顧星星

摘 要：以某海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的一起220 kV海纜線路單相接地故障為例，分析了故障發(fā)生時(shí)該海上風(fēng)電場(chǎng)陸上集控中心端及海上升壓站端的故障電壓、故障電流波形及特性。分析結(jié)果表明：相較于陸上集控中心端，海上升壓站端為弱饋電源端；由于海上升壓站端的正序等值阻抗、負(fù)序等值阻抗遠(yuǎn)大于零序等值阻抗，當(dāng)海纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，海上升壓站端流過的故障電流主要為零序分量，使故障電流的三相電流幅值、相位近似一致，與傳統(tǒng)接地故障象征有明顯差別。研究結(jié)果可為海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，以及海纜線路繼電保護(hù)正確選相及可靠動(dòng)作提供有益指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng)；海纜線路；單相接地故障；故障錄波

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

110 kV及以上電壓等級(jí)的陸上風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)，風(fēng)電場(chǎng)端具有弱饋電源特性，當(dāng)并網(wǎng)線路發(fā)生接地故障時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)端流過的故障電流主要為零序分量，使故障電流的三相電流幅值、相位近似一致，這與傳統(tǒng)接地故障象征有明顯差別[1]。海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路保護(hù)與陸上風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)線路保護(hù)配置基本一致，研究海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路單相接地故障時(shí)的故障電壓、故障電流特性，對(duì)保證海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行及繼電保護(hù)可靠動(dòng)作可起到有益的指導(dǎo)作用。本文以某海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的一起220 kV海纜線路單相接地故障為例，對(duì)故障發(fā)生時(shí)海上風(fēng)電場(chǎng)陸上集控中心端及海上升壓站端的故障電壓、故障電流波形及特性進(jìn)行分析。

1? 海上風(fēng)電場(chǎng)概況

某海上風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量為300 MW，安裝了75臺(tái)單機(jī)容量為4 MW的風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)為鼠籠異步型。該海上風(fēng)電場(chǎng)配套建有1座220 kV陸上集控中心和1座220 kV海上升壓站。風(fēng)電機(jī)組通過12回35 kV海纜接入220 kV海上升壓站，經(jīng)海上升壓站升壓后，以2回220 kV海纜在登陸點(diǎn)登陸，并轉(zhuǎn)陸纜接至220 kV陸上集控中心，再經(jīng)1回220 kV線路接至220 kV蓬樹開關(guān)站（電網(wǎng)接入點(diǎn)）。220 kV陸上集控中心采用單母線接線方式，220 kV海上升壓站采用線變組接線方式，風(fēng)電場(chǎng)的3臺(tái)主變壓器220 kV側(cè)中性點(diǎn)均直接接地運(yùn)行。

該海上風(fēng)電場(chǎng)的220 kV陸上集控中心的一次系統(tǒng)圖如圖1所示，220 kV海上升壓站的一次系統(tǒng)圖如圖2所示。圖中數(shù)值均為設(shè)備編號(hào)。

2? 事故前的工況及事故經(jīng)過

2.1? 事故發(fā)生前的工況

事故發(fā)生前，該海上風(fēng)電場(chǎng)的全場(chǎng)平均風(fēng)速為8.68 m/s，總有功功率為180.25 MW；220 kV交蓬26L0線路、220 kV海交26S1線路、220 kV海交26S2線路均正常運(yùn)行；其余主設(shè)備也均正常運(yùn)行。

2.2? 事故經(jīng)過

2021年12月12日06：00：31，該海上風(fēng)電場(chǎng)陸上集控中心端220 kV海交26S1開關(guān)、海上升壓站端220 kV海交26S1開關(guān)跳閘。海上升壓站場(chǎng)用電系統(tǒng)的備用電源自動(dòng)投入裝置（下文簡稱為“備自投裝置”）動(dòng)作正常，400 V I段母線切換至2#場(chǎng)用變壓器（下文簡稱為“場(chǎng)用變”）供電。

