諸葛軍，張全元，亢歆童

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.湖北電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050；3.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

由于環(huán)境污染的加劇和能源危機(jī)，世界各國(guó)都在環(huán)保問(wèn)題上引起了高度重視，使風(fēng)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。我國(guó)在世界上莊嚴(yán)的提出了“碳達(dá)峰，碳中和”的承諾目標(biāo)，使風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，風(fēng)電新增裝機(jī)容量近幾年穩(wěn)居全球前列。由于快速發(fā)展也出現(xiàn)了不同程度的問(wèn)題，新能源電站故障時(shí)有發(fā)生，如“224 事故”導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的大面積脫網(wǎng)事故等情況，已影響到電網(wǎng)的安全。傳統(tǒng)故障錄波器和繼電保護(hù)故障錄波很難采集到風(fēng)機(jī)側(cè)故障和箱變側(cè)故障，缺少對(duì)風(fēng)機(jī)及箱變的故障準(zhǔn)確分析判斷。風(fēng)機(jī)故障波形讀取未能開放，分析故障比較困難。低電壓穿越和高電壓穿越保護(hù)也在近幾年電網(wǎng)技術(shù)改造要求下不斷完善改進(jìn)，減少風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)脫網(wǎng)引起電網(wǎng)大面積停電的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)讀取風(fēng)機(jī)變流器故障波形分析箱變與風(fēng)機(jī)保護(hù)綜合性故障案例，分析了風(fēng)機(jī)與箱變故障的邏輯關(guān)系及事故原因，提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的研究探討思路，推動(dòng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步。因此，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)進(jìn)行研究具有重要意義。

1 風(fēng)電項(xiàng)目基本情況

某100 MW 風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)容量100 MW，安裝40 臺(tái)2.5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)電場(chǎng)升壓站建設(shè)一臺(tái)100 MVA 主變，建設(shè)一條110 kV 送出線路。風(fēng)電機(jī)組接線采用一機(jī)一變單元接線方式，風(fēng)機(jī)出口電壓為0.69 kV 通過(guò)箱變升壓至35 kV，經(jīng)35 kV集電線路匯集至110 kV升壓站，風(fēng)電項(xiàng)目110 kV升壓站接入上級(jí)220 kV匯集站。

2 風(fēng)電箱變低壓母排放電綜合故障事件基本情況

2021年5月26日，某100 MW風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目X#風(fēng)機(jī)箱變低壓側(cè)斷路器發(fā)生跳閘故障導(dǎo)致箱變無(wú)法投運(yùn)事件。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，2021年5月26日5:17，X#風(fēng)機(jī)箱變低壓銅母排存在尖端拉弧放電現(xiàn)象，電壓下降引起風(fēng)機(jī)低電壓穿越保護(hù)動(dòng)作，隨后箱變低壓斷路器跳閘并報(bào)警。箱變低壓斷路器跳閘后造成風(fēng)機(jī)側(cè)電壓升高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)變流柜網(wǎng)側(cè)防雷器持續(xù)動(dòng)作，使防雷器燒毀并伴有大量煙霧，觸發(fā)柜內(nèi)風(fēng)機(jī)煙感報(bào)警，造成風(fēng)機(jī)事故鏈動(dòng)作停機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)箱變低壓配電室前門與側(cè)門被短路電弧故障氣流沖開，并報(bào)箱變低壓室門開信號(hào)。

3 保護(hù)動(dòng)作情況及信息分析

對(duì)箱變監(jiān)控后臺(tái)調(diào)取故障數(shù)據(jù)報(bào)文，通過(guò)多報(bào)文對(duì)比分析，確定報(bào)文顯示主要信息2021年5月26日05:17:28，X#箱變低壓檢修門開信號(hào)，36 ms后顯示X#箱變低壓斷路器故障信號(hào)，后臺(tái)報(bào)文與現(xiàn)場(chǎng)檢查情況吻合。由于箱變低壓故障沖擊氣流將檢修前門與側(cè)門沖開，后續(xù)低壓斷路器跳閘。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)出風(fēng)機(jī)故障記錄及故障波形分析，由于故障引起風(fēng)機(jī)保護(hù)低電壓穿越啟動(dòng)抬高電壓及箱變低壓斷路器跳閘，此高電壓持續(xù)觸發(fā)風(fēng)機(jī)配電柜內(nèi)網(wǎng)側(cè)防雷器動(dòng)作并導(dǎo)致超出防雷器泄放能力過(guò)熱燒壞，導(dǎo)致消防煙感器報(bào)警，風(fēng)機(jī)事故鏈保護(hù)動(dòng)作停機(jī)。備注：低電壓穿越（LVRT），指在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)能夠保持低電壓穿越并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無(wú)功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，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）。LVRT是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求。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。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。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障、兩相短路故障或者單相接地短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)各線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)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)任意線電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時(shí)，場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)切出，如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)低壓穿越曲線

