陆上风电场升压站继电保护配置

程兴明

(大唐广元风电开发有限公司，四川 广元 628000)

随着我国风力发电的不断发展和国家能源发展战略，陆上风电场等新能源成为我国电力系统中的一个重要组成部分。陆上风电场是否可以稳定运行能够对电力系统运行的安全性、稳定性以及相关用户的用电安全等产生直接影响。所以陆上风电场升压站的继电保护问题成为了人们广泛关注的话题，如何合理地配置继电保护，同时进一步提升发电安全性和稳定性，成为了陆上风电场升压站着重思考的问题。

现阶段我国陆上风电场升压站在继电保护方法和手段上有较大的提升，针对陆上风电场升压站继电保护配置陆续发布相关规范标准及原则，正在不断的完善陆上风电场升压站继电保护配置。目前陆上风电场升压站以集电线路、汇集母线、线变组和送出线路进行的综合保护配置为主。本文针对陆上风电场升压站继电保护的配置进行简要分析，为陆上风电场升压站安全稳定运行提供参考。

1 继电保护的主要作用及基本要求

1.1 继电保护主要作用

在电力系统中，继电保护是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，最大限度地保证系统安全稳定。当被保护设备发生故障时，继电保护可根据系统情况进行检测并做出反应，将故障切除。同时继电保护对异常情况发出相应的告警信号，以便值班人员及时进行处理，或由装置进行自动的调整等。但继电保护具有一定局限性，可在一定的延时范围内，依据故障具体情况做出反应，减小故障影响范围。

1.2 继电保护的基本要求

继电保护必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。因此，继电保护装置基本要求具有四性。

1)选择性。指当电力系统中设备或线路发生故障时，继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

2)速动性。指继电保护装置必须尽快地切除故障，以减少故障部位对其他设备及系统的影响，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

3)灵敏性。指在被保护范围内发生短路故障或异常情况时，继电保护的反应能力。继电保护对于范围内的故障，不论短路点的位置，短路类型，系统运行方式如何，都能正确反应动作。

4)可靠性。继电保护必须对应该动作的故障时可靠动作，即不拒动；在正常运行时不出现错误反应，即不误动[1-2]。

1.3 继电保护配置的原则

首先，要依据保护对象的故障特征进行配置。通过对需要保护的对象运行状态及故障量等数据分析，结合故障的位置及等级的不同，安装不同的继电保护装置。继电保护采用最普遍的工频电气量，通过电力元件的电流和母线电压及衍生出的其它量，从而构成电流保护、电压保护、方向保护、差动保护、阻抗保护等。其次，可依据保护对象的电压等级和重要性。根据电压等级的不同，系统的继电保护配置要求也不同。比如220 kV及以上设备，稳定性的要求较高，因此其对切断故障所需的时间要求也较高，因此配置双重化两套主保护，强调主保护。主保护需保障设备的安全性及可靠性，以最快的速度选择需要保护的线路，对有故障存在的线路进行隔离和切断。对低电压等级的设备或系统方可采用运后备方式，在故障设备本身保护装置无法正确动作时相邻设备的保护延时动作。再次，满足可靠性前提下尽可能简化二次回路。继电保护系统是二次回路和继电保护装置有机组成，二者相辅相成，缺一不可。二次回路保障电力生产的安全及继电保护装置正常的运行起着重要的作用。复杂的二次回路会导致继电保护装置无法正确地感受系统的实际工作状态而不正确动作。所以满足条件下应尽量简化接线。最后，注意相邻设备保护装置的死区。系统的各个元件这配置相应的继电保护装置不应出现保护死区。在设备选型时合理配置电流互感器，设备之间的保护范围应有交叉[3]。

2 陆上风电场升压站典型接线方式

目前陆上风电场大多采用220 kV或110 kV电压等级，接入电网系统，陆上风电场升压站高压侧采用单母线或线变组接线方式，低压侧采用单母线或者单母线分段方式，本文针对陆上风电场110 kV升压站，主接线图如图1所示。

