趙宇皓，張兵海，楊志強(qiáng)

(1.河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021;2.蔚縣新天風(fēng)能有限公司，張家口 075000)

按照國(guó)家風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，2015年我國(guó)風(fēng)電規(guī)模將達(dá)到1億kW。隨著風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量的增加，風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的影響也越來(lái)越突出。風(fēng)電場(chǎng)具有特殊的接線方式、運(yùn)行方式和運(yùn)行環(huán)境，研究風(fēng)電場(chǎng)的保護(hù)配置與整定，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行及故障切除等方面具有重要意義[1-4]。根據(jù)某風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)定值計(jì)算實(shí)例，探討風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)配置及整定原則，給出了風(fēng)電場(chǎng)匯集線路保護(hù)的配置方案及保護(hù)與低電壓穿越的配合關(guān)系。

1 系統(tǒng)概述

圖1所示為某風(fēng)電場(chǎng)接線圖。風(fēng)力發(fā)電機(jī)沿35 kV匯集線分布，風(fēng)機(jī)出口電壓690 V，經(jīng)過(guò)箱式變壓器升壓到35 kV，經(jīng)匯集線T接入升壓變電站的35 kV母線，35 kV系統(tǒng)經(jīng)接地變壓器小電阻接地，主變壓器容量100 MVA。風(fēng)電場(chǎng)一期裝機(jī)49.5 kW，共33臺(tái)1 500 kW的雙反饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，平均接入3回35 kV匯集線路，分別為331線路、332線路、333線路；二期裝機(jī)為49.3 MW，共33臺(tái)單機(jī)容量為1 500 kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，平均接入2回35 kV匯集線路，分別為334線路、335線路。

圖1 某風(fēng)電場(chǎng)接線示意

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)機(jī)箱式變壓器一般采用高壓側(cè)角形、低壓側(cè)星形接線形式，高壓側(cè)出口采用電纜上塔接至架空線路，再經(jīng)架空線路送至風(fēng)電場(chǎng)升壓站。線路進(jìn)站采用電纜，站外設(shè)置終端塔，從終端塔至35 kV 開(kāi)關(guān)柜段由電纜進(jìn)線。風(fēng)機(jī)箱變壓器高壓側(cè)配置有隔離開(kāi)關(guān)及熔斷器，低壓側(cè)配置有斷路器。當(dāng)風(fēng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)低壓側(cè)斷路器，保證風(fēng)機(jī)安全；當(dāng)風(fēng)機(jī)箱變壓器發(fā)生故障時(shí)，高壓側(cè)熔斷器熔斷，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 匯集線繼電保護(hù)配置

35 kV系統(tǒng)為中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地系統(tǒng)，GB/T 14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程規(guī)程》[5]規(guī)定：中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地的單側(cè)電源線路裝設(shè)一段或兩段三相式電流保護(hù)，作為相間故障的主保護(hù)和后備保護(hù)；裝設(shè)一段或兩段零序電流保護(hù)，作為接地故障的主保護(hù)和后備保護(hù)。此外，DL/T 584-2007《3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程規(guī)程》[6]規(guī)定：母線連接元件(含站用變壓器、電容器、電抗器、出線)應(yīng)配置兩段零序電流保護(hù)、兩段相電流保護(hù)作為該元件的主保護(hù)和后備保護(hù)。以下主要對(duì)相間故障保護(hù)配置進(jìn)行分析。

2.1 相間故障主保護(hù)

按照規(guī)程要求，在保護(hù)實(shí)際配置時(shí)，若配置兩段過(guò)流保護(hù)作為相間故障主保護(hù)和后備保護(hù)，則主保護(hù)只有一段，將面臨主保護(hù)無(wú)法兼顧選擇性和速動(dòng)性的難題。

對(duì)于相間故障，需要配置有快速動(dòng)作的主保護(hù)，且主保護(hù)要滿足線路末端故障有靈敏度，即主保護(hù)范圍為線路全長(zhǎng)。由于匯集線沿線分布風(fēng)力發(fā)電機(jī)，線路主保護(hù)范圍將延伸至線路近端的風(fēng)機(jī)箱變壓器內(nèi)部。

主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可選擇2種方案：一是為滿足選擇性的要求，主保護(hù)動(dòng)作延時(shí)為與箱式變壓器高壓側(cè)熔斷器時(shí)間配合，取延時(shí)Δt為0.3～0.5 s；二是滿足速動(dòng)性的要求，采用無(wú)延時(shí)的速斷保護(hù)。方案一的問(wèn)題在于，在匯集線出線近端發(fā)生相間故障時(shí)，故障電流值近似于35 kV母線相間短路電流，35 kV母線故障電壓遠(yuǎn)低于20%的額定電壓，在這種嚴(yán)重故障下，保護(hù)的快速切除故障對(duì)負(fù)荷開(kāi)關(guān)等電力設(shè)備壽命及整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行有重要意義。在此情況下，應(yīng)該按照35 kV母線短路故障處理，保護(hù)無(wú)延時(shí)切除故障。方案二的問(wèn)題在于，當(dāng)發(fā)生線路近端風(fēng)機(jī)箱式變壓器內(nèi)部故障時(shí)，線路主保護(hù)與風(fēng)機(jī)箱式變壓器高壓側(cè)熔斷器無(wú)時(shí)間配合，由此帶來(lái)的結(jié)果是匯集線主保護(hù)可能先于箱式變壓器熔斷器動(dòng)作，造成該線路跳閘和非故障風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

