風電場綜合故障錄波分析探討

諸葛軍，張全元，亢歆童

（1.特變電工新疆新能源股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.湖北電力有限公司超高壓公司，湖北 武漢 430050；3.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

由于環(huán)境污染的加劇和能源危機，世界各國都在環(huán)保問題上引起了高度重視，使風電技術得到了快速發(fā)展。我國在世界上莊嚴的提出了“碳達峰，碳中和”的承諾目標，使風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，風電新增裝機容量近幾年穩(wěn)居全球前列。由于快速發(fā)展也出現(xiàn)了不同程度的問題，新能源電站故障時有發(fā)生，如“224 事故”導致風電機組的大面積脫網(wǎng)事故等情況，已影響到電網(wǎng)的安全。傳統(tǒng)故障錄波器和繼電保護故障錄波很難采集到風機側(cè)故障和箱變側(cè)故障，缺少對風機及箱變的故障準確分析判斷。風機故障波形讀取未能開放，分析故障比較困難。低電壓穿越和高電壓穿越保護也在近幾年電網(wǎng)技術改造要求下不斷完善改進，減少風機對電網(wǎng)脫網(wǎng)引起電網(wǎng)大面積停電的風險。本文通過讀取風機變流器故障波形分析箱變與風機保護綜合性故障案例，分析了風機與箱變故障的邏輯關系及事故原因，提出了改進設計優(yōu)化方案的研究探討思路，推動風力發(fā)電技術進步。因此，對風力發(fā)電的技術進行研究具有重要意義。

1 風電項目基本情況

某100 MW 風力發(fā)電項目裝機容量100 MW，安裝40 臺2.5 MW 風力發(fā)電機組。風電場升壓站建設一臺100 MVA 主變，建設一條110 kV 送出線路。風電機組接線采用一機一變單元接線方式，風機出口電壓為0.69 kV 通過箱變升壓至35 kV，經(jīng)35 kV集電線路匯集至110 kV升壓站，風電項目110 kV升壓站接入上級220 kV匯集站。

2 風電箱變低壓母排放電綜合故障事件基本情況

2021年5月26日，某100 MW風力發(fā)電項目X#風機箱變低壓側(cè)斷路器發(fā)生跳閘故障導致箱變無法投運事件。根據(jù)現(xiàn)場情況，2021年5月26日5:17，X#風機箱變低壓銅母排存在尖端拉弧放電現(xiàn)象，電壓下降引起風機低電壓穿越保護動作，隨后箱變低壓斷路器跳閘并報警。箱變低壓斷路器跳閘后造成風機側(cè)電壓升高導致風機變流柜網(wǎng)側(cè)防雷器持續(xù)動作，使防雷器燒毀并伴有大量煙霧，觸發(fā)柜內(nèi)風機煙感報警，造成風機事故鏈動作停機?，F(xiàn)場箱變低壓配電室前門與側(cè)門被短路電弧故障氣流沖開，并報箱變低壓室門開信號。

3 保護動作情況及信息分析

對箱變監(jiān)控后臺調(diào)取故障數(shù)據(jù)報文，通過多報文對比分析，確定報文顯示主要信息2021年5月26日05:17:28，X#箱變低壓檢修門開信號，36 ms后顯示X#箱變低壓斷路器故障信號，后臺報文與現(xiàn)場檢查情況吻合。由于箱變低壓故障沖擊氣流將檢修前門與側(cè)門沖開，后續(xù)低壓斷路器跳閘。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)出風機故障記錄及故障波形分析，由于故障引起風機保護低電壓穿越啟動抬高電壓及箱變低壓斷路器跳閘，此高電壓持續(xù)觸發(fā)風機配電柜內(nèi)網(wǎng)側(cè)防雷器動作并導致超出防雷器泄放能力過熱燒壞，導致消防煙感器報警，風機事故鏈保護動作停機。備注：低電壓穿越（LVRT），指在風力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風機能夠保持低電壓穿越并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復，直到電網(wǎng)恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間（區(qū)域）。LVRT是對并網(wǎng)風機在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運行功能要求。風電場內(nèi)的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625 ms的能力。風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2 s 內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場內(nèi)的風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。當電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障、兩相短路故障或者單相接地短路故障引起并網(wǎng)點電壓跌落時，風電場并網(wǎng)點各線電壓在圖中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)時，場內(nèi)風電機組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行；風電場并網(wǎng)點任意線電壓低于或部分低于圖中電壓輪廓線時，場內(nèi)風電機組允許從電網(wǎng)切出，如圖1所示。

