风电小电流接地保护对比分析

徐明宇，王 冰，孙立鹏，武国良，穆兴华，于海洋，邵静涵

(1．黑龙江省电力科学研究院，哈尔滨 150030;2．哈尔滨智能热电设计院，哈尔滨 150090;3．大庆油田电力工程公司，黑龙江 大庆 163453)

风电在环境保护、整体能源利用、节能减排效率上是传统能源不可比拟的。而且，风电在风力资源丰富的山区或岛屿上的特殊应用，能够延缓建设集中输配电系统，提高电网运行经济性和供电可靠性。风电场集电线路一般采用电缆敷设或架空线加电缆方式，大量电缆的使用会导致系统发生接地故障，增大容性电流，若容性电流得不到及时控制，容易造成事故扩大。因此风电场接地方式的选择以及保护的配置显得尤为重要［1－6］。本文针对风电场集电线路的事故情况，结合大规模风电及其接线特点和继电保护配置，分析了三种不同接地方式(不接地、经消弧线圈接地、小电阻接地)应用于风电场汇集系统时四种保护装置的性能，并对四种保护装置的动作特性进行了比较研究。

1 研究思路

本文利用仿真软件进行故障模拟仿真，并对相应保护装置进行故障测试，对比分析各保护装置的性能。

1．1 仿真依据

本文以黑龙江省某风电场为研究对象。该风电场主要设备参数如表1、表2所示。

表1 风电场风机参数Tab．1 Fan parameters in wind field

该风电场总装机容量197．2 MW，安装39台单机容量850 kW的维斯塔斯风力发电机组，193台单机容量850 kW的歌美飒风力发电机组。场内集电线路共分为16回，其中8回以架空线路形式接入场内220 kV升压变电站的35 kVⅠ段母线，另外8回以架空与电缆相结合的配网线路形式接入场内220 kV升压变电站的35 kVⅡ段母线。风电电力经220 kV升压站统一送出。

表2 风电场集电线路、箱式变压器参数Tab．2 Integrated circuit，box type transformer parameters in wind farms

1．2 仿真模型

本文基于ADPSS仿真系统搭建了仿真模型。该模型是由中国电科院研发的基于高性能PC机群的全数字仿真系统。该仿真系统利用机群的多节点结构和高速本地通信网络，实现了大规模复杂交直流电力系统机电暂态和电磁暂态的实时和超实时仿真以及外接物理装置试验。ADPSS仿真系统与物理接口箱、功率放大器连接后，能够将仿真所模拟出的实时电流、电压直接输入到待检装置，实现对待检装置的动态检测。

仿真模型主要根据风电场图纸、说明书、接入报告等资料进行搭建。依据风电场基本信息，利用ADPSS无穷大电压源来进行等值，对系统进行建模，模型如图1所示。

2 试验分析

2．1 试验对象

试验主要针对以下装置的零序保护、接地选线功能进行测试。

1)某厂数字式线路保护测控装置。特点:该装置用于系统为小电阻接地方式时，零序保护能够正常使用，动作区为120°～240°(电流超前电压);用于不接地及消弧线圈接地系统时，该装置只能使用选线功能，而且需要配合后台使用。

2)某厂微机小电流接地选线装置。其特点:该装置在原理上利用了“S注入法”的主要特征以及小电流系统单相接地的稳态相量、暂态量;采用了先进的数字信号处理技术，解决了微弱信号提取;构成了一种自适应综合选线方法;该装置能够单独使用，不需要后台。

3)某厂微机线路保护测控装置。特点:该装置用于系统为小电阻接地方式时，零序保护动作区为－60°～－210°(电压超前电流);用于不接地及消弧线圈接地系统中，零序保护动作区为15°～165°(电压超前电流);该装置选线功能需要配合后台使用。

4)某厂保护测控装置。特点:该装置零序保护只判断电流大小，不判断方向;该装置选线功能需要配合后台使用。

2．2 试验方法及数据

试验分析只对9号、10号、14号机群线。由于试验的主要目的是针对不同保护装置的性能比较，因此，为了简单起见，试验故障情况只考虑机群线U相0%处金属性永久接地。假设零序保护装置安装在9号机群线，接地选线装置针对的是9号、10号、14号机群线。

试验分为以下工况:

1)35 kV为不接地系统情况下9号机群线0%处金属性永久接地故障、10号机群线0%处金属性永久接地故障、35 kV母线金属性永久接地故障。

2)35 kV为经消弧线圈(8H)接地系统情况下9号机群线0%处金属性永久接地故障、10号机群线0%处金属性永久接地故障、35 kV母线金属性永久接地故障。

3)35 kV为经小电阻(66 Ω)接地系统情况下9号机群线0%处金属性永久接地故障、10号机群线0%处金属性永久接地故障、35 kV母线金属性永久接地故障。

试验录波曲线如图2—图4所示。图中UU、UV、UW为35 kV三相母线电压，UL为母线零序电压，IU、IV、IW分别为9 号、10 号、14 号机群线零序电流。其中35 kV母线的PT变比为35 kV/100 V，机群线零序电流采用三相电流相量和的方式，CT变比为300 A/5 A。

故障瞬间母线零序电压超前各机群线零序电流角度如表3所示。

图2 9号机群线0%处U相金属性永久接地故障录波图Fig．2 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph at No．9 cluster line 0%site

试验时各装置的动作情况如表4所示。注意零序保护装置仅安装在9号机群线，接地选线装置针对的是9号、10号、14号3条机群线。

2．3 动作分析及结论

1)数字式线路保护测控装置。该装置零序保护在小电阻接地系统中，动作方向正确，没有误动情况。但在不接地及消弧线圈接地系统中，只能选用选线功能，但此功能需要监控后台的支持，不能单装置使用。

图3 10号机群线0%处U相金属性永久接地故障录波图Fig．3 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph at No．10 cluster line 0%site

图4 35 kV母线U相金属性永久接地故障录波图Fig.4 Phase U gold attribute permanent grounding fault oscillograph on 35 kV bus

表3 故障时母线零序电压超前零序电流角度Tab．3 Zero sequence voltage of bus ahead of zero sequence current angle in fault (°)

表4 装置动作情况Tab．4 Device action situation

2)微机线路保护测控装置。该装置零序保护能灵活用于不接地、经消弧线圈接地、经小电阻接地系统中。另外，该装置同样具备选线功能，但此功能同样需要监控后台的支持，不能单装置使用。在不接地系统、小电阻接地系统中，该装置动作正确。在消弧线圈接地系统中，零序方向没有落入动作区，装置没有动作。该装置在消弧线圈接地系统中应用时存在零序方向动作区域不准确的问题。

3)线路保护测控装置。该装置零序保护没有方向闭锁，无论正向还是反向故障都会引起动作。

4)微机小电流接地选线装置。该装置性能优良，无论在不接地系统，还是消弧线圈接地系统、小电阻接地系统发生接地故障，在其保护范围内都能正确选线。但是在试验中发现该装置在系统电压偏移较大、35 kV母线空载、CT饱和的情况下，存在拒动或者选线不正确的情况。

3 结语

本文通过基于ADPSS仿真系统搭建的仿真模型对四种装置的零序保护、接地选线功能进行仿真测试得知，风电场集电线路保护系统的应用，能够避免发生风电机组脱网，保证电网安全稳定运行及风电场获取更多的经济效益。

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