4 風(fēng)機(jī)側(cè)故障波形分析

根據(jù)風(fēng)機(jī)變流器網(wǎng)側(cè)故障錄波三相電壓變化圖形可知，05:17:18.469，發(fā)生箱變母排尖端放電時(shí)網(wǎng)側(cè)C相電壓波形發(fā)生變形并降低，如圖2所示。

圖2 箱式變壓器放電電壓波形圖（C相）

由于C 相弧光放電導(dǎo)致周邊空氣絕緣下降出現(xiàn)A、B相放電電壓發(fā)生變形并降低，如圖3所示。

圖3 箱式變壓器放電電壓波形圖（A、B相）

由于風(fēng)機(jī)正常發(fā)電直流側(cè)電壓波動(dòng)，箱變低壓母排三相弧光放電引起風(fēng)機(jī)直流側(cè)電壓降低，23 ms后直流側(cè)電壓降低至直流額定電壓的90%以下風(fēng)機(jī)側(cè)低電壓穿越保護(hù)啟動(dòng)，低電壓穿越后18 ms 抬高電壓倍數(shù)1.38 倍，隨之交流側(cè)三相電壓升高，此時(shí)箱變低壓斷路器跳閘，風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)形成孤島運(yùn)行電壓升高，如圖4所示。

圖4 低電壓穿越保護(hù)啟動(dòng)波形圖

由于箱變低壓斷路器跳閘，風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)形成孤島運(yùn)行電壓升高，交流電壓升高造成風(fēng)機(jī)側(cè)防雷器泄壓?jiǎn)?dòng)降低電壓，如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)側(cè)直流電壓及網(wǎng)側(cè)交流電壓波形圖

風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)側(cè)電壓升高導(dǎo)致風(fēng)機(jī)側(cè)防雷器泄壓持續(xù)啟動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)側(cè)防雷器燒毀，并持續(xù)引起低壓穿越啟動(dòng)，變流器抬升電壓，隨后防雷器燒毀并伴隨大量煙霧導(dǎo)致柜內(nèi)消防煙感器報(bào)警，風(fēng)機(jī)事故鏈保護(hù)動(dòng)作停機(jī)，如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)側(cè)直流電壓及網(wǎng)側(cè)交流電壓故障波形圖

5 故障原因分析

根據(jù)變流器故障錄波圖形數(shù)據(jù)、設(shè)備故障現(xiàn)場(chǎng)情況及箱變測(cè)控后臺(tái)數(shù)據(jù)分析。由于箱變低壓母排出現(xiàn)尖端對(duì)金屬支架放電拉弧，箱變低壓側(cè)C 相電壓降低，放電引起低壓側(cè)故障段母排周邊空氣絕緣降低，導(dǎo)致相間、相地拉弧放電，導(dǎo)致電壓降低出現(xiàn)故障，引起風(fēng)機(jī)低電壓穿越保護(hù)投入，抬升系統(tǒng)電壓造成變流器網(wǎng)側(cè)防雷器持續(xù)動(dòng)作泄壓，隨后箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)形成孤島運(yùn)行進(jìn)一步抬高風(fēng)機(jī)發(fā)電側(cè)電壓，防雷器持續(xù)動(dòng)作燒毀導(dǎo)致風(fēng)機(jī)低電壓穿越連續(xù)動(dòng)作抬升電壓，防雷器燒毀造成消防煙霧報(bào)警啟動(dòng)報(bào)警，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)事故鏈動(dòng)作，風(fēng)機(jī)保護(hù)停機(jī)。故障原因?yàn)橄渥兊蛪簜?cè)母排存在尖端部位，距離配電柜上下金屬支架安裝距離較近，導(dǎo)致拉弧放電引起此次一系列故障。

6 解決處理措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)故障情況，廠家對(duì)損壞的防雷器進(jìn)行更換，并對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查，并出具了分析報(bào)告。箱變廠家對(duì)出現(xiàn)故障低壓母排及二次線進(jìn)行更換，對(duì)熏黑柜門及器件進(jìn)行清洗，并出具分析報(bào)告。廠家對(duì)箱變進(jìn)行7項(xiàng)試驗(yàn)均合格（電壓比測(cè)量及聯(lián)結(jié)組別標(biāo)號(hào)檢定、繞組直流電阻測(cè)量、繞組對(duì)地及繞組間絕緣電阻測(cè)量、外施耐壓試驗(yàn)、電纜絕緣測(cè)試、斷路器回路電阻、斷路器開關(guān)特性試驗(yàn)），并出具試驗(yàn)報(bào)告后，箱變投運(yùn)正常，風(fēng)機(jī)正常投運(yùn)發(fā)電。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)故障錄波分析故障，能夠較全面地分析故障發(fā)生的時(shí)間和邏輯關(guān)系，為風(fēng)電技術(shù)改進(jìn)提供可靠技術(shù)支撐，完善設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，為新能源技術(shù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，使我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸成熟完善。對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷研究和創(chuàng)新，使風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得到快速的改進(jìn)和發(fā)展，我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈將會(huì)更加完善，為全球環(huán)境保護(hù)做出更大的貢獻(xiàn)。