寇興魁

（甘肅電投鼎新風(fēng)電公司，甘肅酒泉 735000）

2011年2月24日，酒泉風(fēng)電基地某風(fēng)電場(chǎng)因一個(gè)35 kV開關(guān)柜間隔內(nèi)電纜頭發(fā)生絕緣擊穿故障，引起包括該風(fēng)電場(chǎng)在內(nèi)的10座風(fēng)電場(chǎng)共598臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng).4月17日，酒泉某風(fēng)電場(chǎng)一個(gè)箱式變壓器高壓側(cè)電纜頭被擊穿，另一箱式變壓器電纜三相連接處擊穿，引起系列反應(yīng)，造成702臺(tái)風(fēng)電機(jī)組脫網(wǎng).

本文對(duì)幾起大規(guī)模風(fēng)電脫網(wǎng)事故原因進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的對(duì)策和改進(jìn)措施，以保證風(fēng)機(jī)、升壓站和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

1 風(fēng)電脫網(wǎng)事故原因分析

1.1 風(fēng)電場(chǎng)電力電纜終端頭發(fā)生故障

可能發(fā)生電纜頭故障的部位主要有以下3個(gè)：

（1）風(fēng)機(jī)至箱式變壓器低壓側(cè)低壓電纜頭690（620 V），不易發(fā)生絕緣故障;

（2）箱式變壓器高壓側(cè)至架空線路桿箱變高壓側(cè)（35 kV）電纜頭為電纜故障高發(fā)部位，架空線桿側(cè)故障概率相對(duì)較低;

（3）終端桿至35 kV開關(guān)柜母線35 kV開關(guān)柜至母線的電纜頭為電纜頭故障高發(fā)部位.

引起電纜終端頭故障的原因如下.

首先是制作工藝.酒泉風(fēng)電場(chǎng)采用的熱縮及冷縮電纜頭均需要求很高的制作工藝，現(xiàn)場(chǎng)的氣溫、濕度、灰塵、沙粒，尤其是制作人員技術(shù)水平等均會(huì)對(duì)制作效果產(chǎn)生較大影響.某風(fēng)電場(chǎng)在檢查更換電纜終端頭過程中跟蹤發(fā)現(xiàn)，部分質(zhì)量不合格的電纜頭均由同一個(gè)安裝人員所制作.由于安裝人員忽視工藝質(zhì)量，再加上監(jiān)理人員把關(guān)不嚴(yán)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不高，極易埋下事故隱患.

某風(fēng)電場(chǎng)自今年2月份以來，連續(xù)發(fā)生幾起箱變高壓電纜室電纜終端頭B相半導(dǎo)體層斷開處絕緣擊穿事故，幾起故障電纜型號(hào)均為YJV23-35kV-3×50，終端頭均采用冷縮制作.根據(jù)電纜型號(hào)及敷設(shè)方式，電纜運(yùn)行時(shí)沒有超載，且故障發(fā)生前35 kV系統(tǒng)并無接地現(xiàn)象.對(duì)電纜終端頭來說，電場(chǎng)畸變最嚴(yán)重處為金屬屏蔽斷開處，此處電場(chǎng)強(qiáng)度最大時(shí)會(huì)產(chǎn)生電應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)由于變電站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境較差，半導(dǎo)體層與主絕緣表面結(jié)合處不可避免會(huì)侵入灰塵、氣體等雜質(zhì)，從而造成固體絕緣介質(zhì)沿面放電.在電纜制作工藝方面可能導(dǎo)致冷縮電纜終端頭絕緣被擊穿的原因：一是剝切內(nèi)護(hù)套時(shí)，劃傷銅屏蔽層，造成斷口處電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，容易放電;二是剝切銅屏蔽時(shí)，用力不當(dāng)劃傷半導(dǎo)體層，容易存在氣隙;三是剝切電纜半導(dǎo)體層時(shí)，用力不當(dāng)使主絕緣層表面有傷痕，容易存在氣隙;四是銅屏蔽斷開處和半導(dǎo)體層斷開處有尖角毛刺，未處理平整;五是電纜半導(dǎo)體屏蔽層剝切后，沒有清除干凈，其半導(dǎo)體殘留在主絕緣層上，或清擦?xí)r沒有遵循工藝要求，來回擦洗，或主絕緣及銅屏蔽斷口處未用硅脂填充，留下隱患，產(chǎn)生閃絡(luò)放電;六是安裝附件時(shí)應(yīng)力管與絕緣屏蔽搭接少于20 mm，交聯(lián)電纜因內(nèi)應(yīng)力處理不良導(dǎo)致其在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生較大收縮，容易產(chǎn)生氣隙.

