风电场风机脱网故障研究分析

王瑞云

（镇江市高等专科学校，江苏 镇江 212000）

风电场风机脱网故障研究分析

王瑞云

（镇江市高等专科学校，江苏 镇江 212000）

针对35kVⅡ回集电线路C相单相接地故障引发BC两相、三相相间短路，致使风电场并网点电压跌落、风电机组风机脱网、系统电压升高，进而引发其余风机因高电压陆续脱网的恶性事故，进行故障分析并提出处理措施。

风机；脱网；故障分析

与火电或水电的可控发电能源不同，风机多是异步或永磁式发电机，机组本身无励磁调节系统，发电机、变压器等设备都要消耗无功，是不可控能源。当电网出现事故，使系统电压降低，低电压保护动作跳闸，大量机组拖网，系统会因线路充电功率、无功消耗设备减少使电压升高，又会有很多风机因过电压跳闸脱网，使事故扩大，对电网安全运行造成很大影响。因此对于风电场风机脱网故障的研究分析就显得尤为重要，以某风电场风机脱网故障为例，根据故障现象分析风机脱网原因，排除故障，吸取教训，加强维护保养。

一、故障概述

某风电场安装高原型风电机组若干台，风电场采用1机组1箱变（35kV/690V）接线方式，并分为3组，每组箱变的35kV侧并联至Ⅰ回35kV集电线路，Ⅲ回集电线路至风电场110kV变电站的35kV开关柜，110kV主变压器升压后，经Ⅰ回110kV线路送至变电站。风电场主接线示意图如图1所示。

事故发生前共30台风机运行，带负荷34000kW，其他设备运行正常。风电场35kVⅡ回线电缆头发生接地相间短路故障，32断路器跳闸，35kVⅡ回线所运行的10台风机停机，同时35kVⅠ、Ⅲ回线上的20台风机停机脱网。当35kVⅡ回集电线路的线路保护装置发出跳闸命令，将35kVⅡ回集电线路故障排除后，有一台风机未脱网，还在运行状态。

二、故障原因

1.风电场35kVⅡ回线32断路器跳闸原因分析

图1 某风电场部分电气主接线图

（1）一次设备检查情况

风电场工作人员对35 kV Ⅱ回线进行检查，发现距离35kV Ⅱ回线32断路器2km处电缆分接箱内240mm2的电缆分支套处绝缘击穿。

事故发生后，对录波器波形进行调取，通过录波图看出，电缆分接箱内故障电缆分支套处发生C相接地故障，C相电压降至额定电压的7.07%，二次相电压7.07V，一次相电压为2474.5V，如图2所示；经31.951s后发展成BC相间故障，相电压降至额定电压的6.66%，二次相电压6.66V，一次相电压2331V；又经32.8ms后发展成三相接地短路故障。

图2 电缆故障时35kV母线PT电压波形

（2）保护动作情况

35kV II回线PSL691U保护动作出口，动作电流59.287A，动作时间0s（电流I整定=51.85A，动作时间T整定=0ms），线路出口断路器32跳闸。

2.风电场35kVⅠ、Ⅲ回线风机脱网原因分析

故障发生后，35kVⅠ、Ⅲ回线上运行中的20台风机脱网。下面从故障录波器波形图、风机故障波形图、风机故障代码3个方面进行分析。

（1）从故障波形图中分析风机脱网原因

35kVⅡ回集电线路发生C相单相接地故障，后续发展为BC两相、三相相间短路。

由图2可以看出，35kV线路B、C两相电压短路时间(电压跌落到6.66V，为标准电压的6.66%＜20%)在32.8ms秒。

根据国家标准GB/T 19963-2011 《风电场接入电力系统技术规定》和行业标准《Q-GDW392-2009风电场接入电网技术规定》，当风力发电场电网电压跌落到90%以下的时候，风电机组进入低电压穿越程序，低电压穿越程序的电压范围为额定电压的20%～90%，即电压跌落到额定电压的90%～20%，在这个电压范围内的风电机组维持不跳闸，停机时间是反时限的，即电压跌落越深，风电机组维持不跳闸的时间就越短。最短时间是625ms（对应跌落电压20%)，最长时间为2000ms（对应跌落电压90%）。如果电压跌落20%以下时，0ms跳闸停机脱网，如图3所示。

风电场35kVⅡ回线因电缆头发生相间短路故障时，35kVⅡ回线运行风机停机。其电网（35kV系统）电压跌落至接近2.331k V，此时风机立即进入低电压保护模式，35kVⅠ、Ⅲ回线上运行中的20台风机停机脱网，是正常的，符合国家标准。

