CN103414171A - 集电线路全线速切保护与优化重合闸方法 - Google Patents

Abstract

集电线路全线速切保护与优化重合闸方法，包括以下步骤：步骤一、测量风电场并网变电站被保护集电线路的三相电流和零序电流步骤二、针对相间故障，保护配置I段方向电流速断保护；步骤三、测量风电场并网变电站母线相电压

Description

集电线路全线速切保护与优化重合闸方法

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，特别涉及一种兼容风机运行特性的集电线路全线速切保护与优化重合闸方法

背景技术

采用变频器并网的双馈、永磁等主流风电机组对系统电压跌落非常敏感，容易引发大面积风电连锁脱网，对并网电力系统的安全稳定运行带来了严重威胁。这一问题被称为风电机组的低电压穿越问题。

实际上真正考验风电机组低电压穿越能力的严重电压跌落，基本上都是由系统故障引起的；受风电场无功不平衡或系统扰动等因素引起的10-15%左右的电压畸变，现有风电机组逆变器自身的过载容量就完全可以满足。

风电出口电压经塔筒底部的箱变升压为35kV后经电缆接入集电架空线路，然后在风电场变电站升压至220kV以上的电压等级并入电力系统主网。因此，故障电压跌落影响风电机组，分为直接影响和传播影响两类：220kV以上的输电线路电压跌落影响风电机组需要经过电压跌落的传播过程，属于传播影响；一条35kV集电线路的相间短路或接地故障将直接影响同一电压等级的所有线路的风电机组，属于直接影响。

鉴于220kV以上输电线路的重要性，根据中华人民共和国电力行业标准DL/T559—94号《220～500kV电网继电保护装置运行整定规程》的规定，必须配备两套完全独立的全线速动保护，比如光纤差动、纵联方向等。继电保护的可靠性非常高，继电器一般在故障后20-30ms动作出口，电压跌落的持续时间主要受断路器的动作时间影响，整个故障的切除时间在100ms左右。而调研国内外主流风电机组，在不做任何改造的情况下，均具备100ms的短时故障承受能力，因此实际运行中考验风电机组低电压穿越能力的电压跌落并不是高压输电系统故障引起的。

主要的威胁来自35kV集电线路故障的直接影响，特别是受风电场自然环境较为恶劣，集电线路距离较长，线路出线及分支线较多等因素的影响，故障概率比较大。而且，目前的35kV集电线路继电保护配置并没有考虑风电机组并网的特殊需求，而是采用与传统民用配电网类似的配置模式，针对相间短路，只配置有三段式定时限电流保护，而且考虑到III段过电流保护难以整定配合，因此，实际投运的仅有I段无时限电流速断保护和II段延时电流速断保护，其中II段电流保护一般采用大于最大负荷电流的整定模式；目前的风电场一般均改造成了中性点经小电阻接地系统，因此针对接地故障，配置有两段式或三段式零序电流保护。

采用这种保护配置存在如下问题：

1、I段无时限电流速断、I段零序电流速断保护的保护范围太小，特别是受风电场出力间歇性的影响，35kV背侧的系统阻抗波动较大，I段电流保护的实际保护范围大幅度减少；因此，大部分故障需要由II段保护动作切除；

2、II段延时电流速断保护动作延时较长，故障电压跌落长时间存在，要求风电机组必须具备较强的低电压穿越能力，否者将会导致风机大量脱网；

3、现有风电场集电线路保护不配置故障后重合闸，主要是由于故障后，集电线路连接的风电机组运行状态不明，无法确定故障点电弧熄灭的固定时间；使得集电线路上发生概率占80-90%的单相瞬时性接地故障，无法实现自愈，延长了风电机组重新并网发电的时间。

以上问题导致了风电并网系统中任何的故障扰动发生，都会导致大面积的风电机组连锁脱网。因此，国家电网公司《风电场接入电网技术规定(修订版)》强制要求风电机组并网必须通过低电压穿越功能；使得现在运行的风电机组不得不增加变频器容量，改进电压下降时的风机控制策略，但这是一种面向风机个体的技术改造方法，总体成本非常高，风电运营商、风机制造商缺乏主动性。

