酒泉风电脱网事故原因及应对措施

寇兴魁

（甘肃电投鼎新风电公司，甘肃酒泉 735000）

2011年2月24日，酒泉风电基地某风电场因一个35 kV开关柜间隔内电缆头发生绝缘击穿故障，引起包括该风电场在内的10座风电场共598台风电机组脱网.4月17日，酒泉某风电场一个箱式变压器高压侧电缆头被击穿，另一箱式变压器电缆三相连接处击穿，引起系列反应，造成702台风电机组脱网.

本文对几起大规模风电脱网事故原因进行分析，提出相应的对策和改进措施，以保证风机、升压站和电网的安全稳定运行.

1 风电脱网事故原因分析

1.1 风电场电力电缆终端头发生故障

可能发生电缆头故障的部位主要有以下3个：

（1）风机至箱式变压器低压侧低压电缆头690（620 V），不易发生绝缘故障;

（2）箱式变压器高压侧至架空线路杆箱变高压侧（35 kV）电缆头为电缆故障高发部位，架空线杆侧故障概率相对较低;

（3）终端杆至35 kV开关柜母线35 kV开关柜至母线的电缆头为电缆头故障高发部位.

引起电缆终端头故障的原因如下.

首先是制作工艺.酒泉风电场采用的热缩及冷缩电缆头均需要求很高的制作工艺，现场的气温、湿度、灰尘、沙粒，尤其是制作人员技术水平等均会对制作效果产生较大影响.某风电场在检查更换电缆终端头过程中跟踪发现，部分质量不合格的电缆头均由同一个安装人员所制作.由于安装人员忽视工艺质量，再加上监理人员把关不严和验收标准不高，极易埋下事故隐患.

某风电场自今年2月份以来，连续发生几起箱变高压电缆室电缆终端头B相半导体层断开处绝缘击穿事故，几起故障电缆型号均为YJV23-35kV-3×50，终端头均采用冷缩制作.根据电缆型号及敷设方式，电缆运行时没有超载，且故障发生前35 kV系统并无接地现象.对电缆终端头来说，电场畸变最严重处为金属屏蔽断开处，此处电场强度最大时会产生电应力集中现象，同时由于变电站现场运行环境较差，半导体层与主绝缘表面结合处不可避免会侵入灰尘、气体等杂质，从而造成固体绝缘介质沿面放电.在电缆制作工艺方面可能导致冷缩电缆终端头绝缘被击穿的原因：一是剥切内护套时，划伤铜屏蔽层，造成断口处电场强度增强，容易放电;二是剥切铜屏蔽时，用力不当划伤半导体层，容易存在气隙;三是剥切电缆半导体层时，用力不当使主绝缘层表面有伤痕，容易存在气隙;四是铜屏蔽断开处和半导体层断开处有尖角毛刺，未处理平整;五是电缆半导体屏蔽层剥切后，没有清除干净，其半导体残留在主绝缘层上，或清擦时没有遵循工艺要求，来回擦洗，或主绝缘及铜屏蔽断口处未用硅脂填充，留下隐患，产生闪络放电;六是安装附件时应力管与绝缘屏蔽搭接少于20 mm，交联电缆因内应力处理不良导致其在运行中会发生较大收缩，容易产生气隙.

其次是安全距离.开关柜或箱式变压器空间设计（布局）不合理，柜体空间内电场强度大、温度高，会产生放电隐患.

再次是爬电.甘肃河西地区昼夜温差大，箱式变压器露天放置，内部容易产生水凝（如电缆头相间防火板上），电缆头易通过水珠形成相间爬电，导致短路故障.

最后是谐波.对几次事故PMU分析发现，风电场谐波分量较多，谐波会引起相关设备（如电缆头、过电压保护器等）发热.

1.2 风机不具备低电压穿越能力

低电压穿越（LVRT），是指在风机并网点电压跌落时，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网运行，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间（区域）.这是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求.

当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行.具备低电压穿越能力的风电机组应满足以下3个条件［1］：

（1）风电场应具有在电压跌至20%额定电压时能维持并网运行625 ms的低电压穿越能力;

（2）风电场电压跌落至20%额定电压后3 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行;

（3）风电场升压变压器高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行.