（2）从风机故障波形图中分析风机脱网原因

图3 高原型风机低电压穿越曲线

当故障发生时，35kV Ⅱ回线32断路器断开，此线路上所带8台风机失电，以Ⅰ、Ⅲ回线的部分风机为例，分析风机脱网原因，如图4、图5所示。

图4 02号风机功率、电压故障波形图

图5 07号风机功率、电压故障波形图

通过对以上2台风机故障波形图分析，说明35kVⅠ、Ⅲ回线上20台运行风机脱网的主要原因是由于风机相电压跌落到低电压穿越下限值20%以下，即相电压400V的20% 80V以下（2、7号风机电压分别跌至59V、36V），风机运行电压超出低电压穿越范围要求，立即停机。

（3）从风机的故障代码中分析风机脱网原因

经过对故障代码和发生的时间比对分析，主要有3种类型，第一类有机组立即报出“断路器最大电流”故障代码，1s后报出“频率低”故障代码；第二类有机组1s后报出“频率低”故障代码；第三类有机组立即报出“主开关失电”故障代码(表1)。

表1 风机故障类别统计

对上述3类故障代码的分析：风机脱网前，风场出力为34000kW，第一类报出603（断路器最大电流）故障代码的风机所带负荷较高（接近风机的额定功率）；第二类未报出603故障代码的风机所带负荷相对较低（小于额定功率）；第三类是报出了45“Main ctrl. supply”主开关失电代码。原因为有风机主控柜门损坏，无法固定UPS，正在处理中。

3.本次未脱网风机的情况分析

有一台风机报出“Wind>Power”“风能>功率”代码信息。风机自动待风停机。约1h强风机虽然报出“FR T Phase Drop”、变频器系统发出低电压穿越模式信号给主控系统并同时报出代码1400 Freq.conv. not Ok，1406 Freq.conv.grid error，1409 Freq.conv. error，但是因当时风机为待风停机状态，未执行上述代码停机。稍后自动复位，风机自启动并网。

三、原因分析和整改措施

造成此次风机脱网的直接原因是35kV电缆相间短路。据数据分析，由35 kV电缆头故障引发的大规模风机脱网事故占70%以上，客观地分析造成35 kV电缆头故障的原因，采取防范措施，消除隐患，避免此类故障的再次发生，对风电项目的正常运营意义重大。

1.原因分析

（1）电缆接线处不是自然状态，受到了一定的拉力和应力导致

冬夏季节，冻土层冻融变化复杂，土层对电缆和电缆头机械拉力大。另外，日早晚温差大，电缆热胀冷缩，低温环境热缩头弹性减低，绝缘易被破坏。部分地区紫外辐射强度大，绝缘易老化。

（2）电缆头质量问题

根据国家标准GB50168－1992《电缆线路施工及验收规范》规定：“制作塑料绝缘电力电缆终端与接头时，应防止尘埃、杂物落入绝缘内。严禁在雾或雨中施工”。

如果在制作中不注意环境因素的影响，就会电缆头绝缘中由于进入尘埃、杂质等形成气隙，并在强电场下发生局部放电，继而发展为绝缘击穿，造成电缆头击穿的故障。如果在潮湿的环境中制作，则电缆容易受潮而使得整体绝缘水平下降，另外也容易进入潮气形成气隙而出现局部放电。电缆运行中负载高低产生的电缆热胀冷缩。风电机组负荷变化较大，造成热胀冷缩频繁，易使电缆头损坏。有些风电箱变考虑防风沙问题，进线孔过低过小，使电缆弯曲半径过小，承受机械应力过大，绝缘易受损。35kV电缆固定不规范，长期受风力影响造成与构架处磨损导致绝缘损伤不断恶化，最终导致电缆故障。

2.整改措施

在普通地区制作电缆头的材料、工艺和质量标准不一定能够满足风电场环境常年安全运行的要求，应根据风电场环境采用相应的材料、工艺和质量标准制作电缆头。

（1）冻土层冻融变化复杂地区使用钢丝铠装电缆

普通铠带缠绕护套作防护，主要是防止电缆受外力损伤，而在冻土层冻融变化复杂地区宜采用直径4.0mm的钢丝铠装紧密排布，缠绕护套作防护，不仅要防止电缆受外力损伤，更主要的是电缆在冷热收缩时与电缆形成一个整体，防止应力损伤电缆。

（2）温差较大地区宜使用全冷缩电缆头

冷缩电缆终端绝缘性能优异，耐老化，防腐蚀，密封性能好，抗电痕性能好且硅橡胶弹性好，与电缆界面结合紧密，应力控制与绝缘复合为一体，有效解决了电缆屏蔽断面处应力集中的问题，保证电缆的安全运行。

高压电缆终端头施工中应充分考虑施工时工作环境条件，必要时采取可靠的防潮、升温和防尘措施后，方可进行施工。

（3）加强35kV高压电缆终端头及电缆固定的规范

在安装固定电缆时，要防止心线多次弯曲扭转造成绝缘外力损伤，特别注意电缆交叉处及与构架碰触部位，由于风场常年风速大，防止振动磨损、老化造成绝缘损坏。对单心电缆固定卡件进行检查，坚决杜绝使用导磁材料构件。

TK83

B

1671-0711（2015）10-0069-03

2015-09-17）