王瑞云

（鎮(zhèn)江市高等?？茖W校，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

風電場風機脫網(wǎng)故障研究分析

王瑞云

（鎮(zhèn)江市高等?？茖W校，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

針對35kVⅡ回集電線路C相單相接地故障引發(fā)BC兩相、三相相間短路，致使風電場并網(wǎng)點電壓跌落、風電機組風機脫網(wǎng)、系統(tǒng)電壓升高，進而引發(fā)其余風機因高電壓陸續(xù)脫網(wǎng)的惡性事故，進行故障分析并提出處理措施。

風機；脫網(wǎng)；故障分析

與火電或水電的可控發(fā)電能源不同，風機多是異步或永磁式發(fā)電機，機組本身無勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，發(fā)電機、變壓器等設備都要消耗無功，是不可控能源。當電網(wǎng)出現(xiàn)事故，使系統(tǒng)電壓降低，低電壓保護動作跳閘，大量機組拖網(wǎng)，系統(tǒng)會因線路充電功率、無功消耗設備減少使電壓升高，又會有很多風機因過電壓跳閘脫網(wǎng)，使事故擴大，對電網(wǎng)安全運行造成很大影響。因此對于風電場風機脫網(wǎng)故障的研究分析就顯得尤為重要，以某風電場風機脫網(wǎng)故障為例，根據(jù)故障現(xiàn)象分析風機脫網(wǎng)原因，排除故障，吸取教訓，加強維護保養(yǎng)。

一、故障概述

某風電場安裝高原型風電機組若干臺，風電場采用1機組1箱變（35kV/690V）接線方式，并分為3組，每組箱變的35kV側并聯(lián)至Ⅰ回35kV集電線路，Ⅲ回集電線路至風電場110kV變電站的35kV開關柜，110kV主變壓器升壓后，經(jīng)Ⅰ回110kV線路送至變電站。風電場主接線示意圖如圖1所示。

事故發(fā)生前共30臺風機運行，帶負荷34000kW，其他設備運行正常。風電場35kVⅡ回線電纜頭發(fā)生接地相間短路故障，32斷路器跳閘，35kVⅡ回線所運行的10臺風機停機，同時35kVⅠ、Ⅲ回線上的20臺風機停機脫網(wǎng)。當35kVⅡ回集電線路的線路保護裝置發(fā)出跳閘命令，將35kVⅡ回集電線路故障排除后，有一臺風機未脫網(wǎng)，還在運行狀態(tài)。

二、故障原因

1.風電場35kVⅡ回線32斷路器跳閘原因分析

圖1 某風電場部分電氣主接線圖

（1）一次設備檢查情況

風電場工作人員對35 kV Ⅱ回線進行檢查，發(fā)現(xiàn)距離35kV Ⅱ回線32斷路器2km處電纜分接箱內(nèi)240mm2的電纜分支套處絕緣擊穿。

事故發(fā)生后，對錄波器波形進行調(diào)取，通過錄波圖看出，電纜分接箱內(nèi)故障電纜分支套處發(fā)生C相接地故障，C相電壓降至額定電壓的7.07%，二次相電壓7.07V，一次相電壓為2474.5V，如圖2所示；經(jīng)31.951s后發(fā)展成BC相間故障，相電壓降至額定電壓的6.66%，二次相電壓6.66V，一次相電壓2331V；又經(jīng)32.8ms后發(fā)展成三相接地短路故障。