图1为某陆上风电场，总装机容量50 MW，25台单机容量2.0 MW风电机组。每台风电机组发出的电能经其现地箱式变电站升压至35 kV后，经各自集电线路接入陆上风电场110 kV升压站35 kV配电装置室内的35 kV母线，经主变升压到110 kV后，以1回110 kV出线接至电网变电站110 kV侧。35 kV母线采用单母线接线，110 kV侧采用线路变压器组接线。

图1 风电场主接线图

3 陆上风电场升压站继电保护配置

3.1 110 kV送出线路保护

陆上风电场110 kV送出线路两端配置1套同型号保护装置，其主保护为光纤电流差动保护，后备保护采用三段相间距离、接地距离保护，四段定时限零序方向过流保护，保护装置具有三相一次重合闸功能。线路故障时，主保护拒动后备保护延时动作。电网侧距离、接地保护按躲过升压站主变低压侧故障进行整定；陆上风电场侧距离、零序保护与电网侧距离、零序保护配合，防止误动。在线路任何条件下，在保护范围内发生各种故障时，保护应能正确动作。在保护区外发生故障或故障切除、系统操作等情况下，保护不应误动作。

110 kV送出线路保护配置三相一次重合闸装置，可实现检同期合闸、检无压合闸和不检查合闸，检压元件可用同名相线电压，也可用相电压[4]。

根据规定，110 kV送出线路保护配置为：线路两端主保护及后备保护均投入，电网侧启用重合闸，陆上风电场侧停用重合闸。

3.2 主变压器保护

升压站主变保护采用微机型保护，配置保护有差动、高压侧后备和低压侧后备、非电量保护。差动保护，反应主变内部故障，保护主变高低压侧CT之间，保护动作跳主变高低压两侧断路器。差动保护采用多CPU结构，防止因CPU异常时保护拒动。

高压侧配复合电压闭锁方向过流保护，保护设为二段二时限，两段均选择带方向，方向指向高压侧，并与陆上风电场侧送出线路保护配合。第一时限动作跳低压侧断路器，第二时限动作跳高压侧和低压侧断路器。高压侧复合电压闭锁过流保护，设一段一时限，延时动作跳高压侧和低压侧断路器。

高压侧零序过流保护，保护设三段一时限，Ⅰ段带方向，方向指向变压器，延时动作跳高压侧和低压侧断路器；Ⅱ、Ⅲ段不带方向，延时动作跳高压侧和低压侧断路器。CT外接主变中性点CT。

高压侧中性点放电间隙保护，包括零序电流和零序电压，因主变低压侧带电源，中性点一般接地运行，间隙保护仅在失去中性点启用保护。保护设一时限，延时限延时动作跳高压侧和低压侧断路器，零序过压保护要求取外接3UO。

低压侧复合电压闭锁方向过流保护，保护设为二段式，每段带二个时限，第一时限跳低压侧断路器，第二时限跳高压侧断路器，并与集电线路过流保护配合，形成时限级差，作为集电线路本体保护拒动后的远后备保护，并可靠躲过35 kV间隔系统接地时流经主变的零序电流的计算值，保证接地保护动作的选择性。变压器低侧过电流对低压侧集电线路末端相间故障的灵敏度不够，低压侧过流Ⅲ段保护经复压闭锁。

主变高压侧、低压侧均配置过负荷保护，发信号。

主变本体和有载调压开关均配置非电量保，重瓦斯跳闸，轻瓦斯发信号。压力释放动作发信号。主变油温和绕温，温度高发信号。油位异常发信号。

虽然现在继电保护装置技术已非常成熟，一台装置集成了主变压器所有的保护种类和测控功能，但是继电保护的四要素中的最主要的一条是可靠性，所以为了保证主变压器在实际运行中，单台保护或测控装置出现故障时，主变压器也能可靠运行。一般采用以下配置原则：①保护和测控分开配置；②保护装置采取主保护和后备保护分开配置；③测控采取高低压本体分开配置；④110 kV以上主变压器的操作箱与测控装置分开设置。这样就保证运行中如果某一台保护装置坏了退出，而主变压器也可以安全有保证的运行[5]。