其次是安全距離.開關(guān)柜或箱式變壓器空間設(shè)計(jì)（布局）不合理，柜體空間內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度大、溫度高，會(huì)產(chǎn)生放電隱患.

再次是爬電.甘肅河西地區(qū)晝夜溫差大，箱式變壓器露天放置，內(nèi)部容易產(chǎn)生水凝（如電纜頭相間防火板上），電纜頭易通過水珠形成相間爬電，導(dǎo)致短路故障.

最后是諧波.對(duì)幾次事故PMU分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)諧波分量較多，諧波會(huì)引起相關(guān)設(shè)備（如電纜頭、過電壓保護(hù)器等）發(fā)熱.

1.2 風(fēng)機(jī)不具備低電壓穿越能力

低電壓穿越（LVRT），是指在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，風(fēng)機(jī)能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)運(yùn)行，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個(gè)低電壓時(shí)間（區(qū)域）.這是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求.

當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量比例較大時(shí)，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，風(fēng)電場(chǎng)切除會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行.具備低電壓穿越能力的風(fēng)電機(jī)組應(yīng)滿足以下3個(gè)條件［1］：

（1）風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有在電壓跌至20%額定電壓時(shí)能維持并網(wǎng)運(yùn)行625 ms的低電壓穿越能力;

（2）風(fēng)電場(chǎng)電壓跌落至20%額定電壓后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行;

（3）風(fēng)電場(chǎng)升壓變壓器高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行.

酒泉風(fēng)電基地一期風(fēng)電場(chǎng)各種型號(hào)的風(fēng)機(jī)在并網(wǎng)前不具備低電壓穿越能力，因而在電網(wǎng)電壓因某種原因引起波動(dòng)時(shí)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng).

1.3 容易發(fā)生高電壓事故

風(fēng)電場(chǎng)無功負(fù)荷主要包括風(fēng)機(jī)、箱式變壓器及主變壓器，通過近幾次事故分析發(fā)現(xiàn)，風(fēng)電場(chǎng)大負(fù)荷時(shí)段，風(fēng)機(jī)及箱式變壓器吸收無功，導(dǎo)致大負(fù)荷時(shí)段SVC（動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償）感性支路置底（或不投），容性支路投入較多且置頂，補(bǔ)償風(fēng)機(jī)及主變壓器的無功損耗，在低電壓期間，SVC已無力支撐電壓;同時(shí)，風(fēng)機(jī)跳閘后，主變壓器、箱式變壓器及風(fēng)機(jī)消耗的無功減少，導(dǎo)致SVC電容器支路的富余無功涌上電網(wǎng)，引起電網(wǎng)電壓飆升［2］.

2 風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)應(yīng)對(duì)措施

2.1 電纜頭故障引起事故的預(yù)防措施

2.1.1 提高冷縮電纜終端頭的制作質(zhì)量

（1）嚴(yán)格控制電纜剝切尺寸，每剝除一層不可傷及內(nèi)層結(jié)構(gòu);

（2）剝切銅屏蔽層時(shí)，確保斷口處不產(chǎn)生尖角毛刺;

（3）半導(dǎo)體層斷面應(yīng)光滑平整，與絕緣層的過渡應(yīng)光滑;

（4）電纜絕緣層剝切后，應(yīng)用細(xì)砂紙仔細(xì)打磨主絕緣層表面，使其光滑無刀痕，無半導(dǎo)體殘點(diǎn);

（5）必須用清洗溶劑從線芯向半導(dǎo)體層方向清洗絕緣層表面，嚴(yán)禁用接觸過半導(dǎo)體屏蔽層的清洗紙清洗主絕緣層表面;

（6）打磨和清洗主絕緣時(shí)，清洗劑和砂紙不能碰到外半導(dǎo)電層，以免清洗劑溶解半導(dǎo)電層，砂紙打磨遺留的雜質(zhì)若清除不干凈會(huì)導(dǎo)致放電;

（7）用硅脂填充電纜絕緣半導(dǎo)體層斷口處的氣隙以排除氣體;

（8）電纜附件的尺寸與待安裝的電纜尺寸配合要嚴(yán)格符合規(guī)定的要求，保證適當(dāng)?shù)倪^盈量，特別是應(yīng)力管與絕緣屏蔽搭接不少于20 mm，以防收縮時(shí)應(yīng)力管與絕緣屏蔽脫離;

（9）在制作電纜終端頭時(shí)，要特別注意保持清潔，同時(shí)應(yīng)盡量縮短制作時(shí)間，電纜剝切后，在空氣中暴露的時(shí)間越長(zhǎng)，侵入雜質(zhì)、水分、氣體、灰塵等的可能性就越大，從而影響終端頭質(zhì)量.