圖1 風電場低壓穿越曲線

4 風機側(cè)故障波形分析

根據(jù)風機變流器網(wǎng)側(cè)故障錄波三相電壓變化圖形可知，05:17:18.469，發(fā)生箱變母排尖端放電時網(wǎng)側(cè)C相電壓波形發(fā)生變形并降低，如圖2所示。

圖2 箱式變壓器放電電壓波形圖（C相）

由于C 相弧光放電導致周邊空氣絕緣下降出現(xiàn)A、B相放電電壓發(fā)生變形并降低，如圖3所示。

圖3 箱式變壓器放電電壓波形圖（A、B相）

由于風機正常發(fā)電直流側(cè)電壓波動，箱變低壓母排三相弧光放電引起風機直流側(cè)電壓降低，23 ms后直流側(cè)電壓降低至直流額定電壓的90%以下風機側(cè)低電壓穿越保護啟動，低電壓穿越后18 ms 抬高電壓倍數(shù)1.38 倍，隨之交流側(cè)三相電壓升高，此時箱變低壓斷路器跳閘，風機發(fā)電機形成孤島運行電壓升高，如圖4所示。

圖4 低電壓穿越保護啟動波形圖

由于箱變低壓斷路器跳閘，風機發(fā)電機形成孤島運行電壓升高，交流電壓升高造成風機側(cè)防雷器泄壓啟動降低電壓，如圖5所示。

圖5 風機側(cè)直流電壓及網(wǎng)側(cè)交流電壓波形圖

風機發(fā)電機側(cè)電壓升高導致風機側(cè)防雷器泄壓持續(xù)啟動，導致風機側(cè)防雷器燒毀，并持續(xù)引起低壓穿越啟動，變流器抬升電壓，隨后防雷器燒毀并伴隨大量煙霧導致柜內(nèi)消防煙感器報警，風機事故鏈保護動作停機，如圖6所示。

圖6 風機側(cè)直流電壓及網(wǎng)側(cè)交流電壓故障波形圖

5 故障原因分析

根據(jù)變流器故障錄波圖形數(shù)據(jù)、設備故障現(xiàn)場情況及箱變測控后臺數(shù)據(jù)分析。由于箱變低壓母排出現(xiàn)尖端對金屬支架放電拉弧，箱變低壓側(cè)C 相電壓降低，放電引起低壓側(cè)故障段母排周邊空氣絕緣降低，導致相間、相地拉弧放電，導致電壓降低出現(xiàn)故障，引起風機低電壓穿越保護投入，抬升系統(tǒng)電壓造成變流器網(wǎng)側(cè)防雷器持續(xù)動作泄壓，隨后箱變低壓側(cè)斷路器跳閘，風機發(fā)電機形成孤島運行進一步抬高風機發(fā)電側(cè)電壓，防雷器持續(xù)動作燒毀導致風機低電壓穿越連續(xù)動作抬升電壓，防雷器燒毀造成消防煙霧報警啟動報警，導致風機事故鏈動作，風機保護停機。故障原因為箱變低壓側(cè)母排存在尖端部位，距離配電柜上下金屬支架安裝距離較近，導致拉弧放電引起此次一系列故障。

6 解決處理措施

根據(jù)現(xiàn)場故障情況，廠家對損壞的防雷器進行更換，并對風機系統(tǒng)進行全面檢查，并出具了分析報告。箱變廠家對出現(xiàn)故障低壓母排及二次線進行更換，對熏黑柜門及器件進行清洗，并出具分析報告。廠家對箱變進行7項試驗均合格（電壓比測量及聯(lián)結(jié)組別標號檢定、繞組直流電阻測量、繞組對地及繞組間絕緣電阻測量、外施耐壓試驗、電纜絕緣測試、斷路器回路電阻、斷路器開關特性試驗），并出具試驗報告后，箱變投運正常，風機正常投運發(fā)電。

7 結(jié)束語

綜上所述，通過故障錄波分析故障，能夠較全面地分析故障發(fā)生的時間和邏輯關系，為風電技術改進提供可靠技術支撐，完善設備的設計與優(yōu)化，為新能源技術發(fā)展奠定基礎，使我國的風力發(fā)電技術逐漸成熟完善。對風力發(fā)電技術的不斷研究和創(chuàng)新，使風力發(fā)電技術得到快速的改進和發(fā)展，我國的風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈將會更加完善，為全球環(huán)境保護做出更大的貢獻。