孫虹凱 康海淵 張建軍 王是琦

關(guān)鍵詞：小動(dòng)物爬塔;集電線路跳閘;解決措施;零序保護(hù)

中圖分類號(hào)：

現(xiàn)代大型風(fēng)電場(chǎng)基本建設(shè)在西北、華北戈壁灘上、或此類地區(qū)非自然保護(hù)區(qū)的大山上，面對(duì)大面積、長(zhǎng)線路、分散式等特征，風(fēng)電場(chǎng)管理無(wú)法做到集中式（圍墻式）統(tǒng)一管理，大型風(fēng)電場(chǎng)集電線路總長(zhǎng)度可達(dá)上百公里，甚至更長(zhǎng)。常規(guī)35kV集電線路接風(fēng)機(jī)箱變的桿塔，在桿塔底部距上約4米左右的位置安裝跌落平臺(tái)支架，平臺(tái)上面安設(shè)避雷器、保險(xiǎn)、計(jì)數(shù)器等設(shè)備，此位置電力傳輸向上通過(guò)引流線接至集電線路導(dǎo)線，向下通過(guò)電纜接風(fēng)機(jī)箱變。35kV集電線路的跌落開(kāi)關(guān)相間間距、相對(duì)地距離大約600～800mm。小動(dòng)物在平臺(tái)位置處活動(dòng)，極易引起相間短路或者相對(duì)地短路造成集電線路跳閘。本文研究一起風(fēng)電場(chǎng)跳閘事件，重點(diǎn)對(duì)零序保護(hù)作以研究，有助于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行人員提高排查接地故障的能力。

1 事件概況

1.1風(fēng)場(chǎng)概況

寧夏中衛(wèi)某山地風(fēng)電場(chǎng)，總裝機(jī)容量120MW。風(fēng)機(jī)48臺(tái)，單機(jī)容量2.5MW;110kV主變1臺(tái)，容量120MW;35kV集電線路（#1至#5進(jìn)線）5條，5條線路總長(zhǎng)約46km，分別接引12、11、8、8、9臺(tái)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)為雙饋異步發(fā)電機(jī)，出口交流電壓690V，電能送出路線為風(fēng)機(jī)出口→2.75MW的油浸式箱變→架空集電線路跌落平臺(tái)→集電線路導(dǎo)線→升壓站35kV開(kāi)關(guān)柜。風(fēng)電場(chǎng)整體電能通過(guò)單回110kV送出線路外送，2020年12月風(fēng)電場(chǎng)正式并網(wǎng)發(fā)電。

1.2 故障前運(yùn)行方式及出力情況

110kV送出線路運(yùn)行正常，110kV #1主變運(yùn)行正常，35kV I 段母線運(yùn)行正常，35kV #1 接地變運(yùn)行正常，35kV #1站用變運(yùn)行正常，35kV #1 SVG無(wú)功補(bǔ)償裝置運(yùn)行正常，35kV #1至#5進(jìn)線全部運(yùn)行正常。事故前全場(chǎng)出力33.58MW，35kV I段母線電壓Uab：34.96kV，Ubc：34.93kV，Uca：34.97kV。35kV #1 進(jìn)線電流（一次值）Ia：100A，Ib：99.02A，Ic：100.72A。

1.3 故障后出力情況及損失出力

故障后全場(chǎng)總出力27.51MW，除#1進(jìn)線退出運(yùn)行外，其他設(shè)備正常運(yùn)行。35kV I 段母線電壓Uab：34.76kV，Ubc：34.68kV，Uca：35.08kV。35kV #1進(jìn)線電流Ia：0A，Ib：0A，Ic：0A。全站損失出力：6.07MW，停運(yùn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組12 臺(tái)，總計(jì)損失并網(wǎng)容量30MW。

2 事件經(jīng)過(guò)

2.1 事件報(bào)文

2021年01月22日4時(shí)0分，風(fēng)電場(chǎng) #1 進(jìn)線PCS-9611C線路保護(hù)零序過(guò)流I 段動(dòng)作，保護(hù)裝置啟動(dòng)出口，#1 進(jìn)線35kV開(kāi)關(guān)跳閘。零序動(dòng)作電流3.22A，整組啟動(dòng)到動(dòng)作出口延時(shí)241ms，動(dòng)作報(bào)文見(jiàn)圖1。

