【提要】陆地风电场具有占地面积大、单机容量小、机组分散布置的特点。根据 《交流电气装置的接地》(DL/T621-1997)，风电场全厂接地电阻需满足R≤2000/I(入地电流)的要求，相关规范和风机厂也提出了每台风力发电机组的接地电阻允许值。本文介绍一起风电场的接地故障分析其产生的原因，并给出预防和处理的措施。
【关键词】 风电场 接地故障 预防及处理措施
1、引言
在我国陆地风电场建设中,根据国家电网调[2011]974号文件«关于印发风电场并网运行反事故措施要点的通知»的要求,对于“风电场集电线路系统单相故障应快速切除，不应采用不接地或经消弧柜接地方式”、而经小电阻接地方式可以使单相接地故障快速切除。因此大多数风电场35kV集电线路系统均是采用中性点经小电阻接地方式运行。但自投运以来，由于保护定值不完善、厂家配备及保护不到位等原因，经常发生接地变烧损事故。下面对一起典型的由于35kV集电线路故障造成接地变烧损事故产生的原因及处理方法进行理论分析和探讨。并提出适宜、可靠的改进措施。
2、接地变的作用
接地变是在35kV集电系统人为制造一个中性点，用于连接接地电阻，当系统发生单相接地故障时，接地变对正序、负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗，使接地保护可靠动作的设备。
3、故障事例
（1）故障简介
2016年10月6日9时32分，某风电场带负荷345KW，中控室突然警铃大作，当班人员迅速在监控后台查看报警信息情况，发现：
主变低压侧跳闸；
场用电转换至备用电源运行；
9时33分，接地变接地电阻冒烟起火。
（2）故障情况说明
9点32分0.07秒非完全接地故障发生时，从故障录波图形来看35kV母线零序电压为86.85V，一次侧电压为30.398kV;风电三回零序电流为2.65 A,对应一次侧电流为212 A；35kV接地变高压侧零序电流值为2.945A,对应一次侧电流为235.6 A。监控后台报警信息：“本时点接地变保护装置零序过流Ⅲ段报警启动,主变保护装置低后备零序电压报警启动”。保护整定为只报警不跳闸。
9点32分4.72秒完全接地故障发生时，从故障录波图形来看35kV母线零序电压为94.355V，一次侧电压为33kV，接近一次侧额定电压。风电三回A相电流:0.18A,B相电流:0.177A,C相电流为2.85A。零序电流为2.98 A,一次侧电流为238.4 A。35kV接地变零序电流值为3.129A,一次侧电流为250 A。监控后台报警信息：“本时点接地变保护装置中性点零序过流Ⅲ段保护动作报警，中性点零序过流Ⅰ段保护动作。风电三回保护装置启动，零序过流Ⅲ段保护动作报警”。 保护整定为启动出口保护但断路器未跳闸。
9点33分5.171秒接地故障发生时，从故障录波波形来看35kV母线A相电压:97.45V;B相电压:97.35V;C相电压：4.9V；零序电压为94.65V，对应一次侧电压为33.127kV，接近一次侧额定电压。风电三回零序电流为4.97 A,对应一次侧电流为397.6 A。35kV接地变高压侧零序电流值为5.415A,对应一次侧电流为433.2 A;监控后台报警信息：“本时点接地变保护装置零序过流Ⅲ段保护动作报警，零序过流Ⅰ段保护动作，接地变保护装置断路器357分闸位置，主变低压侧测控装置断路器301分闸位置。接地变保护装零序过流Ⅰ段保护动作返回”。保护整定为启动出口保护断路器实现跳闸。
（3）保护装置事件记录
因只有接地变保护装置发出跳闸保护信号，所以只有接地变保护装置出现了事件记录。（由于保护装置与故障录波装置对时出现差异，因此时间不同步）
从保护装置记录可得到如下信息：
0ms 接地变保护装置整组启动
805ms接地变保护装置低压零序过流I段动作
68704ms接地变保护装置零序过流I段动作
Ip Max 1.137A (最大启动电流)
I1 0.013A (接地变高压侧电流)
I2 0.013A (接地变低压侧电流)
3I0 cal 3.347A（接地变保护用电流互感器自产零序电流，其变比为400/5）
3I0 ext 14.13A （接地变高压侧零序电流，其变比为100/5）
3I0L 3.340A （接地变低压侧零序电流，其变比为：400/5）
从以上数据可知：
接地变保护用电流互感器自产零序电流值3.347A与接地变低压侧零序电流值3.34A基本一致。接地变高压侧零序电流互感器变比为100/5，而低压侧零序电流互感器变比为400/5，因此其二次侧数据就相差4倍。14.13÷4=3.5325A。由此可知接地变保护电流互感器自产零序电流值、接地变高压侧零序电流值、接地变低压侧零序电流值三者基本是相同的。
（4）故障分析
1)集电线路接地情况分析
①风电场集电线路多分布在空旷地区和山顶，遭受雷击概率比较高，极易造成线路侧或箱变内高、低压侧避雷器动作损坏接地。
②由于安装时未按工艺要求回填，致使集电线路保护层有不同程度损伤，在试验阶段末能体现出来。随着运行时间的延长，在电磁力、泥石沉降、雨水浸蚀等外力作用下，集电线路会在损伤部位出现接地现象。