綜上所述，主保護(hù)配置一段電流保護(hù)無(wú)法兼顧快速性和選擇性的需求。因此，建議35 kV線路主保護(hù)應(yīng)配置有過(guò)流速斷保護(hù)及延時(shí)電流速斷保護(hù)。其中，過(guò)流速斷保護(hù)在線路出線近端短路時(shí)無(wú)延時(shí)切除故障；延時(shí)電流速斷保護(hù)作為整條線路的主保護(hù)，保護(hù)范圍為線路全長(zhǎng)，同時(shí)作為風(fēng)機(jī)箱式變壓器的遠(yuǎn)后備保護(hù)，設(shè)置短延時(shí)。

2.2 相間故障后備保護(hù)

規(guī)程[6]規(guī)定，“3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)一般采用遠(yuǎn)后備方式，即在臨近故障點(diǎn)的斷路器處裝設(shè)的繼電保護(hù)或斷路器本身拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)由電源側(cè)上一級(jí)斷路器處的繼電保護(hù)動(dòng)作切除故障”。由于風(fēng)電并網(wǎng)線路為雙側(cè)電源線路，需要考慮風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的工況。在此情況下，其他并網(wǎng)線路作為該線路的上一級(jí)電源，應(yīng)配置有一段長(zhǎng)延時(shí)過(guò)流保護(hù)，作為該線路保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，同時(shí)作為主變壓器的遠(yuǎn)后備保護(hù)，在主變壓器發(fā)生故障且低壓側(cè)保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，切除故障。

文獻(xiàn)[3]提到，線路保護(hù)還要增設(shè)方向元件以提高保護(hù)靈敏度，但在實(shí)際整定中，長(zhǎng)延時(shí)過(guò)流保護(hù)整定原則一般為躲過(guò)線路負(fù)荷電流，即使加裝方向元件，電流定值也不能小于線路負(fù)荷電流，而且方向元件使用中存在TV斷線閉鎖保護(hù)等情況，應(yīng)用較為復(fù)雜，因此該算例中保護(hù)不配置方向元件。

3 保護(hù)整定與低電壓穿越校驗(yàn)

35 kV風(fēng)電系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)低阻接地的接線形式，應(yīng)按照低阻接地系統(tǒng)的電流保護(hù)整定原則進(jìn)行整定。此外，根據(jù)國(guó)電電網(wǎng)調(diào)[2011]974號(hào)文件《風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行反事故措施要點(diǎn)》要求，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組要求具備低電壓穿越能力，即在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，能夠保持運(yùn)行，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而穿越這個(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。為滿足風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的要求，匯集線路保護(hù)定值整定需要與低電壓穿越的技術(shù)指標(biāo)配合，因此，需要進(jìn)行保護(hù)定值的低電壓穿越校驗(yàn)。

3.1 保護(hù)整定

3.1.1 電流速斷保護(hù)

規(guī)程[6]規(guī)定，“應(yīng)按躲過(guò)本線路末端最大三相短路電流整定”，以331線路為例，電流動(dòng)作值整定為：

(1)

式中：Krel為可靠系數(shù)，取1.3；Ik.max為331線路末端最大三相短路電流；ηTA為T(mén)A變比。保護(hù)范圍：

(2)

保護(hù)靈敏度校驗(yàn)。電流速斷保護(hù)應(yīng)校驗(yàn)被保護(hù)線路出口短路的靈敏系數(shù)，在常見(jiàn)運(yùn)行大方式下，三相短路的靈敏系數(shù)不小于1時(shí)即可投運(yùn)。電流動(dòng)作值經(jīng)校驗(yàn)滿足靈敏度要求。

3.1.2 延時(shí)電流速斷保護(hù)

規(guī)程[6]要求，“電流定值應(yīng)對(duì)本線路末端故障有規(guī)定的靈敏系數(shù)”，而且“20 km以下的線路不小于1.5”，該算例中，匯集線路長(zhǎng)度均小于20 km，整定原則為：滿足線路末端最小運(yùn)行方式下兩相短路有靈敏度，靈敏系數(shù)為1.5。電流動(dòng)作值整定為：

(3)

3.1.3 長(zhǎng)延時(shí)過(guò)流保護(hù)

規(guī)程[6]要求，“電流定值應(yīng)與相鄰線路的延時(shí)段保護(hù)或過(guò)電流保護(hù)配合整定，同時(shí)，電流定值還應(yīng)躲過(guò)最大負(fù)荷電流”，同時(shí)要求“對(duì)中低壓側(cè)接有并網(wǎng)小電源的變壓器，如變壓器小電源側(cè)的過(guò)電流保護(hù)不能在變壓器其他側(cè)母線故障時(shí)可靠切除故障，則應(yīng)由小電源并網(wǎng)線的保護(hù)裝置切除故障”，據(jù)此，整定原則為躲風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的線路負(fù)荷電流，并作為1號(hào)主變壓器的遠(yuǎn)后備保護(hù)。電流動(dòng)作值整定為：