3.3 35 kV母线保护

陆上风电场汇集线系统的母线每段应配置一套母线保护，作为母线故障的主保护。母线配置差动保护，经电压闭锁，进行母线区内故障的动作，跳各支路断路器。保护装置的差动回路包括母线大差回路和各段母线小差回路。母线差动保护由分相式比率差动元件构成，母线大差是指除母联开关外所有支路和分段电流所构成的差动回路。母线的小差是指该段母线上所连接的所有支路(包括母联和分段开关)电流所构成的差动回路。母线大差比率差动用于判别母线区内和区外故障，小差比率差动用于故障母线的选择。

3.4 35 kV接地变/兼站用变保护

为减少维护，陆上风电场现多采用干式接地变兼站用变。其保护配置有速断过流、带时限过流保护、零序过流保护。相间短路故障，速断过流保护跳本间隔及主变低压侧断路器；低压侧、系统接地故障，带时限过流保护与其他间隔零保护配合，跳本间隔及主变低压侧断路器，过流Ⅱ段与集电线路等间隔零序保护配合，形成时限级差，可作为零序保护的近后备保护；接地变及系统接地故障，零序过流保护与其他间隔零保护配合，跳本间隔及主变低压侧断路器，零序CT用接地变电阻柜内CT。仅为站用变不联跳主变低压侧。

3.5 35 kV集电线路保护

集电线路配置三段式过流、零序过流保护，保护范围为线路全长，即线路最末端一台箱变高压侧，保护动作于本间隔断路。过流保护不经方向与电压闭锁。陆上风电场设置零序过流保护能够满足单相接地快速切除故障要求，故一般不采用零序功率方向保护。其中过流保护于主变低压侧过流保护配合，零序过流保护与接地变零序过流保护配合，零序为外接零序。过负荷保护为告警发信。

3.6 35 kV无功补偿装置保护

为保证SVG对环境的适应性，减少减压变运行维护，现陆上风电场无功补偿装置(SVG)基本采用水冷直挂式。无功补偿装置本体配置相应灵敏度高的保护。无功补偿装置开关的保护配置有二段式过流、零序过流、过电压、低电压、不平衡电压保护，保护动作本间隔断路器。零序电流为外接零序。

4 陆上风电场升压站继电保护分析

陆上风电场保护与配电网继电保护具有较大的区别，陆上风电场零序保护主要分为主变高压侧和低压侧两种部分。通常高压侧零序保护采用中性点直接接地零序与间隙零序保护相互配合方案；低压侧主要采用小电阻接地方式或采用接地变接地方式。采用这种接地方式下，陆上风电场集电线系统可以采用零序电流识别单相接地故障。对于超出接地零序CT范围外的母线采用母差保护。对于母线上的站用变(接地变)、无功补偿装置同时也配置零序电流保护。采用该方案的保护配置对风电场升压站站内的所有电气设备进行了全覆盖。

对陆上风电场升压站继电保护配置简要阐述了方案，方案中设备通过主保护与后备保护的相互配合，让保护更加全面，可以尽可能地降低故障所带来的损失。但在风电场实际运行中继电保护配置还需进行定值整定，定值整定计算和保护的配置需充分考虑故障电流的影响[6]。

对于陆上风电场升压站集电线路，现阶段各风电场风电机组普遍采用T接单回线路方式接入系统，依据当前的保护配置方案，在集电线路出现故障时，目前现有的故障测距方法，难以区分故障点具体在哪条分支中，使得在查找故障点方面存在着一定的困难，因此需要进一步研究。

5 结 语

综上所述，随着陆上风电场装机容量越来越大，环境的复杂，为提高陆上风电场运行安全性以及稳定性，在陆上风电场升压站保护配置时，需要考虑到接入提高电网的系统相关性能，结合保护对象特点进行合理配置，能有效切除故障或控制故障范围，尽可能地减少短路故障所带来的损失，进而确保整个风电场更好地运行。