現(xiàn)場(chǎng)檢查220 kV海交26S1線路的保護(hù)動(dòng)作情況，發(fā)現(xiàn)陸上集控中心端的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、接地距離保護(hù)I段動(dòng)作，故障測(cè)距為26.736 km，故障電流為22.626 A，零序電流為21.248 A，故障回路電壓為27.752 V，最大差動(dòng)電流為25.017 A，故障相別為C相；發(fā)現(xiàn)海上升壓站端的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作、接地距離保護(hù)I段動(dòng)作，故障測(cè)距為57.661 km，故障電流為1.330 A，零序電流為3.169 A，故障回路電壓為5.302 V，最大差動(dòng)電流為25.124 A，故障相別為C相。

現(xiàn)場(chǎng)查看故障錄波情況，故障時(shí)刻陸上集控中心端的220 kV正母線電壓、220 kV海交26S1線路電流的錄波圖如圖3所示，故障時(shí)刻海上升壓站端220 kV海交26S1線路電壓、電流的錄波圖如圖4所示。

根據(jù)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作情況和圖3、圖4的實(shí)際故障錄波圖進(jìn)行分析，判斷此次故障為220 kV海交26S1線路C相單相接地故障。

進(jìn)一步對(duì)圖3、圖4的實(shí)際故障錄波圖進(jìn)行分析可知：當(dāng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，陸上集控中心端220 kV海交26S1線路的C相電壓降低，非故障相電壓基本不變，C相電流瞬時(shí)增大。而海上升壓站端220 kV海交26S1線路的C相電壓大幅降低，非故障電壓基本不變；而故障電流的A、B、C三相電流幅值、相位基本相同。

由此可知，當(dāng)海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，陸上集控中心端的故障電壓、故障電流的特性與傳統(tǒng)大電流接地系統(tǒng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)的故障象征相同，而海上升壓站端的故障電壓、故障電流的特性與傳統(tǒng)大電流接地系統(tǒng)線路單相接地故障象征有較大差別。

3? 海上風(fēng)電場(chǎng)的弱饋特性及其海纜線路單相接地故障特性的分析

3.1? 海上風(fēng)電場(chǎng)的弱饋特性

在兩端供電系統(tǒng)中，通常把電源容量較小的一側(cè)電源稱為弱饋電源[2]。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)而言，其所發(fā)電量通常經(jīng)海上升壓站的主變壓器、海纜線路送至陸上集控中心，再經(jīng)送出線路并入電網(wǎng)，因此，陸上集控中心端是強(qiáng)電源，海上升壓站端是弱饋電源。

當(dāng)海纜線路內(nèi)部發(fā)生故障時(shí)，由于海上升壓站端（即弱饋電源端）的系統(tǒng)阻抗很大，因此其故障電流很小，且比陸上集控中心端的故障電流小。由于海上升壓站的主變壓器為中性點(diǎn)直接接地，當(dāng)海纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，在零序等效電路中，海上升壓站端的等值阻抗比正序等值阻抗、負(fù)序等值阻抗相對(duì)小很多，因此在海上升壓站端的故障電流中，幾乎全是零序電流，正序、負(fù)序電流所占比重很小[3]。

