风电场继电保护配置与整定研究

风电场继电保护配置与整定研究

刘岩俊

（中海油新能源玉门风电有限公司甘肃酒泉735211）

摘要：随着风力发电技术的不断进步，单台风力发电机的容量越来越大，风电场装机容量也越来越大，对电力系统的影响也日趋严重。

关键词：风电场；继电保护；保护整定

引言

随着风机装机容量的增加，风电场对电网运行的影响也越来越突出。风电场具有特殊的接线方式、运行方式和运行环境，研究风电场的保护配置与整定，对风电场的稳定运行及故障切除等方面具有重要意义。

1系统概述

图１所示为某风电场接线图。风力发电机沿35kv汇集线分布，风机出口电压690v，经过箱式变压器升压到35kv，经汇集线Ｔ接入升压变电站的35kv母线，35kv系统经接地变压器小电阻接地，主变压器容量100MVA。风电场一期装机49.5KW，共33台1500KW的双反馈式风力发电机组，平均接入３回35KV汇集线路，分别为331线路、332线路、333线路；二期装机为49.3MW，共33台单机容量为1500KW的风力发电机组，平均接入２回35KV汇集线路，分别为334线路、335线路。风电场内风机箱式变压器一般采用高压侧角形、低压侧星形接线形式，高压侧出口采用电缆上塔接至架空线路，再经架空线路送至风电场升压站。线路进站采用电缆，站外设置终端塔，从终端塔至35KV开关柜段由电缆进线。

2汇集线继电保护配置

2.1相间故障主保护

主保护动作时间可选择２种方案：一是为满足选择性的要求，主保护动作延时为与箱式变压器高压侧熔断器时间配合，取延时Δｔ为0.3～0.5s；二是满足速动性的要求，采用无延时的速断保护。方案一的问题在于，在汇集线出线近端发生相间故障时，故障电流值近似于35kv母线相间短路电流，35kv母线故障电压远低于20％的额定电压，在这种严重故障下，保护的快速切除故障对负荷开关等电力设备寿命及整个风电场风机的不间断运行有重要意义。在此情况下，应该按照35kv母线短路故障处理，保护无延时切除故障。方案二的问题在于，当发生线路近端风机箱式变压器内部故障时，线路主保护与风机箱式变压器高压侧熔断器无时间配合，由此带来的结果是汇集线主保护可能先于箱式变压器熔断器动作，造成该线路跳闸和非故障风机脱网。综上所述，主保护配置一段电流保护无法兼顾快速性和选择性的需求。因此，建议35kv线路主保护应配置有过流速断保护及延时电流速断保护。其中，过流速断保护在线路出线近端短路时无延时切除故障；延时电流速断保护作为整条线路的主保护，保护范围为线路全长，同时作为风机箱式变压器的远后备保护，设置短延时。

母线是电力系统的重要组成元件之一，母线发生故障，将影响电力系统的安全生产，与架空线相比，母线发生故障的次数较小，但由于其绝缘老化，自然因素的影响，互感器损坏或爆炸均可能造成母线短路故障，一旦母线故障，其后果是十分严重的。母线上发生的故障主要是各种类型的接地和相间短路。单母线接线（无分段开关），一次系统和各种操作，母差保护不需要任何变动，当分段刀闸断开，用线路对一段母线充电时，应该停用母差保护。对于后备保护，线路N侧按照正常的三段式距离保护整定（零序保护相同）。而线路M侧由于无LVRT功能，风力发电机只能提供大约120ms的短路电流，只需配置无动作延时的Ⅰ段；如果风力机具有LVRT功能，短路电流大概有600ms时间，因此需要整定带短延时（0.3～0.5s）的距离保护Ⅱ段。

