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摘要：从近年来较为严重的风电机组脱网事故可以看出，系统电压大于机组电压是造成脱网的主要因素，因该类事故的频频发生，可充分说明风电机组和无功补偿装置间存在配合问题。在文章中，笔者将根据风电机组高电压脱网问题的概述，从几个方面对继电保护的策略加以分析和探讨，其目的是为了提高风电机组运行过程中的风险因素控制能力。
关键词：风电机组；高压脱网；继电保护
一、风电机组高电压脱网问题概述
风电机组产生高电压脱网事故的典型过程如下图所示。在A时刻，风电场发生内部接地故障，由于风电场集电系统为中性点非有效接地系统，接地故障未能及时切除；B时刻开始，风电场的动态无功补偿装置会迅速向电网注入无功功率，以维持母线电压，系统电压回升；C时刻时，出现接地故障的线路被切除。由于A时刻前，风电场处于发电状态，电容器组一般处于投入状态以支撑风电场并网点电压，在A-C时间段内，许多不具有低电压穿越能力的风电机组脱网，C时刻故障切除后，电容器组并未停止输送无功，系统电压瞬间跃升。因电容器的无功输出与电网电压的平方成正比，电网电压升高情况进一步加剧。当发电机机端电压超过发电机过电压保护设定值时，引起另一部分风电机组脱网，即所谓的高电压穿越失败。除风电场内部故障外，风电场送出线路的发生接地故障也可能造成风电机组大规模脱网事故，其事故过程和机理与内部故障致脱网的事故相似。
在数次大规模脱网事故中，高电压引起的脱网机组数量超过总脱网机组数量的1/3。在故障过程后期，现场人员不得不手动切除电容器组，以将系统电压降至正常水平。因此，应合理设置电容器组和风电机组的过电压保护定值，保证电容器组在电压超过限值后迅速断开，减少电网内的无功过剩量，防止风电机组高电压脱网事故出现。
二、并联电容器组电压保护值
结合国家《高压输变电设备的绝缘配合》的相关规定，35KV系统设备最高电压不能超过 40.5KV，相关运行设备一分钟内的工频耐受电压必须大于80KV。同时，由于电容器绝缘能力较弱，35KV 高压电容器的相关标准值不在本范围之内，根据我国 《并联电容器装置设计规范》的相关规定，35KV高压电容器应该能承受1.1倍工频过电压。但在实际运行中可发现，风电系统出现单相接地后，会同时出现甩负荷情况，此时的标准相电压降可能上升到额定工频过电压的1.2倍，若不采取相应的保护措施，容易导致电容器出现损坏。电容器过电压整定值不能过低，这是因为当开断电容器时，若出现电弧重燃现象，电容器所承受的电压会达到额定电压的3.0-4.0倍，电容器更容易出现损坏。因此，大容量电容器组一般会配置重燃率较低的SF6断路器。但在操作中工作人员会发现，当SF6断路器断开时，电弧会与触头金属产生汽化反应，并与SF6产生化学变化，降低断路器使用寿命。因此，当SF6断路器断开之后，要给予其一定的恢复时间，切忌出现断开容器之后立即使用的现象。同时，为避免电容器频繁开关，电容器过压值一般取上限值，并尽量延长动作时间。
三、风电机组发电机出口电压精确计算
由于风力发电机端为电源，潮流方向为发电机流向升压变电站主变压器的低压侧。因此，当机组处于发电状态时，风力发电机机端电压一般高于升压站低压母线电压，两者之间的电压差为集电线路和风电机组升压变压器（以下简称为“箱变”）上的压降之和，风电机组和电容器组的过电压整定值，应充分考虑此电压差。为了更清晰地说明风电机出口处电压值与升压站电压的差值，下面以一条典型的集电线路为例计算发电机出口电压的标幺值：假设升压站低压侧电压U0为1.15p.u.，集电线路为总长度为15km的架空线，导线类型为 LGJ-120/25，集电线路上共接入15台2MW的风电机，发电机无功出力范围为-655—+655 kvar，相邻风电机组之间集电线路长度为1km，风电机组箱变为干式变压器，容量2350kVA，短路阻抗uk%=10.5，铜耗为24kW，计算可得，变压器等值电阻RT=12.5Ω，等值电抗XT =53.3Ω。当发电机设定为变功率因数运行时，在所有风电机组的无功输出都达到其极限状态时，最末端风电机组电压为1.155p.u.，基本与35kV母线处电压相当。可见，风电机组自身的无功调节能力可以一定程度上降低发电机出口处的电压。
四、风电机组过电压保护
风电机组耐压水平低于一般设备，因此必须通过设置专门的保护措施，为过电压提供保护。同时，不同的变频器在电网电压中的表现很不相同，当电网电压大于变频器电压时，会出现功率逆向流动现象，导致变频器电容上的电压指数上升，当电压指数大于耐受能力时，直流电容器会出现损坏。为保证风电机组过电压保护的科学性，就必须要对风电就相关数据进行计算，确保相关数据能满足保护的相关要求。
在风电机组绝缘允许的情况下，应适当提高风电机组的过电压整定值。首先，估算发电机出口电压标幺值uGn，估算中U0可取为升压站电容器的过电压整定值，机组过电压保护定值udz可较uGn上浮1%-2%，在公式 中，urel值为0.01-0.02。考虑到保护发电机匝间绝缘以及变频器电容器的绝缘，过电压定值udz不宜超过系统标称电压的1.2倍。在变压器短路阻抗较高、集电线路较长的情况下，风电机组的过电压保护定值调高致机组耐压能力上限也不一定可以完全避免高电压脱网的事故。此时，可以适当调低升压站电容器组过电压保护定值和动作时间，在系统电压升高时及时将电容器组切除，减小系统内的无功剩余，避免系统电压过高导致机组脱网。对于具有高电压穿越能力的风力发电机组，应相应地调整升压站电容器的过电压保护策略，优先采用带有反时限特性的继电保护装置。
参考文献
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论文作者:苗晓宝
论文发表刊物:《电力设备》2017年第11期
论文发表时间:2017/8/1
标签：电压论文; 过电压论文; 机组论文; 电容器论文; 风电论文; 发电机论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第11期论文;