风电机组短路故障与安全保护对策

风电机组短路故障与安全保护对策

张毅

（山西龙源风力发电有限公司山西太原030006）

摘要：伴随着风电产业的快速发展，风电机组在实际投运后出现了许多影响其安全的重大事故，其中较严重的是电气短路导致的机组电气火灾故障。本文就风电机组短路故障与安全保护对策进行简单的阐述。

关键词：风电机组；短路故障；安全保护；对策

1风电机组短路工况计算与分析

风电机组的接入系统主要由高压侧熔断器、高压侧负荷开关、箱式变压器、低压侧断路器等组成。风电机组的发电机位于高耸的机舱中，而接入系统位于地面，地面到机舱采用长电缆连接，电缆总长度通常在100m以上，是典型的长线系统。

1.1金属性短路电流计算

当短路故障发生在塔基的电气连接点时，电网侧容量通常按无限大考虑，因导线较短可忽略阻抗，短路电流Isc可按式（1）计算：

式中：Sn—箱式变压器的额定容量；Ue—箱式变压器低压侧额定电压；Uk%—箱式变压器短路阻抗百分比。

当短路故障发生在机舱时，由于机舱采用100~120m的电缆与塔基连接，需考虑电缆阻抗。采用基于电力系统仿真分析工具ETAP建立电气模型（图1），模型中的参数取某风场的实际参数：箱式变压器到机舱电缆按100m计算，取电阻R=0.1454Ω/km，电抗X=0.11052Ω/km，采用5根并联；高压侧电缆电阻取R=0.153Ω/km，电抗X=0.119Ω/km，长度取12km；风电场容量按100MVA计算，短路阻抗百分比取实际值14.5%。通过仿真计算得出机舱的短路电流典型值约为18kA，明显不同于塔基的典型短路电流23kA。

1.2电弧短路电流的计算

得到金属性短路电流后，可用式（2）计算电弧短路电流Ia：

式中：Ibf—金属性短路电流；G—电弧放电时导体间的空气间隙；V—系统电压；K—环境系数（位于开放空间时，K取-0.153；位于电气柜内时，K取-0.097）。

1.3电弧短路电流验证

通过对风电机组故障时记录的数据和波形进行分析，近似计算机舱发生短路时的接入系统等效阻抗，包括电网、高压侧线路、高压侧熔断器及箱式变压器的内阻，低压侧断路器内阻，箱式变压器到机舱的导线及对接接头的阻抗，从而可对仿真计算得到的短路电流进行验证。

某风电机组实测的故障波形如图2所示，从波形可以看出，故障发生前，电压与电流相位相差约180°，风电机组处于发电状态；发生故障时，电压与电流基本同相位，风电机组变为电动状态。图中记录了发生故障时刻机舱入口的电压和电流信号。

由于电流和电压是已知量，通过计算出接入系统的等效阻抗。取多个波形数据计算平均值，得出风电机组接入系统等效阻抗约为32mΩ；设外部阻抗为0，系统电压为690V，可得出短路点位于机舱时的最大短路电流：690&pide;0.032≈21.5kA。

由于低压电弧具有类似电阻的特性，低压系统电弧短路电流的一种计算方法是将电弧等效为10mΩ阻抗。已知风电机组接入系统的等效阻抗约为32mΩ，系统电压为690V，则发生于机舱的电弧短路电流为：690&pide;（0.010+0.032）≈16.5kA。

2短路故障的安全保护对策

2.1安全电器的参数整定与优化选型

通过对短路电流的计算、电弧短路危害的分析及安全保护区域的划分等可以得出风电机组工作时的电气安全边界。风电机组电气安全保护设计的主要内容是安全电器保护参数的计算整定及其优化选型，确保将机组工作参数限定在电气安全边界以内，以避免电气火灾等极端事故的发生。

2.2增加无保护区域的辅助保护措施

在保护区域内，由相应安全电器执行保护；在无保护区域内，有限的空间距离可能导致机舱罩或泄露的油脂被引燃。高压侧后备保护在时间上的延迟导致电弧短路能量急剧增加，可能破坏阻燃层，引起材料持续燃烧，使短路危害范围扩大。

2.3加强对安全电器的运行维护

熔断器是静止部件，动作特性遵循物理规则，在正确选型的前提

下，通常认为熔断器的保护性能为100%，但仍需定期对熔断器进行目视检查，以确认电气连接紧固、熔断器无积尘、无异物进入，确保其工作环境的正常。智能断路器是由电子和机械部件组成的复杂机电装置，虽然具有高的可靠性，但仍然存在一定的失效概率，断路器失效时会失去电气保护功能。

3小结

在完善的安全性设计的前提下，通过加强对安全电器的现场运行维护与管理，确保其在实际运行中的高可用性，可以将安全事故发生的概率和危害的程度控制在合理的正常范围之内。

参考文献：

[1]王斌.变速风电机组低电压穿越能力探析[J].科技与企业，2015，09：244.

[2]郑晶晶，杨勇，陈新，杜培东.直驱型风电机组在系统暂态过程中的运行分析[J].大电机技术，2015，02：7-9+64.