電平，確保操作安全。帶電門控自鎖系統(tǒng)確保操作人員在進(jìn)入集裝箱操作前，保證集裝箱處在停電狀態(tài)，若集裝箱依然帶電，該系統(tǒng)確保操作集裝箱門不能被打開。

進(jìn)入集裝箱工作流程如圖3所示。

圖3 操作人員進(jìn)入集裝箱工作流程Fig.3 Flow process chart of operators’entrance to the container

3）緊急停止設(shè)施

風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越啟動(dòng)后，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程由軟件控制自動(dòng)完成。試驗(yàn)的緊急停止設(shè)施提供了一種在應(yīng)急情況下停止試驗(yàn)過程的手段。停止后，試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，各開關(guān)回到試驗(yàn)前的開始狀態(tài)，便于工作人員檢查設(shè)備有無異常。在辦公集裝箱設(shè)置了一個(gè)遠(yuǎn)程停止按鈕；在工作集裝箱設(shè)置了一個(gè)就地停止按鈕；同時(shí)在工作集裝箱設(shè)置了各個(gè)開關(guān)、刀閘的就地操作（軟）按鈕。

4 結(jié)語

滿足本安全鏈設(shè)計(jì)約束的風(fēng)電機(jī)組移動(dòng)式低電壓穿越試驗(yàn)裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）能充分保證操作人員的安全。在試驗(yàn)過程及試驗(yàn)停止期間，保證操作人員不進(jìn)入可能的帶電區(qū)域內(nèi)。

2）能充分保證試驗(yàn)設(shè)備的安全。試驗(yàn)過程中，若檢測(cè)到設(shè)備異常，能及時(shí)停止試驗(yàn)，待設(shè)備正常后，再投入。

3）自動(dòng)化程度高，安全鏈在正常情況下不動(dòng)作，不干擾試驗(yàn)的正常進(jìn)行。

滿足本安全設(shè)計(jì)方法的風(fēng)電機(jī)組移動(dòng)式低電壓穿越試驗(yàn)裝置已在國(guó)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越型式試驗(yàn)中得到應(yīng)用，裝置運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高。

[1] 許成哲，辛葉春.大規(guī)模風(fēng)電對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27（3）：74-76.XU Cheng-zhe，XIN Ye-chun.Study on impacts of largescaled wind farms on stability of electric power system[J].Power System and Clean Energy，2011，27（3）：74-76（in Chinese）.