開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，運(yùn)行人員立即向調(diào)度聯(lián)系，接受調(diào)度指令，#1進(jìn)線轉(zhuǎn)檢修。同時(shí)安排兩組人員排查故障原因，一組人員前往#1進(jìn)線對(duì)絕緣子、跌落開(kāi)關(guān)、電纜等重點(diǎn)部位全線排查，另一組人員檢查#1進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜保護(hù)裝置報(bào)文和繼保室故障錄波器錄播信息，調(diào)取故障錄波器信息顯示：

（1）故障發(fā)生前35kV母線電壓波形正常，發(fā)生故障瞬間B、C相電壓（以下均為二次值）分別升高到86V、82V，A相電壓迅速降低至18V，產(chǎn)生零序電壓68V，見(jiàn)圖2。

（2）故障發(fā)生前#1進(jìn)線A、B、C 三相電流均在0.83A上下，發(fā)生故障瞬間，出現(xiàn)0.82A自產(chǎn)零序電流，最終跳閘出口時(shí)，#1進(jìn)線PCS-9611C保護(hù)裝置顯示外接零序動(dòng)作電流值3.22A，自產(chǎn)零序動(dòng)作電流值1.028A。

#1 進(jìn)線的PCS-9611C保護(hù)裝置采用外接零序電流，零序電流I 段整定值為2.5A，結(jié)合故障錄波圖，初步判斷#1進(jìn)線A相發(fā)生單相接地故障。A相電壓明顯被拉低，A相電流沒(méi)有明顯增大趨勢(shì)，初步認(rèn)為是非金屬接地故障，零序過(guò)流I 段保護(hù)正確動(dòng)作，斷開(kāi)#1進(jìn)線開(kāi)關(guān)。查看系統(tǒng)其他電壓電流波形及綜自監(jiān)控主機(jī)發(fā)電信息，顯示其他設(shè)備運(yùn)行正常。

隨后第一組人員在巡視到#1進(jìn)線接4號(hào)風(fēng)機(jī)的集電線路桿塔時(shí)，發(fā)現(xiàn)該桿塔跌落開(kāi)關(guān)正下方地面上有一只皮毛發(fā)焦的黃鼠狼。在做好安全措施后，人員登塔檢查，檢查發(fā)現(xiàn)A相跌落開(kāi)關(guān)上觸頭處以及A相跌落開(kāi)關(guān)與跌落平臺(tái)支架連接的鋼材處均有明顯的放電痕跡，且跌落開(kāi)關(guān)上觸頭位置和支架鋼材位置均有動(dòng)物皮毛殘留，分析認(rèn)為黃鼠狼身體接通了A相跌落開(kāi)關(guān)上觸頭和跌落平臺(tái)支架，導(dǎo)致A相對(duì)桿塔（地）放電，在放電一瞬間黃鼠狼皮毛粘留在了金屬部位。運(yùn)行人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的情況和保護(hù)裝置反映出來(lái)的數(shù)據(jù)綜合分析，認(rèn)定此次事件為小動(dòng)物爬塔導(dǎo)致的相線對(duì)地放電的非金屬性接地跳閘事件。

2.3事件解決措施

在詳細(xì)分析事故原因后，并向周邊其他風(fēng)電場(chǎng)了解到該地區(qū)時(shí)有小動(dòng)物爬塔事件發(fā)生，為吸取經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，防患于未然。該風(fēng)電場(chǎng)果斷采取措施，采用塔腿加裝防爬刺的措施用以防止小動(dòng)物爬塔跳閘事件再次發(fā)生。組織職工利用1周時(shí)間，在接風(fēng)機(jī)箱變電纜的48基集電線路桿塔的四個(gè)塔腿根部及電纜套管上加裝防爬刺，安裝后效果見(jiàn)圖3。在對(duì)接地故障的跌落開(kāi)關(guān)修復(fù)后、#1進(jìn)線絕緣測(cè)試后，并向調(diào)度匯報(bào)申請(qǐng)后，#1進(jìn)線及時(shí)恢復(fù)了供電。