圖2 電纜故障時35kV母線PT電壓波形

（2）保護動作情況

35kV II回線PSL691U保護動作出口，動作電流59.287A，動作時間0s（電流I整定=51.85A，動作時間T整定=0ms），線路出口斷路器32跳閘。

2.風電場35kVⅠ、Ⅲ回線風機脫網(wǎng)原因分析

故障發(fā)生后，35kVⅠ、Ⅲ回線上運行中的20臺風機脫網(wǎng)。下面從故障錄波器波形圖、風機故障波形圖、風機故障代碼3個方面進行分析。

（1）從故障波形圖中分析風機脫網(wǎng)原因

35kVⅡ回集電線路發(fā)生C相單相接地故障，后續(xù)發(fā)展為BC兩相、三相相間短路。

由圖2可以看出，35kV線路B、C兩相電壓短路時間(電壓跌落到6.66V，為標準電壓的6.66%＜20%)在32.8ms秒。

根據(jù)國家標準GB/T 19963-2011 《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》和行業(yè)標準《Q-GDW392-2009風電場接入電網(wǎng)技術規(guī)定》，當風力發(fā)電場電網(wǎng)電壓跌落到90%以下的時候，風電機組進入低電壓穿越程序，低電壓穿越程序的電壓范圍為額定電壓的20%～90%，即電壓跌落到額定電壓的90%～20%，在這個電壓范圍內(nèi)的風電機組維持不跳閘，停機時間是反時限的，即電壓跌落越深，風電機組維持不跳閘的時間就越短。最短時間是625ms（對應跌落電壓20%)，最長時間為2000ms（對應跌落電壓90%）。如果電壓跌落20%以下時，0ms跳閘停機脫網(wǎng)，如圖3所示。

風電場35kVⅡ回線因電纜頭發(fā)生相間短路故障時，35kVⅡ回線運行風機停機。其電網(wǎng)（35kV系統(tǒng)）電壓跌落至接近2.331k V，此時風機立即進入低電壓保護模式，35kVⅠ、Ⅲ回線上運行中的20臺風機停機脫網(wǎng)，是正常的，符合國家標準。

（2）從風機故障波形圖中分析風機脫網(wǎng)原因

圖3 高原型風機低電壓穿越曲線

當故障發(fā)生時，35kV Ⅱ回線32斷路器斷開，此線路上所帶8臺風機失電，以Ⅰ、Ⅲ回線的部分風機為例，分析風機脫網(wǎng)原因，如圖4、圖5所示。

圖4 02號風機功率、電壓故障波形圖

圖5 07號風機功率、電壓故障波形圖

通過對以上2臺風機故障波形圖分析，說明35kVⅠ、Ⅲ回線上20臺運行風機脫網(wǎng)的主要原因是由于風機相電壓跌落到低電壓穿越下限值20%以下，即相電壓400V的20% 80V以下（2、7號風機電壓分別跌至59V、36V），風機運行電壓超出低電壓穿越范圍要求，立即停機。

（3）從風機的故障代碼中分析風機脫網(wǎng)原因

經(jīng)過對故障代碼和發(fā)生的時間比對分析，主要有3種類型，第一類有機組立即報出“斷路器最大電流”故障代碼，1s后報出“頻率低”故障代碼；第二類有機組1s后報出“頻率低”故障代碼；第三類有機組立即報出“主開關失電”故障代碼(表1)。

表1 風機故障類別統(tǒng)計

對上述3類故障代碼的分析：風機脫網(wǎng)前，風場出力為34000kW，第一類報出603（斷路器最大電流）故障代碼的風機所帶負荷較高（接近風機的額定功率）；第二類未報出603故障代碼的風機所帶負荷相對較低（小于額定功率）；第三類是報出了45“Main ctrl. supply”主開關失電代碼。原因為有風機主控柜門損壞，無法固定UPS，正在處理中。

3.本次未脫網(wǎng)風機的情況分析

有一臺風機報出“Wind>Power”“風能>功率”代碼信息。風機自動待風停機。約1h強風機雖然報出“FR T Phase Drop”、變頻器系統(tǒng)發(fā)出低電壓穿越模式信號給主控系統(tǒng)并同時報出代碼1400 Freq.conv. not Ok，1406 Freq.conv.grid error，1409 Freq.conv. error，但是因當時風機為待風停機狀態(tài)，未執(zhí)行上述代碼停機。稍后自動復位，風機自啟動并網(wǎng)。

