风电场汇集线继电保护配置与整定

赵宇皓，张兵海，杨志强

(1.河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021;2.蔚县新天风能有限公司，张家口 075000)

按照国家风电发展规划，2015年我国风电规模将达到1亿kW。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[1-4]。根据某风电并网系统的保护定值计算实例，探讨风电并网系统的保护配置及整定原则，给出了风电场汇集线路保护的配置方案及保护与低电压穿越的配合关系。

1 系统概述

图1所示为某风电场接线图。风力发电机沿35 kV汇集线分布，风机出口电压690 V，经过箱式变压器升压到35 kV，经汇集线T接入升压变电站的35 kV母线，35 kV系统经接地变压器小电阻接地，主变压器容量100 MVA。风电场一期装机49.5 kW，共33台1 500 kW的双反馈式风力发电机组，平均接入3回35 kV汇集线路，分别为331线路、332线路、333线路；二期装机为49.3 MW，共33台单机容量为1 500 kW的风力发电机组，平均接入2回35 kV汇集线路，分别为334线路、335线路。

图1 某风电场接线示意

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35 kV 开关柜段由电缆进线。风机箱变压器高压侧配置有隔离开关及熔断器，低压侧配置有断路器。当风机发生故障时，风机保护动作跳开低压侧断路器，保证风机安全；当风机箱变压器发生故障时，高压侧熔断器熔断，从而保证系统的稳定运行。

2 汇集线继电保护配置

35 kV系统为中性点经低阻接地系统，GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程规程》[5]规定：中性点经低阻接地的单侧电源线路装设一段或两段三相式电流保护，作为相间故障的主保护和后备保护；装设一段或两段零序电流保护，作为接地故障的主保护和后备保护。此外，DL/T 584-2007《3～110 kV电网继电保护装置运行整定规程规程》[6]规定：母线连接元件(含站用变压器、电容器、电抗器、出线)应配置两段零序电流保护、两段相电流保护作为该元件的主保护和后备保护。以下主要对相间故障保护配置进行分析。

2.1 相间故障主保护

按照规程要求，在保护实际配置时，若配置两段过流保护作为相间故障主保护和后备保护，则主保护只有一段，将面临主保护无法兼顾选择性和速动性的难题。

对于相间故障，需要配置有快速动作的主保护，且主保护要满足线路末端故障有灵敏度，即主保护范围为线路全长。由于汇集线沿线分布风力发电机，线路主保护范围将延伸至线路近端的风机箱变压器内部。

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0.3～0.5 s；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35 kV母线相间短路电流，35 kV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35 kV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35 kV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。

2.2 相间故障后备保护

规程[6]规定，“3～110 kV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。

文献[3]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 保护整定与低电压穿越校验

35 kV风电系统采用中性点经低阻接地的接线形式，应按照低阻接地系统的电流保护整定原则进行整定。此外，根据国电电网调[2011]974号文件《风电并网运行反事故措施要点》要求，并网风电机组要求具备低电压穿越能力，即在并网点电压跌落的时候，能够保持运行，直到电网恢复正常，从而穿越这个低电压时间(区域)。为满足风电机组低电压穿越的要求，汇集线路保护定值整定需要与低电压穿越的技术指标配合，因此，需要进行保护定值的低电压穿越校验。

3.1 保护整定

3.1.1 电流速断保护

规程[6]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：

(1)

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：

(2)

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。

3.1.2 延时电流速断保护

规程[6]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“20 km以下的线路不小于1.5”，该算例中，汇集线路长度均小于20 km，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：

(3)

3.1.3 长延时过流保护

规程[6]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：

(4)

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。

3.2 低电压穿越校验

3.2.1 低电压穿越要求

图2为对风电场的低电压穿越要求。风电场并网点电压在图中电压轮廓线及以上的区域内时，场内风电机组必须保证不间断并网运行；并网点在图中轮廓线以下时，场内风电机组允许从电网切出。

图2 风电场低电压穿越曲线

规定的风电场低电压穿越要求:

a. 风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时，能够保证不脱网连续运行625 ms的能力；

b. 风电场并网点电压在发生跌落后2 s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组能够保证不脱网连续运行。

3.2.2 线路保护校验原则

风电机组应在并网点电压为20%额定电压能够持续625 ms不间断运行，当某条线路故障点距离母线较远时，故障过程中并网点电压将大于20%额定电压，从低电压穿越曲线图中可以看出，随着并网点电压的升高，风机允许运行时间Tg相应增加，在允许时间内切除故障，可维持其他非故障线路风机组的不间断运行，若保护动作时间超过曲线允许时间Tg，则很可能造成其他非故障线路的风机大面积脱网。

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。

Ug=0.51Tg-0.12

(5)

电流速断保护不需要与其他保护配合，延时整定为0 s，即使考虑断路器动作时间，也将远小于625 ms，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。

3.2.3 线路保护校验实例

以该算例中331线路保护为例，校验延时电流速断保护，取线路电流速断保护范围处(73%线路长度)发生小方式下两相短路，正序短路阻抗：

(6)

35 kV母线处最小电压

(7)

将式(7)带入式(5)，计算可得Tg=0.764 s。

为保证非故障线路风机的不间断运行，331线路保护延时电流速断保护最长切除时间不能超过764 ms，由于延时电流速断保护延时为500 ms，因此，延时电流速断保护满足风机低电压穿越要求。

同样原理，应进行所有线路延时电流速断保护的低电压穿越校验，以满足低电压穿越的要求。此外，在现场试验时，应该实际测量保护动作时间和断路器分闸时间，二者之和应满足低电压穿越对时间的要求。

4 结论

a. 根据风电并网汇集线保护整定计算，认为汇集线相间故障主保护配置一段电流保护无法兼顾保护选择性和速动性，35 kV汇集线路相间故障保护应配置有过流速断保护、延时电流速断保护和长延时过流保护。

b. 汇集线保护整定应满足风电场低电压穿越的要求。

参考文献：

[1] 文玉玲，晁 勤，吐尔逊．依不拉音，等.关于风电场适应性继电保护的探讨[J].电力系统保护与控制,2009,37(5):47-51.

[2] 宋 伟,李昌禧.大型风力发电机组并网运行的探讨[J].河北电力技术,2002,21(4):50-51，54.

[3] 隆贤林.低电压穿越对风电场线路保护的整定[J].内蒙古电力技术,2011,29(2):9-10.

[4] 王承熙,张 源.风力发电[M].北京:中国电力出版社，2002．

[5] GB/T 14285-2006，继电保护和安全自动装置技术规程[S].

[6] DL/T 584-2007，3 kV～110 kV电网继电保护装置运行整定规程[S].