实际上，只要能够改进现有风电场35kV继电保护的动作特性，实现全线故障速切，将有效地降低健全线路上风电机组感受到的电压跌落持续时间，从而降低对风电场低电压穿越能力的要求；同时，考虑到35kV瞬时性故障占故障总数的大部分，如果能有效地实现故障后的可靠重合闸，将会为故障集电线路风电机组的快速并网提供基础；以上两种措施将大幅度提高风电场的整体平稳运行能力；而且这种方案是一种系统侧改造方案，不需要增加任何成本和投资。

发明内容

为了解决以上现有技术的问题，本发明的目的在于提出了一种兼容风机运行特性的集电线路全线速切保护与优化重合闸方法，能够实现风电场35kV集电线路上故障在100ms内快速切除，不需要现有风电机组增加低电压穿越容量；同时在充分考虑风电机组脱网时间特性的基础上，提出了集电线路优化重合闸控制方法，实现了对瞬时性故障线路的快速重合；本发明在大幅度降低对风电机组低电压穿越容量要求的基础上，实现了故障的快速隔离和重合闸，能够实现瞬时故障后风机的快速主动并网，实现简单、成本低。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

集电线路全线速切保护与优化重合闸方法，包括以下步骤：

步骤一、测量风电场并网变电站被保护集电线路的三相电流

和零序电流下标Φ表示A、B、C相任一相；

步骤二、针对相间故障，保护配置I段方向电流速断保护，具体为：I段方向电流速断保护动作定值I_set1.I按照被保护线路最远端发生最轻微故障具有足够的灵敏度来整定，保证本线路内故障可以全线速切，具体整定公式如下：

I_set1.I=K_rel.1I_min.ll

其中：K_rel.1为可靠系数，取值范围0.8-0.9；I_min.ll为系统最小运行方式下，被保护线路最远端发生两相短路时的故障电流幅值，I段方向电流速断保护时间定值t_set1.I为零；

步骤三、测量风电场并网变电站母线相电压用于故障方向判断，正向故障判断公式如下：

其中：I_φ.fault为故障相电流

的幅值，比如发生BC两相短路故障，则I_φ.fault表示B相或者C相电流；U_φφ.fault为包含非故障相的相间电压

的幅值，比如发生BC两相短路故障，U_φφ.fault表示AB相间电压或者AC相间电压；

为

领先

的相角值，β为被保护线路的阻抗角度；

步骤四、针对接地故障，保护配置I段零序电流速断保护，具体为：I段零序电流速断保护动作定值I_set0.I按照被保护线路末端故障发生两相短路时所出现的最大不平衡电流I_unb.max来整定，具体整定公式如下：

I_set0.I=K_rel.0I_unb.max

其中K_rel.0为可靠系数，取值范围为1.1-1.2，I段零序电流速断保护时间定值t_set0.I为零；

步骤五、线路配置自动三相一次重合闸，对于不具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，在故障后0.5秒重合闸一次；对于已经具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，在故障后延时t重合闸一次，t由下式决定：

(V²+1707)·(t-0.5)=5081，1.1≤t≤4.5

其中：

U_φ.fault为故障相母线电压值；U_N为母线额定电压值。

本发明特点是：提出了风电场集电线路的全线速切保护整定方法，是一种从系统侧来解决风电场低电压穿越容量需求的问题，能够实现发生瞬时性故障的线路快速供电恢复，为风电机组的快速、主动并网奠定了基础，提高了并网电力系统的安全稳定性。

附图说明

图1为应用本发明方法的并网风电场示意图。

图2为本发明方法中具备低电压穿越能力风电机组并网集电线路的重合闸延时曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

