张北小东梁风电场断路器故障原因分析

李华兵（中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430000）



张北小东梁风电场断路器故障原因分析

李华兵（中工武大设计研究有限公司，湖北 武汉 430000）

准确描述断路器故障现象，分析故障发生原因，建立数据模型，分析计算得出结论，并提出解决故障的相应对策。

断路器；故障；跳闸运行时间；短路电流；整定电流

1　断路器故障现象描述

1.11#机位（风机编号为1102005）

总体运行时间：60d

故障发生时间：2012-12-25（22：00）

风机运行过程中定子断路器跳闸，并且有3个F3.1熔丝、F4.7熔丝烧毁，柜门无法有效关闭。故障代码4006（定子断路器故障跳闸）、7080（+15V直流超出范围）、7081（-15V直流超出范围）、7124（网侧接地）、7165（软件过压）、7257（网侧没有门极驱动时，机侧IGBT关断）。

图1　

1.22#机位（风机编号为1104020）故障描述

总体运行时间：20d

故障发生时间：2012-10-05

风机并网时，变流柜内定子断路器Q2.6发生巨响，并有电弧产生，变流柜门被炸开，Q2.6断路器及左侧柜体有明显被烧黑的痕迹，并且有两个变流柜门卡槽被炸掉，致使柜门无法有效关闭。经调试人员和柔性厂家人员现场查看测试，变流柜内无其他元器件损坏，Q2.6功能正常，随后风机启机并网无异常现象发生。

说明原因：断路器并网时承受了远大于额定电流的大电流，并产生电弧。

1.313#机位（风机编号为1104028）

总体运行时间：60d

故障发生时间：2012-12-27

风机报故障4006（定子断路器故障跳闸）停机，按复位按钮，故障4006不能消除。

1.423#机位（风机编号为1105038）故障描述

总体运行时间：40d

故障发生时间：2012-11-27

风机正常停机，风机脱网时报故障18001（有功功率和控制给定功率之间偏差过大）、4006（CC101断路器故障跳闸）、4008（PM3000处于故障状态）、7137（变流器机侧：低电压故障）、7257（变流器：网侧变流关断故障，机侧变流跳闸），并且变流柜内定子断路器Q2.6的T.U.Reset弹片弹出。

说明：脱网时存在大的功率偏差，脱网大电流使断路器故障跳闸。

1.523#机位（风机编号为1105038）故障描述

总体运行时间：40d

故障发生时间：2012-11-27

风机更换为10#机位的定子断路器，风机运行并网后正常停机时，在脱网的过程中报故障18001、4006、4008、7137、7257、7009、7037、7165，并且变流柜内PM3000发出巨响，PM3000机侧部分被烧黑。检查线路发现变流柜CC101内继电器K3.8和K7.5的线圈装反。PM3000机侧故障，引起断路器故障跳闸，但断路器还能正常使用。

图2　

说明原因：脱网时存在大的功率偏差，PM3000烧坏是否与接错线有关。

1.624#机位（风机编号为1105040）故障描述

总体运行时间：15d

故障发生时间：2012-11-08

当发电机转速达到1300rpm并网时，变流柜内（变流柜编号为1103004）定子断路器Q2.6的“Push On”键一直来回吸合，风机无法并网运行。直接给断路器Q2.6的欠压线圈通入24VDC，手动操作时，断路器的“Push On”键可以正常吸合。现场更换为10#机位的断路器后，风机可以正常并网运行。