3 技術(shù)分析

通過(guò)該風(fēng)電場(chǎng)的這一事件，對(duì)小動(dòng)物爬塔防范措施，零序電流產(chǎn)生以及故障情況分析我們作一引申。

3.1 線路跳閘常見(jiàn)外界因素及防范措施

非自身原因?qū)е碌募芸站€路跳閘因素有很多，例如鳥(niǎo)類排泄物逐漸的附著在絕緣子上導(dǎo)致絕緣子爬電接地，鳥(niǎo)類在桿塔上搭窩時(shí)帶入的鋁絲、鐵絲等導(dǎo)電雜物掉落在絕緣子上導(dǎo)致的金屬接觸跳閘，大風(fēng)天氣輕薄異物掛接在塔身上造成的跳閘，再一主要因素就是本文中提到的小動(dòng)物爬塔導(dǎo)致的跳閘。

針對(duì)鳥(niǎo)類排泄物、鳥(niǎo)窩內(nèi)異物及大風(fēng)天氣異物等防范措施，主要還是以加強(qiáng)巡檢為主，及時(shí)的清除塔身上的鳥(niǎo)窩，及時(shí)對(duì)沿線周邊的輕薄異物（如地膜、塑料袋）進(jìn)行清理。針對(duì)小動(dòng)物爬塔基本有兩種方案，一是采用本文提到的塔腿處加裝防爬刺方案，二是可以在4個(gè)塔腿形成的距地1～2m的斷面處加裝網(wǎng)罩，網(wǎng)罩在塔腿斷面處向內(nèi)向外以向下傾斜的方式延展鋪設(shè)，在該位置形成一道爬塔屏障。

3.2關(guān)于零序電流的介紹及分析

3.2.1零序電流的概念根據(jù)三相電路數(shù)學(xué)分析，一個(gè)三相平衡穩(wěn)定運(yùn)行的三相電路，三相電流的瞬時(shí)值表達(dá)式為：

ia=IA sinωt

ib=IB sin（ωt-120）°

ic=Ic sin（ωt+120）°

三相電流以相角相差120°的情況以正弦波形式運(yùn)行，以向量形式做圖，見(jiàn)圖4。

3.2.2零序電流的重要知識(shí)點(diǎn)

（1）當(dāng)三相電路不平衡或單相運(yùn)行則產(chǎn)生零序電流，也就是單相接地，或者兩相短路接地的情況下會(huì)產(chǎn)生零序電流。

（2）中性點(diǎn)直接接地發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地短路電流很大，此系統(tǒng)稱之為大電流接地系統(tǒng)。當(dāng)中性點(diǎn)通過(guò)消弧線圈或接地變接地，發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電流偏小[1]。

（3）接地短路點(diǎn)離保護(hù)安裝處越近，則零序電流越大，反之短路點(diǎn)越遠(yuǎn)，流過(guò)保護(hù)裝置的零序電流越小。

（4）零序電流保護(hù)只能用來(lái)保護(hù)接地短路故障，對(duì)于兩相不接地的短路和三相短路不能起到保護(hù)作用。

（5）零序電流大小與接地故障類型有關(guān)，與正、負(fù)序阻抗都有關(guān)系。

（6）零序電流可以帶方向閉鎖，用以保證選擇性和靈敏性。系統(tǒng)各元件零序阻抗角為80°的情況下，正方向動(dòng)作繼電器方程為，指的是保護(hù)安裝處的零序電壓，正方向以母線為正，中性點(diǎn)電位為負(fù);指的是保護(hù)安裝處的零序電流，正方向以母線指向被保護(hù)線路[2]。

3.2.3風(fēng)電場(chǎng)零序電流的分析

選取該風(fēng)電場(chǎng)接地故障某一時(shí)刻的故障錄播電流值做以分析，故障至跳閘之間的某一時(shí)刻電流值（二次值）A相0.371A∠304°，B相0.819A∠111°，C相0.834A∠354°，運(yùn)用向量的方式計(jì)算，以圖4正序平衡向量A相的頂端為起始0°，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎蚪嵌壤L圖，按各自角度旋轉(zhuǎn)，得到圖6，圖示C相電流在起始點(diǎn)順時(shí)針?lè)较虻?°位置。按本文上述介紹的零序電流的計(jì)算準(zhǔn)則和計(jì)算方法，繪制得到圖7，根據(jù)計(jì)算得到=0.82A∠27°，通過(guò)與故障錄波顯示的此時(shí)刻的示數(shù)的對(duì)比，人工計(jì)算的數(shù)值角度基本與故障錄播裝置計(jì)算的數(shù)值一致。