集电线路全线速切保护与优化重合闸方法，包括以下步骤：

步骤一、测量风电场并网变电站被保护集电线路的三相电流

和零序电流

，下标Φ表示A、B、C相任一相；

步骤二、针对相间故障，保护配置I段方向电流速断保护，具体为：I段

方向电流速断保护动作定值I_set1.I按照被保护线路最远端发生最轻微故障具有足够的灵敏度来整定，保证本线路内故障可以全线速切，具体整定公式如下：

I_set1.I=K_rel.1I_min.ll

其中：K_rel.1为可靠系数，取值范围0.8-0.9；I_min.ll为系统最小运行方式下，被保护线路最远端发生两相短路时的故障电流幅值，I段方向电流速断保护时间定值t_set1.I为零；

步骤三、测量风电场并网变电站母线相电压

用于故障方向判断，正

向故障判断公式如下：

其中：I_φ.fault为故障相电流

的幅值，比如发生BC两相短路故障，则I_φ.fault表示B相或者C相电流；U_φφ.fault为包含非故障相的相间电压

的幅值，比如发生BC两相短路故障，U_φφ.fault表示AB相间电压或者AC相间电压；

为

领先的相角值，β为被保护线路的阻抗角度；

步骤四、针对接地故障，保护配置I段零序电流速断保护，具体为：I段零序电流速断保护动作定值I_set0.I按照被保护线路末端故障发生两相短路时所出现的最大不平衡电流I_unb.max来整定，具体整定公式如下：

I_set0.I=K_rel.0I_unb.max

其中K_rel.0为可靠系数，取值范围为1.1-1.2，I段零序电流速断保护时间定值t_set0.I为零；

步骤五、线路配置自动三相一次重合闸，对于不具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，在故障后0.5秒重合闸一次；对于已经具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，在故障后延时t重合闸一次，t由下式决定：

(V²+1707)·(t-0.5)=5081，1.1≤t≤4.5

其中：

U_φ.fault为故障相母线电压值；U_N为母线额定电压值。

参照附图1所示并网风电场，详细说明如下：

风电场风电机组1-1、风电机组1-2、风电机组1-3、风电机组1-4、风电机组1-5经集电线路1连接至风电场并网变电站的35kV母线，集电线路1接入的所有风电机组均具备低电压穿越能力；风电场风电机组2-1、风电机组2-2、风电机组2-3、风电机组2-4经集电线路2连接至风电场并网变电站的35kV母线，集电线路2接入的所有风电机组均不具备低电压穿越能力。风电场并网变电站经35kV/110kV变电站升压接入电力系统主网。

集电线路单位长度正序电阻0.132欧姆/公里、正序电抗0.357欧姆/公里；集电线路1最远端位于风电机组1-3入口处，长度为16公里；集电线路2最远端位于风电机组2-2入口处，长度为12公里；最大系统阻抗为8欧姆，最小系统阻抗为4欧姆，系统阻抗角等于线路阻抗角。以下以集电线路1发生A相接地故障为例：

1）测量集电线路1的三相电流

零序电流

和母线三相电压作为继电器的输入，继电器配置有I段方向电流速断保护、I段零序电流速断保护和重合闸功能。

2）计算在最大系统阻抗8欧姆下（最小运行方式下），集电线路1最远端16公里处发生两相短路时的故障电流幅值I_min.ll，得到I_min.ll；

取可靠系数K_rel.1=0.9，则计算得到I段方向电流速断保护动作定值I_set1.I=0.9·I_min.ll；

I段方向电流速断保护时间定值t_set1.I=0。

3）计算在最小系统阻抗4欧姆下（最大运行方式下），集电线路1最远端16公里处发生两相短路时所出现的最大不平衡电流I_unb.max；

取可靠系数K_rel.0=1.1，则计算得到I段零序电流速断保护动作定值I_set0.I=1.1·I_unb.max；

I段零序电流速断保护时间定值t_set0.I=0。

4）由于集电线路1所接入的风电机组均具备低电压穿越能力，因此采用自动调整重合闸时间的三相自动一次重合闸，重合闸时间根据测量得到的故障后母线处的相电压值U_A计算得出；