2.1.2 采用銅排線替代電纜頭

用銅排線或其他金屬硬連接于母線上，預(yù)留足夠的絕緣距離，連接線用絕緣膠帶包裹，避免電纜頭爆炸拉弧導(dǎo)致相間短路.

2.1.3 采用戶外變壓器代替箱式變壓器

箱式變壓器主要用于城市，省地且美觀，戈壁灘不用考慮以上因素，且目前國(guó)產(chǎn)箱式變壓器質(zhì)量差異較大，普遍不是很過關(guān).用戶外變壓器替代空間封閉的箱式變壓器，節(jié)省電纜線路和電纜頭，減少故障點(diǎn)，酒泉風(fēng)電后期規(guī)劃風(fēng)電場(chǎng)時(shí)應(yīng)考慮變壓器換型.

2.1.4 加強(qiáng)饋線保護(hù)核查及管理

從PMU來看，酒泉風(fēng)電“2.24”事故中某330 kV變電站35 kV饋線從單相接地短路發(fā)展到三相短路的過程中（約11 s），存在明顯的相間短路，饋線保護(hù)并未切除此相間故障，而是三相短路時(shí)過流I段動(dòng)作切除故障，因此認(rèn)為事故原因在于饋線的距離保護(hù)沒有投入，沒有在兩相短路時(shí)切除故障［3］.酒泉風(fēng)電“2.24”事故中某330 kV變電站PMU如圖1所示.

圖1 酒泉“2.24”事故某330 kV變電站PMU

2.1.5 采用熔斷器切除故障

三相故障時(shí)，過流保護(hù)無延時(shí)動(dòng)作，開關(guān)跳閘時(shí)間約為50 ms，建議采用熔斷器代替過流保護(hù)，在第一時(shí)間熔斷切除故障，以減小短路及電壓跌落持續(xù)的時(shí)間及幅度，但需要解決兩相短路熔斷器熔斷后的饋線非全相運(yùn)行問題.圖2為酒泉某330 kV變電站故障錄波.

2.1.6 加強(qiáng)諧波治理

在電力系統(tǒng)中對(duì)諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便將諧波電壓控制在限定值內(nèi)，在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生，這是一種比較積極的方法.具體方法為：一是增加整流器的脈動(dòng)數(shù)，需要風(fēng)機(jī)制造商在研發(fā)時(shí)予以考慮，以有效抑制諧波，提高電能質(zhì)量;二是在諧波源處吸收諧波電流，這是對(duì)已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法，也是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法，主要有安裝濾波器、防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大、加裝靜止無功補(bǔ)償裝置等方法.

圖2 酒泉某330 kV變電站故障錄波

2.2 進(jìn)行風(fēng)機(jī)低電壓穿越改造

由近幾次風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故發(fā)現(xiàn)，因電纜頭故障引起風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)全部脫網(wǎng)，相鄰風(fēng)電場(chǎng)及遠(yuǎn)端風(fēng)電場(chǎng)的35 kV母線電壓均低至76%左右，如果改造前的風(fēng)機(jī)能具備75%的低電壓穿越能力，則若再發(fā)生類似故障時(shí)會(huì)降低低電壓脫網(wǎng)率.大連華銳科技集團(tuán)公司現(xiàn)役機(jī)組低電壓保護(hù)可開放至最大額定功率為0.8W和100 ms，新疆金風(fēng)科技有限公司現(xiàn)役機(jī)組低電壓保護(hù)可開放至最大額定功率為0.7W和100 ms來配合觀察驗(yàn)證，以上均不需要進(jìn)行附加改造.由此可見，風(fēng)機(jī)低電壓保護(hù)裕度尚有挖掘潛力，因此需要風(fēng)機(jī)廠家提供低電壓受制的因素及保護(hù)配置的合理性說明，在此基礎(chǔ)上，廠商出具不損害設(shè)備的低電壓保護(hù)定值說明，同時(shí)修改定值.

低電壓穿越改造應(yīng)從增加變槳蓄電池或超級(jí)電容的容量、增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar電路的容量、升級(jí)變流器的主控程序（低電壓穿越策略實(shí)現(xiàn)和保護(hù)定值的屏蔽與開放），以及增加變流器UPS供電電源等方面著手.