③由于电缆质量会出现电缆接地现象。
2)接地变内部接地情况分析
①接地变本体因绝缘达不到要求而导致接地。
②接地电阻片支柱瓷瓶破损导致接地。
3)接地故障分析
由于该风电场采用的是中性点接接地变经小电阻接地系统。该系统在电网正常运行时，接地变保护系统相当于空载运行。当电网发生故障时，接地变保护系统能迅速检测到零序电流，并在短时内切除故障线路起到保护系统的作用。
对于故障发生后是什么原因导致接地变烧损而末能及时得到跳闸保护呢？从上面资料可以知道，故障发生在9点32分0.07秒时，由于风电三回没有采用外接零序电流互感器作为零序电流保护，而是采用保护用电流互感器的自产零序电流作为零序电流保护，其变比为400/5，而零序电流保护整定值是以外接零序电流互感器的电流值作为整定依据,其变比为100/5，将实际故障电流缩小至1/4，本应跳闸而末能实现跳闸保护。由于35kV接地变高压侧零序电流互感器也是采用保护用电流互感器的自产零序电流作为零序电流保护,其变比仍然为400/5,而零序电流保护整定值是以外接零序电流互感器的参数作为整定计算依据,其变比为100/5，将实际故障电流缩小至1/4。因此本应跳闸也末能实现跳闸保护。此时点本来已经是金属性接地。而末能出现保护跳闸致使系统仍然处于运行状态。
9点32分0.07秒
当系统运行至9点32分4.72秒时，35kV母线零序电压为94.355V，零序电压接近额定电压。风电三回零序电流为2.98 A,一次侧电流为238.4 A。35kV接地变零序电流值为3.129A,一次侧电流为250 A;根据监控后台报警信息可知，本时点接地变保护装置已经检测到零序电流装置启动，中性点零序过流Ⅲ段保护动作报警，中性点零序过流Ⅰ段保护动作，由于中性点零序电流保护没有整定出口，导致无法实现跳闸保护。风电三回保护装置启动，零序过流Ⅲ段保护动作报警；为什么零序电流达到238.6 A时风电三回开关没有跳闸，是因为采用自产零序电流保护的一次电流值需达到424A才会跳闸，因此保护装置末实现正常保护。由于保护装置末达到保护故障跳闸条件，系统仍然处于运行状态。故障进一步升级。
9点32分4.72秒
系统继续运行至9点33分5.171秒时， 35kV母线A相电压:97.45V;B相电压:97.35V;C相电压：4.9V；零序电压为94.65V，一次侧电压为33.127kV，接近一次侧额定电压。风电三回零序电流为4.97 A,整定值为5.3 A，末达到启动跳闸保护条件。35kV接地变高压侧零序电流值为5.415A, 整定值为5.3 A，达到零序过流Ⅰ段保护动作值。根据监控后台报警信息可知，本时点接地变保护装置已经检测到零序电流装置启动，零序过流Ⅲ段保护动作报警，零序过流Ⅰ段保护动作，启动保护跳闸程序，系统跳开接地变出口开关357并联跳主变低压侧开关301。此时系统脱离故障停止运行。
9点33分5.171秒
经现场检查及对三回集线电缆进行绝缘测试，发现风电三回集电线路有单相接地故障，对接地变压器进行测试显示正常。因此可以判断本次接地故障是集线电缆单相（C相）接地引起，事故扩大是保护装置电流互感器（电流互感器变比不一致）选择不当造成的。
4、风电场接地故障预防措施
集电线路不按设计施工、保护定值计算偏差、保护装置与保护定值不匹配等原因是造成该故障的主要原因。为了保证风电场设备正常运行，不出现因接地故障导致全场停运的现象发生。经过分析论证，决定采用以下方案进行预防。
（1）在施工阶段严格控制施工质量，按照集线电缆施工工艺要求及施工质量控制方法按图施工，在回填时要求监理及相关人员现场旁站，确保施工单位按照施工图纸施工，严格保障集线电缆在施工过程中不受到损伤。
（2）对于继电保护装置的定值计算，严格按照继保规程、设计要求、设备单位定值要求及电网相关运行方式进行计算，计算完成后进行复审，确保定值满足现场运行要求。
（3）电气设备安装调试阶段要求监理及相关人员旁站，全面了解保护定值实际动作情况，对于与实际不相符的定值应及时修改完善。且在录入定值进行试验前应充分与定值计算单位沟通，确保不出现理解上的偏差和失误。
5、结束语
采用本文介绍的预防方案，是预防风电场发生单相接地及故障导致接地变烧损故障较好的办法。经过风电场长期运行验证。此技术方案经济适用并能有效解决风电场发生单相接地后导致接地变烧损故障这一现象。
参考文献：
[1]张树文等.小电流接地系统意想接地保护原理和技术综述.电力情报,1994,(2):1~4.
[2]王雷,信珂,周志勇.风电场主变35kV负荷侧单相接地故障分析.山东电力技术, 2010 (2) :31-33.
[3]刘晶亮.风电场接地变烧损原因及处理方法分析.电力行业优秀管理,2014.
论文作者:安东
论文发表刊物:《电力设备》2018年第12期
论文发表时间:2018/8/6
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