三、原因分析和整改措施

造成此次風機脫網(wǎng)的直接原因是35kV電纜相間短路。據(jù)數(shù)據(jù)分析，由35 kV電纜頭故障引發(fā)的大規(guī)模風機脫網(wǎng)事故占70%以上，客觀地分析造成35 kV電纜頭故障的原因，采取防范措施，消除隱患，避免此類故障的再次發(fā)生，對風電項目的正常運營意義重大。

1.原因分析

（1）電纜接線處不是自然狀態(tài)，受到了一定的拉力和應力導致

冬夏季節(jié)，凍土層凍融變化復雜，土層對電纜和電纜頭機械拉力大。另外，日早晚溫差大，電纜熱脹冷縮，低溫環(huán)境熱縮頭彈性減低，絕緣易被破壞。部分地區(qū)紫外輻射強度大，絕緣易老化。

（2）電纜頭質(zhì)量問題

根據(jù)國家標準GB50168－1992《電纜線路施工及驗收規(guī)范》規(guī)定：“制作塑料絕緣電力電纜終端與接頭時，應防止塵埃、雜物落入絕緣內(nèi)。嚴禁在霧或雨中施工”。

如果在制作中不注意環(huán)境因素的影響，就會電纜頭絕緣中由于進入塵埃、雜質(zhì)等形成氣隙，并在強電場下發(fā)生局部放電，繼而發(fā)展為絕緣擊穿，造成電纜頭擊穿的故障。如果在潮濕的環(huán)境中制作，則電纜容易受潮而使得整體絕緣水平下降，另外也容易進入潮氣形成氣隙而出現(xiàn)局部放電。電纜運行中負載高低產(chǎn)生的電纜熱脹冷縮。風電機組負荷變化較大，造成熱脹冷縮頻繁，易使電纜頭損壞。有些風電箱變考慮防風沙問題，進線孔過低過小，使電纜彎曲半徑過小，承受機械應力過大，絕緣易受損。35kV電纜固定不規(guī)范，長期受風力影響造成與構架處磨損導致絕緣損傷不斷惡化，最終導致電纜故障。

2.整改措施

在普通地區(qū)制作電纜頭的材料、工藝和質(zhì)量標準不一定能夠滿足風電場環(huán)境常年安全運行的要求，應根據(jù)風電場環(huán)境采用相應的材料、工藝和質(zhì)量標準制作電纜頭。

（1）凍土層凍融變化復雜地區(qū)使用鋼絲鎧裝電纜

普通鎧帶纏繞護套作防護，主要是防止電纜受外力損傷，而在凍土層凍融變化復雜地區(qū)宜采用直徑4.0mm的鋼絲鎧裝緊密排布，纏繞護套作防護，不僅要防止電纜受外力損傷，更主要的是電纜在冷熱收縮時與電纜形成一個整體，防止應力損傷電纜。

（2）溫差較大地區(qū)宜使用全冷縮電纜頭

冷縮電纜終端絕緣性能優(yōu)異，耐老化，防腐蝕，密封性能好，抗電痕性能好且硅橡膠彈性好，與電纜界面結合緊密，應力控制與絕緣復合為一體，有效解決了電纜屏蔽斷面處應力集中的問題，保證電纜的安全運行。

高壓電纜終端頭施工中應充分考慮施工時工作環(huán)境條件，必要時采取可靠的防潮、升溫和防塵措施后，方可進行施工。

（3）加強35kV高壓電纜終端頭及電纜固定的規(guī)范

在安裝固定電纜時，要防止心線多次彎曲扭轉造成絕緣外力損傷，特別注意電纜交叉處及與構架碰觸部位，由于風場常年風速大，防止振動磨損、老化造成絕緣損壞。對單心電纜固定卡件進行檢查，堅決杜絕使用導磁材料構件。

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1671-0711（2015）10-0069-03

2015-09-17）