(4)

式中：KK為可靠系數(shù)，取1.2；Kf為返回系數(shù)0.85～0.95，取0.9；IFH.max為本線路最大負(fù)荷電流。保護(hù)動(dòng)作時(shí)間與1號(hào)主變壓器過(guò)流保護(hù)時(shí)間配合。

3.2 低電壓穿越校驗(yàn)

3.2.1 低電壓穿越要求

圖2為對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越要求。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不間斷并網(wǎng)運(yùn)行；并網(wǎng)點(diǎn)在圖中輪廓線以下時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越曲線

規(guī)定的風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求:

a. 風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%額定電壓時(shí)，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625 ms的能力；

b. 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

3.2.2 線路保護(hù)校驗(yàn)原則

風(fēng)電機(jī)組應(yīng)在并網(wǎng)點(diǎn)電壓為20%額定電壓能夠持續(xù)625 ms不間斷運(yùn)行，當(dāng)某條線路故障點(diǎn)距離母線較遠(yuǎn)時(shí)，故障過(guò)程中并網(wǎng)點(diǎn)電壓將大于20%額定電壓，從低電壓穿越曲線圖中可以看出，隨著并網(wǎng)點(diǎn)電壓的升高，風(fēng)機(jī)允許運(yùn)行時(shí)間Tg相應(yīng)增加，在允許時(shí)間內(nèi)切除故障，可維持其他非故障線路風(fēng)機(jī)組的不間斷運(yùn)行，若保護(hù)動(dòng)作時(shí)間超過(guò)曲線允許時(shí)間Tg，則很可能造成其他非故障線路的風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)。

從圖2中可以得出風(fēng)機(jī)不間斷運(yùn)行時(shí)Ug和Tg的關(guān)系式Ug=K1+K2Tg，其中，K2為曲線斜率，計(jì)算可得K2=0.51；K1為曲線與縱軸交點(diǎn)，計(jì)算得K1=-0.12。

Ug=0.51Tg-0.12

(5)

電流速斷保護(hù)不需要與其他保護(hù)配合，延時(shí)整定為0 s，即使考慮斷路器動(dòng)作時(shí)間，也將遠(yuǎn)小于625 ms，因此電流速斷保護(hù)不需要進(jìn)行低電壓穿越校驗(yàn)。

延時(shí)電流速斷保護(hù)由于考慮與其他保護(hù)的配合，動(dòng)作時(shí)間可能取值較大，動(dòng)作延時(shí)較長(zhǎng)很可能造成不間斷允許時(shí)間內(nèi)無(wú)法切除故障，造成非故障線路風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，因此需要進(jìn)行低電壓穿越校驗(yàn)。在故障電壓在20%額定電壓時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間越短，故障切除越迅速，越有利于風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行。

對(duì)長(zhǎng)延時(shí)過(guò)流保護(hù)來(lái)說(shuō)，由于延時(shí)較長(zhǎng)，而且作為其他線路及設(shè)備的遠(yuǎn)后備保護(hù)，當(dāng)其動(dòng)作時(shí)將切除非故障運(yùn)行線路，可以不考慮與低電壓穿越的配合。

3.2.3 線路保護(hù)校驗(yàn)實(shí)例

以該算例中331線路保護(hù)為例，校驗(yàn)延時(shí)電流速斷保護(hù)，取線路電流速斷保護(hù)范圍處(73%線路長(zhǎng)度)發(fā)生小方式下兩相短路，正序短路阻抗：

(6)

35 kV母線處最小電壓

(7)

將式(7)帶入式(5)，計(jì)算可得Tg=0.764 s。

為保證非故障線路風(fēng)機(jī)的不間斷運(yùn)行，331線路保護(hù)延時(shí)電流速斷保護(hù)最長(zhǎng)切除時(shí)間不能超過(guò)764 ms，由于延時(shí)電流速斷保護(hù)延時(shí)為500 ms，因此，延時(shí)電流速斷保護(hù)滿足風(fēng)機(jī)低電壓穿越要求。

同樣原理，應(yīng)進(jìn)行所有線路延時(shí)電流速斷保護(hù)的低電壓穿越校驗(yàn)，以滿足低電壓穿越的要求。此外，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該實(shí)際測(cè)量保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和斷路器分閘時(shí)間，二者之和應(yīng)滿足低電壓穿越對(duì)時(shí)間的要求。

4 結(jié)論

a. 根據(jù)風(fēng)電并網(wǎng)匯集線保護(hù)整定計(jì)算，認(rèn)為匯集線相間故障主保護(hù)配置一段電流保護(hù)無(wú)法兼顧保護(hù)選擇性和速動(dòng)性，35 kV匯集線路相間故障保護(hù)應(yīng)配置有過(guò)流速斷保護(hù)、延時(shí)電流速斷保護(hù)和長(zhǎng)延時(shí)過(guò)流保護(hù)。

b. 匯集線保護(hù)整定應(yīng)滿足風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的要求。

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