说明原因：断路器并网时合闸按钮不能闭合，内部机构损坏或24VDC欠压。

2　变频系统参数及特性说明

2.1变频系统短路计算

PM3000网侧短路时：

电网提供的短路电流计算值（计算过程略去）为31.57kA；

电机定子侧提供的短路电流为5.6kA；

网侧接触器通过的总短路电流=31.57+5.6=42.17kA。

2.2变频系统主要设备参数

熔断器：厂家SIBA，型号SQB1 AR 550A，6OOOA电流时网侧熔断器熔断时间接近于0s。

（1）网侧接触器Q5.3：厂家ABB，型号AF260；

（2）定子断路器：厂家ABB，型号E2B2000/3P，遮断容量为65kA。

运行电流：Ib=1730A；

额定电流：In=2000A。

2.3保护整定计算

（1）过负荷保护

整定计算I1=2000A，t1=144s；

整定值I1=1A，t1=144s。

（2）短延时流保护值3×IB，0.5s

整定计算I2=5190A，t2=0.5s；

整定值I2=2.5A t2=0.5s，t=k曲线。

（3）瞬时保护［I］

运行电流IB=1730A；

额定电流In=2000A；

整定计算I3=8×IB=1384A；

整定值I3=7A。

（4）接地保护［G］

运行电流IB=1730A；

额定电流In=2000A；

整定计算值I4=0A，3×IB=519A，t4=0.5s；

整定I4=0.3A，4t4=0s，t=k曲线；

Crowbar电阻1，35MJ/±10%/0，075Ohm。

3　故障分析

（1）需要分析断路器产生大电流产生的原因：①断路器并网同步过程中是否会产生大电流？

断路器同步条件：

Windtec的判据为矢量变换后电压的直流分量：电压偏差有功分量（Ud≤90V），无功分量（Uq≤30V），等效幅值≤94.8V时可以同步并网。（交流电压幅值差、角度差、频率差均通过以上直流判据反映）。交流电压在94.8V以内，等效于定子开关同步，此时并网电流不会太大，应远小于6000A，不会引起跳闸。

②是否由于电网电压不平衡或PM3000网侧IGBT直通引起大的短路电流？

从现有的2台断路器故障数据看，故障电流6000A且三相平衡，说明张北风场电压是基本平衡的，不会引起大的电流；如PM3000网侧IGBT直通，则网侧熔断器需承受电网及电机定子2个方向的短路电流，其电流为42.17kA远大于6kA，网侧熔断器将0s熔断，且网侧PM3000也会烧坏，故这种说法也不成立。

③电网电压波动过大是否会产生大电流？

风场电网电压波动过大（电压偏高），驱动电压超出范围+ /-15V（直流），以至于PM3000控制不好，引起网侧短路，产生大的短路电流，断路器切除故障灭弧过程中烧坏（1#机有类似现象）。

④Crowerbar回路导通是否会产生大电流？

Crowerbar回路由于直流母线电压过高或光纤信号误触发，会导致Crowerbar动作，转子短接进而产生大的电流，并在定子侧感应出约3倍大的对称电流，Crowerbar动作后50ms发跳定子开关命令，其跳闸时电弧会对开关绝缘可能造成一定的伤害，定子开关大电流跳闸次数是有一定限度的；Crowerbar动作在定子侧会产生约大于50ms的大电流，但不会导致断路器选择性保护（时间500ms）动作。

（2）对断路器烧坏原因初步分析：按厂家参数可切断65kA短路电流，现在一月左右部分断路器需切断约十次6kA电流，断路器本身具有灭弧能力按理应不至于烧坏，断路器每切除一次故障电流绝缘和灭弧能力是否下降，该批次是否有质量问题。

4　初步结论

张北风场电压波动较大，断路器故障率相对较高，其它风场目前还没有遇到这种情况，大电流产生的原因可能与电网电压波动过大有一定关系，说明Windtec变流器的电网适应性相对较差；

crowbar回路触发会在定子侧产生对称性大电流，但应该不会导致断路器保护动作，这点需在风场进一步确认。

总之，变流器断路器烧坏与PM3000的控制应有一定的关系，原因有待进一步分析。

5　相应对策

（1）对风场变流柜控制回路及有关光纤的连线进行全面检查。

（2）各风场相关人员立即对所有ABB断路器的日期和时间进行设定，柔性输电须设置好变流柜ABB断路器的时间才允许出厂，以确保保证断路器历史数据的正确性。

（3）风场人员须配合ABB厂家调出所有风场变流柜运行开关的历史数据，以便对每一台开关的现有状态进行好诊断；要求ABB厂家根据相关数据作专题分析，查找出断路器烧坏的原因。

（4）Windtec变流器无故障录波功能也是一大缺陷，建议购买一台恒河的故障录波器，可记录10d以上数据，价格约十几万元；便于分析故障，否则难于快速准确地地查明原因。

（5）需组织Windtec、柔性输电、ABB一起开会共同会诊，进一步查明断路器大电流的来源，并做好相关解决方案（如对网侧、机侧、CROWARBAR回路电流、定子电流及直流母线电压等参数进行录波和检测）。

6　结束语

针对断路器故障原因分析：①应熟悉断路器各项性能指标和使用方法，调用有供分析的故障记录数据，判断数据的准确性和真实性。②分析、总结风电场断路器故障的常见故障类型，并建立数据模型，便于分析和计算，得出结论并试验调试。③形成故障报告，总结经验教训并归档，对产生较大影响的故障类型，应以书面型式专题研究，并组织学习、研讨，总结经验教训。

李华兵（1979-），男，工程师，本科，主要从事工作电力工程电气设计及设计管理工作。

TM614

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2095-2066（2016）16-0045-02

2016-5-20