該風(fēng)電場(chǎng)零序保護(hù)采用的是外接零序電流互感器保護(hù)功能，未采用自產(chǎn)零序保護(hù)。當(dāng)故障某一時(shí)刻保護(hù)裝置采集的3I0電流值超過(guò)了定值2.5A（跳閘時(shí)刻顯示外接零序二次值達(dá)到3.22A），時(shí)間超過(guò)了0.2s（跳閘時(shí)刻顯示延時(shí)為0.24s），驅(qū)動(dòng)零序電流保護(hù)啟動(dòng)。對(duì)此零序方向問(wèn)題選取某一故障時(shí)刻零序電壓電流數(shù)值進(jìn)行分析，某一故障時(shí)刻的零序電壓71.80V∠238°，零序電流0.827A∠27°，兩者在向量域比較，零序電壓超前零序電流角度為-149°，在-190°和-10°之間，滿足方向繼電器的原理，零序故障為正方向（線路側(cè)故障）。而帶方向的零序電流保護(hù)多用于110kV及以上中性點(diǎn)直接接地的大電流接地系統(tǒng)中，本文不再贅述方向保護(hù)的原理。

3.2.4 零流在調(diào)試中的注意事項(xiàng)

高壓開(kāi)關(guān)柜電纜接入時(shí)常受電纜本身設(shè)計(jì)的影響，有時(shí)設(shè)計(jì)選取的三芯電纜很粗，很難從零序電流互感器中穿過(guò)，有時(shí)設(shè)計(jì)選取的是三根單芯電纜，更加難以穿心。所以選擇性放棄電纜穿芯的接入，繼而采用保護(hù)裝置自產(chǎn)零序保護(hù)功能。這樣在調(diào)試過(guò)程中，調(diào)試人員須做好自產(chǎn)零序的調(diào)試工作，一是計(jì)算定值必須以自產(chǎn)的二次值去計(jì)算;二是在定值校驗(yàn)過(guò)程中，要對(duì)各種接地情況下產(chǎn)生的零序值進(jìn)行校驗(yàn)，并核實(shí)定值控制字，零序保護(hù)控制字必須選取自產(chǎn)零序。

如果選用外接零序保護(hù)功能而沒(méi)有接入外接零序電流互感器，則會(huì)導(dǎo)致線路發(fā)生接地故障時(shí)，線路本體保護(hù)裝置零序保護(hù)拒動(dòng)，很容易使故障量和故障時(shí)限達(dá)到其他保護(hù)裝置的動(dòng)作定值（例如接地變保護(hù)裝置定值），從而引發(fā)越級(jí)跳閘，造成更大的損失。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述可知，防范接地故障零序跳閘事件還是有很多方式方法的，結(jié)合線路的防范措施，我們?cè)谡緟^(qū)內(nèi)也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)于小動(dòng)物防范措施的落實(shí)，例如加強(qiáng)地溝孔洞的封堵，在室內(nèi)出入口加裝防小動(dòng)物隔板，在角落處設(shè)置鼠藥盒等[3]。同時(shí)各風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行檢修人員關(guān)于電氣設(shè)備和繼電保護(hù)等理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握基本的電氣一二次知識(shí)，熟悉正弦波、向量、角度等概念，能夠熟練繪制正序、負(fù)序、零序向量圖，懂得基本參數(shù)量的計(jì)算。善于運(yùn)用理論指導(dǎo)運(yùn)行維修工作，這樣當(dāng)發(fā)生故障時(shí)就能夠從容的解決處理。

參考文獻(xiàn)

[1]束洪春，高鈺瑩，董俊，安娜，等. 一種風(fēng)電場(chǎng)集電線路故障區(qū)段與故障分支識(shí)別方法[P]. 云南?。篊N112083284B，2021-10-12.

[2]國(guó)家電力調(diào)度通信中心.國(guó)家電網(wǎng)公司繼電保護(hù)培訓(xùn)教材[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[3]杜力.一起小動(dòng)物引發(fā)的變電站主變多重故障分析[J]. 農(nóng)村電氣化，2020（2）：32-34）.