首先计算得出：其中一次侧相电压额定值

U_N=20.2kV；

将得到的V值带入(V²+1707)·(t-0.5)=5081，计算得到重合闸的延时t值。参照图2，为具备低电压穿越能力风电机组并网集电线路的重合闸延时曲线。

5）故障发生后，继电器将测量输入的零序电流值；如果大于整定值I_set0.I，则快速出口跳闸，并在延时t后三相重合闸一次，重合后继电器重新检测相电流和零序电流，此时如果不超过保护定值，则重合成功，否则跳闸集电线路1并闭锁重合闸。

6）故障发生后，继电器将测量输入的相电流值；如果A相电流值大于整定值I_set1.I，并根据判断故障方向，其中U_BC为故障后BC相间电压，I_A为故障后A相电流，为领先

的相角值；如果是正向故障，则快速出口跳闸，并在延时t后三相重合闸一次，重合后继电器重新检测相电流和零序电流，此时如果不超过保护定值，则重合成功，否则跳闸集电线路1并闭锁重合闸。

综上所述，本发明包括I段方向电流速断保护元件、I段零序电流速断保护元件和重合闸元件三部分：I段方向电流速断保护元件主要负责保护相间故障，按照被保护线路最远端发生最轻微故障具有足够的灵敏度来整定动作值，延时为零，保证本线路内故障可以全线速切；方向元件采用90°接线的功率方向元件，只有在同时满足故障正方向，且故障电流值大于I段电流速断保护定值时，保护才出口跳闸；I段零序电流速断保护元件主要负责保护接地故障，按照被保护线路末端故障发生两相短路时所出现的最大不平衡电流来整定动作值，延时为零；配置自动三相一次重合闸，对于不具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，故障后0.5秒重合闸一次；对于已具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，故障后延时t重合闸一次。

Claims (1)

1.集电线路全线速切保护与优化重合闸方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、测量风电场并网变电站被保护集电线路的三相电流

和零序电流

下标Φ表示A、B、C相任一相；

步骤二、针对相间故障，保护配置I段方向电流速断保护，具体为：I段方向电流速断保护动作定值I_set1.I按照被保护线路最远端发生最轻微故障具有足够的灵敏度来整定，保证本线路内故障可以全线速切，具体整定公式如下：

I_set1.I=K_rel.1I_min.ll

其中：K_rel.1为可靠系数，取值范围0.8-0.9；I_min.ll为系统最小运行方式下，被保护线路最远端发生两相短路时的故障电流幅值，I段方向电流速断保护时间定值t_set1.I为零；

步骤三、测量风电场并网变电站母线相电压

用于故障方向判断，正向故障判断公式如下：

其中：I_φ.fault为故障相电流

的幅值，比如发生BC两相短路故障，则I_φ.fault表示B相或者C相电流；U_φφ.fault为包含非故障相的相间电压

的幅值，比如发生BC两相短路故障，U_φφ.fault表示AB相间电压或者AC相间电压；

为

领先的相角值,β为被保护线路的阻抗角度；

步骤四、针对接地故障，保护配置I段零序电流速断保护，具体为：I段零序电流速断保护动作定值I_set0.I按照被保护线路末端故障发生两相短路时所出现的最大不平衡电流I_unb.max来整定，具体整定公式如下：

I_set0.I=K_rel.0I_unb.max

其中K_rel.0为可靠系数，取值范围为1.1-1.2，I段零序电流速断保护时间定值t_set0.I为零；

步骤五、线路配置自动三相一次重合闸，对于不具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，在故障后0.5秒重合闸一次；对于已经具备低电压穿越能力的风电机组并网集电线路，在故障后延时t重合闸一次，t由下式决定：

(V²+1707)·(t-0.5)=5081，1.1≤t≤4.5

其中：U_φ.fault为故障相母线电压值；U_N为母线额定电压值。

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