2.2相间故障后备保护

规程规定，“3～110kv电网继电保护一般采用远后备方式，即在临近故障点的断路器处装设的继电保护或断路器本身拒动时，应由电源侧上一级断路器处的继电保护动作切除故障”。由于风电并网线路为双侧电源线路，需要考虑风机并网运行时的工况。在此情况下，其他并网线路作为该线路的上一级电源，应配置有一段长延时过流保护，作为该线路保护或断路器拒动时的远后备保护，同时作为主变压器的远后备保护，在主变压器发生故障且低压侧保护或断路器拒动时，切除故障。提到，线路保护还要增设方向元件以提高保护灵敏度，但在实际整定中，长延时过流保护整定原则一般为躲过线路负荷电流，即使加装方向元件，电流定值也不能小于线路负荷电流，而且方向元件使用中存在TV断线闭锁保护等情况，应用较为复杂，因此该算例中保护不配置方向元件。

3保护整定

3.1电流速断保护

规定，“应按躲过本线路末端最大三相短路电流整定”，以331线路为例，电流动作值整定为：

式中：Ｋｒｅｌ为可靠系数，取1.3；Ｉｋ．ｍａｘ为331线路末端最大三相短路电流；ηＴＡ为ＴＡ变比。保护范围：

式中：Ｘ＊Ｌ为线路单位长度阻抗标幺值；Ｅ为额定相电压；Ｘ１ｍａｘ为保护安装处的系统侧阻抗。331线路长度Ｌ＝5.08km，保护范围＝ＬｍｉｍＬ×100％＝73％。保护灵敏度校验。电流速断保护应校验被保护线路出口短路的灵敏系数，在常见运行大方式下，三相短路的灵敏系数不小于１时即可投运。电流动作值经校验满足灵敏度要求。

3.1延时电流速断保护

要求，“电流定值应对本线路末端故障有规定的灵敏系数”，而且“20km以下的线路不小于1.5”，该算例中，汇集线路长度均小于20km，整定原则为：满足线路末端最小运行方式下两相短路有灵敏度，灵敏系数为1.5。电流动作值整定为：式中：Ksen为灵敏度，取1.5；

Ｉ（２）ｋ．ｍｉｎ为线路末端最小方式下两相短路电流。保护动作时间与35KV箱式变压器熔断器保护时间配合，取0.5s。

3.2长延时过流保护

要求，“电流定值应与相邻线路的延时段保护或过电流保护配合整定，同时，电流定值还应躲过最大负荷电流”，同时要求“对中低压侧接有并网小电源的变压器，如变压器小电源侧的过电流保护不能在变压器其他侧母线故障时可靠切除故障，则应由小电源并网线的保护装置切除故障”，据此，整定原则为躲风机正常运行时的线路负荷电流，并作为１号主变压器的远后备保护。电流动作值整定为：

式中：ＫＫ为可靠系数，取1.2；Kf为返回系数0.85～0.95，取0.9；IFH.max为本线路最大负荷电流。保护动作时间与１号主变压器过流保护时间配合。

3.3线路保护校验原则

从图２中可以得出风机不间断运行时Ｕｇ和Ｔｇ的关系式Ｕｇ＝Ｋ１＋Ｋ２Ｔｇ，其中，K2为曲线斜率，计算可得k2＝0.51；K1为曲线与纵轴交点，计算得K1＝－0.12。电流速断保护不需要与其他保护配合，延时整定为0S，即使考虑断路器动作时间，也将远小于625ms，因此电流速断保护不需要进行低电压穿越校验。延时电流速断保护由于考虑与其他保护的配合，动作时间可能取值较大，动作延时较长很可能造成不间断允许时间内无法切除故障，造成非故障线路风机脱网，因此需要进行低电压穿越校验。在故障电压在20％额定电压时，保护动作时间越短，故障切除越迅速，越有利于风机的不间断运行。对长延时过流保护来说，由于延时较长，而且作为其他线路及设备的远后备保护，当其动作时将切除非故障运行线路，可以不考虑与低电压穿越的配合。

结语

多数风电场的保护定值计算十分不规范，许多新投运的风电场无法找到有能力的定值计算单位，风电行业对风电保护定值计算的需求十分迫切。每个风电场的接线方式、电气配置以及系统参数都不尽相同，人工计算风电场保护定值费时费力，技术人员经验和水平不同也容易出现纰漏。风电场继电保护整定计算管理系统按照规范标准对定值进行计算，保障了定值计算的准确性，降低了风电企业运营成本，促进了风电场安全生产。

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