3.2? 海纜線路單相接地故障特性的分析

利用對(duì)稱分量法對(duì)該海上風(fēng)電場(chǎng)海纜線路單相接地故障特性進(jìn)行分析。當(dāng)該海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，其正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)如圖5所示。圖中：XFG1、XXB1、XJD1、XT1、XLG1、XLS1、XS1分別為風(fēng)電機(jī)組的正序等值阻抗、風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器的正序等值阻抗、風(fēng)電機(jī)組進(jìn)線的正序等值阻抗、海上升壓站主變壓器的正序等值阻抗、故障點(diǎn)到海上升壓站端線路的正序等值阻抗、故障點(diǎn)到陸上集控中心端線路的正序等值阻抗、歸算到陸上集控中心220 kV正母線處的系統(tǒng)正序等值阻抗；fG1為流過海上升壓站端的正序等效電流；fS1為流過陸上集控中心端的正序等效電流；f1為故障點(diǎn)電流的正序分量，其值為流過海上升壓站端和陸上集控中心端的正序等效電流之和；f1為故障點(diǎn)電壓的正序分量；G1為風(fēng)電機(jī)組的等效電動(dòng)勢(shì)；S1為系統(tǒng)的等效電動(dòng)勢(shì)；XFG2、XXB2、XJD2、XT2、XLG2、XLS2、XS2別為風(fēng)電機(jī)組的負(fù)序等值阻抗、風(fēng)電機(jī)組箱式變壓器的負(fù)序等值阻抗、風(fēng)電機(jī)組進(jìn)線的負(fù)序等值阻抗、海上升壓站主變壓器的負(fù)序等值阻抗、故障點(diǎn)到海上升壓站端線路的負(fù)序等值阻抗、故障點(diǎn)到陸上集控中心端線路的負(fù)序等值阻抗、歸算到陸上集控中心220 kV正母線處的系統(tǒng)負(fù)序等值阻抗；fG2為流過海上升壓站端的負(fù)序等效電流；fS2為流過陸上集控中心端的負(fù)序等效電流；f2為故障點(diǎn)電流的負(fù)序分量，其值為流過海上升壓站端和陸上集控中心端的負(fù)序等效電流之和；f2為故障點(diǎn)電壓的負(fù)序分量；XT0、XLG0、XLS0、XS0分別為海上升壓站主變壓器的零序等值阻抗、故障點(diǎn)到海上升壓站端線路的零序等值阻抗、故障點(diǎn)到陸上集控中心端線路的零序等值阻抗、歸算到陸上集控中心220 kV正母線處的系統(tǒng)零序等值阻抗；fG0為流過海上升壓站端的零序等效電流；fS0為流過陸上集控中心端的零序等效電流；f0為故障點(diǎn)電流的零序分量，其值為流過海上升壓站端和陸上集控中心端的零序等效電流之和；f0為故障點(diǎn)電壓的零序分量。

該海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)的邊界條件為：

（1）

式中：為單相接地故障時(shí)故障相C相的電壓；為單相接地故障時(shí)非故障相A相的電流；為單相接地故障時(shí)非故障相B相的電流。

特殊相為C相，利用對(duì)稱分量法將邊界條件用特殊相序分量表示為：

（2）

（3）

式中：、、分別為單相接地故障時(shí)故障相C相的正序電流分量、負(fù)序電流分量、零序電流分量；為單相接地故障時(shí)故障相C相的故障電流；、、分別為單相接地故障時(shí)故障相C相的正序電壓分量、負(fù)序電壓分量、零序電壓分量。

因此，當(dāng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，復(fù)合序網(wǎng)絡(luò)為正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，即圖5中f1=f2=f0。

海上升壓站端的正序等值阻抗X∑G1、負(fù)序等值阻抗X∑G2、零序等值阻抗X∑G0可分別表示為：

X∑G1=XFG1+XXB1+XJD1+XT1+XLG1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

X∑G2=XFG2+XXB2+XJD2+XT2+XLG2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

X∑G0=XT0+XLG0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

陸上集控中心端的正序等值阻抗X∑S1、負(fù)序等值阻抗X∑S2、零序等值阻抗X∑S0可分別表示為：

X∑S1=XLS1+XS1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

X∑S2=XLS2+XS2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

X∑S0=XLS0+XS0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

根據(jù)江蘇省省級(jí)調(diào)度中心下發(fā)的系統(tǒng)等值阻抗，等效到該海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV正母線最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的系統(tǒng)等值阻抗分別為0.0150、0.0311，據(jù)此可計(jì)算出該海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV正母線最大運(yùn)行方式和最小運(yùn)行方式下的短路容量分別為6666.66、3215.43 MVA。該海上風(fēng)電場(chǎng)的總裝機(jī)容量為300 MW，其中通過220 kV海交26S1線路接入陸上集控中心220 kV正母線的容量為152 MVA，僅為其接入點(diǎn)陸上集控中心端220 kV正母線短路容量的2.28%～4.73%，可認(rèn)為海上升壓站端的正序等值阻抗和負(fù)序等值阻抗遠(yuǎn)大于陸上集控中心端的正序等值阻抗和負(fù)序等值阻抗，即X∑G1?X∑S1、X∑G2?X∑S2。對(duì)于零序網(wǎng)絡(luò)，由于海上升壓站的主變壓器220 kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地，因此當(dāng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，海上升壓站端的零序等值阻抗僅包含故障點(diǎn)到海上升壓站端線路的零序等值阻抗和海上升壓站主變壓器的零序等值阻抗，與陸上集控中心端的零序等值阻抗相差不大，即X∑G0與X∑S0相差不大。