2.3 開放風(fēng)機(jī)的無功能力

風(fēng)電場(chǎng)主變壓器及單臺(tái)箱式變壓器短路阻抗之和約為21%，單個(gè)200 MW風(fēng)電場(chǎng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，主變壓器及所有箱式變壓器消耗的無功約為50 MW，新疆金風(fēng)科技有限公司機(jī)組無功調(diào)節(jié)為－0.95～0.95，大連華銳科技集團(tuán)公司機(jī)組無功調(diào)節(jié)為－0.95～0.9，且正常運(yùn)行功率因數(shù)為1，說明風(fēng)電機(jī)組本身能夠向電網(wǎng)發(fā)出無功功率而達(dá)到自身無功平衡.風(fēng)電場(chǎng)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，全場(chǎng)機(jī)組可提供不小于60 MW的無功支撐，完全可以滿足主變壓器及箱式變壓器的無功損耗，使330 kV出線側(cè)功率因數(shù)為1.

合理的運(yùn)行方式可以承擔(dān)風(fēng)機(jī)箱式變壓器及主變壓器的無功消耗.當(dāng)SVC電感支路及電容支路掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，容性支路可視系統(tǒng)電壓補(bǔ)償330 kV送出線路的無功損耗，此時(shí)感性支路裕度充足，在由故障引起低電壓時(shí)，感性容量迅速置底，容性釋放，為電壓跌落提供阻尼;風(fēng)機(jī)低電壓脫網(wǎng)后，系統(tǒng)同時(shí)損失有功與無功出力，減小無功過剩的情況;若故障切除后系統(tǒng)仍出現(xiàn)富裕無功，則迅速釋放感性容量，拉低系統(tǒng)電壓.因此，SVC在穩(wěn)態(tài)調(diào)壓時(shí)要為事故留有可調(diào)的備用容量.按照電網(wǎng)初步計(jì)劃，可以在風(fēng)電場(chǎng)中試行風(fēng)機(jī)無功開放，但若運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)機(jī)功率因數(shù)按1設(shè)置，且SVC電感支路沒有投入，則必須限制其出力.

2.4 SVC自動(dòng)投切電容支路

可利用SVC過壓保護(hù)自動(dòng)切除電容，判斷過壓需要1－2個(gè)周波，開關(guān)動(dòng)作需要50 ms左右，合計(jì)需要100 ms左右的時(shí)間.這種方式的實(shí)現(xiàn)周期較長(zhǎng)，保護(hù)改造較多，且可能在電容器自動(dòng)切除前，風(fēng)機(jī)已經(jīng)因高電壓脫網(wǎng)，因而起不到保護(hù)的作用.可考慮利用晶閘管投切電容器，其響應(yīng)速度快、時(shí)間短，但造價(jià)相對(duì)較高.

2.5 壓縮風(fēng)電場(chǎng)升壓站電壓曲線范圍

目前甘肅省電力調(diào)度中心下達(dá)的330 kV風(fēng)電場(chǎng)升壓站電壓運(yùn)行范圍為350～360 kV，建議縮短運(yùn)行范圍為353～357 kV，這樣在正常運(yùn)行時(shí)，就可為低電壓和高電壓的故障沖擊預(yù)留裕度.

2.6 進(jìn)一步開放風(fēng)機(jī)高壓保護(hù)定值

目前在網(wǎng)機(jī)組高電壓保護(hù)值為1.1倍額定電壓即會(huì)脫網(wǎng)，可以考慮開放風(fēng)機(jī)高電壓保護(hù)定值，在1.1倍額定電壓不變的情況下，延時(shí)2 s.

3 結(jié)語(yǔ)

2011年5月至6月，酒泉風(fēng)電基地各風(fēng)電場(chǎng)集中進(jìn)行了設(shè)備檢查整改，通過對(duì)電纜終端頭隱患的逐一排查和更換，對(duì)風(fēng)電機(jī)組全部進(jìn)行低電壓穿越改造和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置試驗(yàn)調(diào)整后，風(fēng)機(jī)故障率明顯降低，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性得到明顯提高.

［1］國(guó)家電網(wǎng)公司.風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定［S］.［2009－12－22］http：//wenku.com/view/cb9d1e8b6529647d2728529d.html.

［2］平紹勛.電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓保護(hù)及案例分析［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006：144-152.

［3］寧岐.架空線路及設(shè)備典型故障診斷、處理、預(yù)防［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011：212-214.

（編輯胡小萍）