酒泉风电基地一期风电场各种型号的风机在并网前不具备低电压穿越能力，因而在电网电压因某种原因引起波动时导致风机大面积脱网.

1.3 容易发生高电压事故

风电场无功负荷主要包括风机、箱式变压器及主变压器，通过近几次事故分析发现，风电场大负荷时段，风机及箱式变压器吸收无功，导致大负荷时段SVC（动态无功补偿）感性支路置底（或不投），容性支路投入较多且置顶，补偿风机及主变压器的无功损耗，在低电压期间，SVC已无力支撑电压;同时，风机跳闸后，主变压器、箱式变压器及风机消耗的无功减少，导致SVC电容器支路的富余无功涌上电网，引起电网电压飙升［2］.

2 风电场风机脱网应对措施

2.1 电缆头故障引起事故的预防措施

2.1.1 提高冷缩电缆终端头的制作质量

（1）严格控制电缆剥切尺寸，每剥除一层不可伤及内层结构;

（2）剥切铜屏蔽层时，确保断口处不产生尖角毛刺;

（3）半导体层断面应光滑平整，与绝缘层的过渡应光滑;

（4）电缆绝缘层剥切后，应用细砂纸仔细打磨主绝缘层表面，使其光滑无刀痕，无半导体残点;

（5）必须用清洗溶剂从线芯向半导体层方向清洗绝缘层表面，严禁用接触过半导体屏蔽层的清洗纸清洗主绝缘层表面;

（6）打磨和清洗主绝缘时，清洗剂和砂纸不能碰到外半导电层，以免清洗剂溶解半导电层，砂纸打磨遗留的杂质若清除不干净会导致放电;

（7）用硅脂填充电缆绝缘半导体层断口处的气隙以排除气体;

（8）电缆附件的尺寸与待安装的电缆尺寸配合要严格符合规定的要求，保证适当的过盈量，特别是应力管与绝缘屏蔽搭接不少于20 mm，以防收缩时应力管与绝缘屏蔽脱离;

（9）在制作电缆终端头时，要特别注意保持清洁，同时应尽量缩短制作时间，电缆剥切后，在空气中暴露的时间越长，侵入杂质、水分、气体、灰尘等的可能性就越大，从而影响终端头质量.

2.1.2 采用铜排线替代电缆头

用铜排线或其他金属硬连接于母线上，预留足够的绝缘距离，连接线用绝缘胶带包裹，避免电缆头爆炸拉弧导致相间短路.

2.1.3 采用户外变压器代替箱式变压器

箱式变压器主要用于城市，省地且美观，戈壁滩不用考虑以上因素，且目前国产箱式变压器质量差异较大，普遍不是很过关.用户外变压器替代空间封闭的箱式变压器，节省电缆线路和电缆头，减少故障点，酒泉风电后期规划风电场时应考虑变压器换型.

2.1.4 加强馈线保护核查及管理

从PMU来看，酒泉风电“2.24”事故中某330 kV变电站35 kV馈线从单相接地短路发展到三相短路的过程中（约11 s），存在明显的相间短路，馈线保护并未切除此相间故障，而是三相短路时过流I段动作切除故障，因此认为事故原因在于馈线的距离保护没有投入，没有在两相短路时切除故障［3］.酒泉风电“2.24”事故中某330 kV变电站PMU如图1所示.

图1 酒泉“2.24”事故某330 kV变电站PMU

2.1.5 采用熔断器切除故障

三相故障时，过流保护无延时动作，开关跳闸时间约为50 ms，建议采用熔断器代替过流保护，在第一时间熔断切除故障，以减小短路及电压跌落持续的时间及幅度，但需要解决两相短路熔断器熔断后的馈线非全相运行问题.图2为酒泉某330 kV变电站故障录波.

2.1.6 加强谐波治理

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便将谐波电压控制在限定值内，在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生，这是一种比较积极的方法.具体方法为：一是增加整流器的脉动数，需要风机制造商在研发时予以考虑，以有效抑制谐波，提高电能质量;二是在谐波源处吸收谐波电流，这是对已有的谐波进行有效抑制的方法，也是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法，主要有安装滤波器、防止并联电容器组对谐波的放大、加装静止无功补偿装置等方法.