當(dāng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，f1=f2=f0。根據(jù)正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)各自的分流效應(yīng)，流過海上升壓站端的正序等效電流、負(fù)序等效電流、零序等效電流和流過陸上集控中心端的正序等效電流、負(fù)序等效電流、零序等效電流可分別表示為：

（10）

（11）

（12）

（13）

（14）

（15）

在不考慮負(fù)荷電流的情況下，海上升壓站端的A、B、C三相電流fAH、fBH、fCH可分別表示為：

（16）

（17）

（18）

由于海上升壓站端相較于陸上集控中心端為弱饋電源端，其正序等值阻抗、負(fù)序等值阻抗遠(yuǎn)大于陸上集控中心端的正序等值阻抗、負(fù)序等值阻抗，而海上升壓站端的零序等值阻抗與陸上集控中心端的零序等值阻抗相差不大，因此可以得出、，即海上升壓站端流過的故障電流中的正序分量、負(fù)序分量遠(yuǎn)小于零序分量，從而出現(xiàn)海上升壓站故障電流的三相電流幅值、相位均近乎相同的情況，與圖4實(shí)際故障錄波圖的顯示一致。

在不考慮負(fù)荷電流的情況下，陸上集控中心端的A、B、C三相電流、、可分別表示為：

（19）

（20）

（21）

由于陸上集控中心端相較于海上升壓站端為強(qiáng)電源側(cè)，當(dāng)220 kV海交26S1線路C相發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障相流過的故障電流的正序、負(fù)序、零序分量大小相等、方向相同，且故障相電流為其正序、負(fù)序、零序分量的疊加，而非故障相電流為零，與圖3實(shí)際故障錄波圖的顯示一致。

4? 結(jié)論

本文以某海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的一起220 kV海纜線路單相接地故障為例，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)陸上集控中心端及海上升壓站端的故障電壓、故障電流波形及特性進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示：該海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，相較于陸上集控中心端，海上升壓站端為弱饋電源端；海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，海上升壓站端流過的故障電流主要為零序分量，使故障電流的三相電流幅值、相位近似一致，與傳統(tǒng)接地故障象征有明顯差別。該研究結(jié)果可對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)220 kV海纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行，以及繼電保護(hù)正確選相及可靠動(dòng)作起到有益地指導(dǎo)作用。

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ANALYSIS OF SINGLE-PHASE GROUNDING FAULT OF 220 kV SUBMARINE CABLE LINE IN A CERTAIN OFFSHORE WIND FARM

Gu Xingxing

（Jiangsu Communications Rudong Offshore Wind Power Co.，Ltd，Nantong 226400，China）

Abstract：This paper takes an actual single-phase grounding fault of a 220 kV submarine cable line in a certain offshore wind farm as an example to analyze the waveform and characteristics of the fault voltage，fault current of the onshore centralized control center end and offshore booster station end of the offshore wind farm when the fault occurred. The analysis results show that compared to the onshore centralized control center end，the offshore booster station end is a weak feed power source end；Due to the fact that the positive sequence equivalent impedance and negative sequence equivalent impedance at the offshore booster station end are much greater than the zero sequence equivalent impedance，when a single-phase grounding fault occurs on the submarine cable line，the fault current flowing through the offshore booster station end mainly consists of the zero sequence component，making the amplitude and phase of the three-phase current of the fault current approximately consistent，which is significantly different from the traditional grounding fault symbol. The research results can provide useful guidance for the safe and stable operation of 220 kV submarine cable lines in offshore wind farms，as well as the correct phase selection and reliable operation of relay protection for submarine cable lines.

Keywords：offshore wind farm；submarine cable line；single-phase grounding fault；fault recording