图2 酒泉某330 kV变电站故障录波

2.2 进行风机低电压穿越改造

由近几次风机脱网事故发现，因电缆头故障引起风电场风机全部脱网，相邻风电场及远端风电场的35 kV母线电压均低至76%左右，如果改造前的风机能具备75%的低电压穿越能力，则若再发生类似故障时会降低低电压脱网率.大连华锐科技集团公司现役机组低电压保护可开放至最大额定功率为0.8W和100 ms，新疆金风科技有限公司现役机组低电压保护可开放至最大额定功率为0.7W和100 ms来配合观察验证，以上均不需要进行附加改造.由此可见，风机低电压保护裕度尚有挖掘潜力，因此需要风机厂家提供低电压受制的因素及保护配置的合理性说明，在此基础上，厂商出具不损害设备的低电压保护定值说明，同时修改定值.

低电压穿越改造应从增加变桨蓄电池或超级电容的容量、增加发电机转子侧crowbar电路的容量、升级变流器的主控程序（低电压穿越策略实现和保护定值的屏蔽与开放），以及增加变流器UPS供电电源等方面着手.

2.3 开放风机的无功能力

风电场主变压器及单台箱式变压器短路阻抗之和约为21%，单个200 MW风电场满负荷运行时，主变压器及所有箱式变压器消耗的无功约为50 MW，新疆金风科技有限公司机组无功调节为－0.95～0.95，大连华锐科技集团公司机组无功调节为－0.95～0.9，且正常运行功率因数为1，说明风电机组本身能够向电网发出无功功率而达到自身无功平衡.风电场满负荷运行时，全场机组可提供不小于60 MW的无功支撑，完全可以满足主变压器及箱式变压器的无功损耗，使330 kV出线侧功率因数为1.

合理的运行方式可以承担风机箱式变压器及主变压器的无功消耗.当SVC电感支路及电容支路挂网运行时，容性支路可视系统电压补偿330 kV送出线路的无功损耗，此时感性支路裕度充足，在由故障引起低电压时，感性容量迅速置底，容性释放，为电压跌落提供阻尼;风机低电压脱网后，系统同时损失有功与无功出力，减小无功过剩的情况;若故障切除后系统仍出现富裕无功，则迅速释放感性容量，拉低系统电压.因此，SVC在稳态调压时要为事故留有可调的备用容量.按照电网初步计划，可以在风电场中试行风机无功开放，但若运行的风电场的风机功率因数按1设置，且SVC电感支路没有投入，则必须限制其出力.

2.4 SVC自动投切电容支路

可利用SVC过压保护自动切除电容，判断过压需要1－2个周波，开关动作需要50 ms左右，合计需要100 ms左右的时间.这种方式的实现周期较长，保护改造较多，且可能在电容器自动切除前，风机已经因高电压脱网，因而起不到保护的作用.可考虑利用晶闸管投切电容器，其响应速度快、时间短，但造价相对较高.

2.5 压缩风电场升压站电压曲线范围

目前甘肃省电力调度中心下达的330 kV风电场升压站电压运行范围为350～360 kV，建议缩短运行范围为353～357 kV，这样在正常运行时，就可为低电压和高电压的故障冲击预留裕度.

2.6 进一步开放风机高压保护定值

目前在网机组高电压保护值为1.1倍额定电压即会脱网，可以考虑开放风机高电压保护定值，在1.1倍额定电压不变的情况下，延时2 s.

3 结语

2011年5月至6月，酒泉风电基地各风电场集中进行了设备检查整改，通过对电缆终端头隐患的逐一排查和更换，对风电机组全部进行低电压穿越改造和动态无功补偿装置试验调整后，风机故障率明显降低，电网的安全稳定性得到明显提高.

［1］国家电网公司.风电场接入电网技术规定［S］.［2009－12－22］http：//wenku.com/view/cb9d1e8b6529647d2728529d.html.

［2］平绍勋.电力系统内部过电压保护及案例分析［M］.北京：中国电力出版社，2006：144-152.

［3］宁岐.架空线路及设备典型故障诊断、处理、预防［M］.北京：中国水利水电出版社，2011：212-214.

（编辑胡小萍）