风电场升压站继电保护死区及电流互感器优化配置研究

风电场升压站继电保护死区及电流互感器优化配置研究

夏正

四川省能投美姑新能源开发有限公司 四川 美姑 616450

摘要：风力发电场升压站继电保护装置的有效保护范围直接受电流互感器配置的影响，如果电流互感器的配置达不到要求，就会出现保护死区的情况。针对这种情况，本文对升压站的保护死区情况进行相应的分析，通过对电流互感器进行优化配置从而达到消除主保护死区的目的。

关键词：风电场升压站；继电保护；死区；电流互感器

0引言

随着我国不断加大在风力发电上的投入，风电场的装机容量越来越大，进而使得接入电网的风电场升压站的数量以及规模也在不断的扩大。因此升压站的安全稳定运行对保障电力系统的正常工作至关重要，而为了确保升压站继电保护装置能够进行有效的保护，就需要对保护死区进行研究，通过对优化配置电流互感器，进而保证电力系统安全稳定的运行。

1升压站继电保护概述

风力发电厂通过升压站将风机所产生的的电能并入到电网中，完成电力的输送。因为单个风电场的装机容量在整个电网中的占比非常小，并且电网是风电场运行的基础，如果并网点出现失电的情况，就会导致整个风电场瘫痪，所以电力部门一般都将风电场当做向电网倒送电的负荷。因此，电力部门通常都会要求风电场尽可能的降低对电网的不利影响，如果升压站出现故障，要立即切除，同时禁止升压站带故障运行，禁止升压站在没有保护的情况的运行。

根据上述所提到的要求，在对升压站的继电保护进行设计时，应当满足以下几点要求：

1. 尽可能的使继电保护简单，在设计时应做到逻辑清晰，层次分明。

2. 当有故障发生时，尽可能的通过升压站内部的继电保护装置将故障切除，避免并网点变电站的继电保护装置频繁动作。

3. 如果某一套保护装置出现停用的情况，不考虑此时的运行状态。

2升压站继电保护死区分析

陆地上的风电场的电压等级通常为110kV或者220kV，主接线的形式通常为单母线或者线路-变压器组接线。而本文将重点对110kV电压等级、单母线接线的升压站的继电保护死区进行分析。

2.1升压站继电保护配置的原则

如图1所示，发电站内两台升压变压器的电压等级都是110/35kV，装机容量为50MVA，其中110kV使用敞开式的配电设备，而35kV的配电设备使用的是铠装式开关柜。

图1升压站优化前继电保护配置图

升压站采用的是全面的继电保护系统，110kV送出线路的主保护采用光纤纵联电流差动保护，备用保护采用的是零序方向电流保护、三段式相间保护以及接地距离保护。主变压器采用纵联差动保护作为主保护，备用保护选择的是复合电压闭锁方向过流保护、零序过电流保护。110kV母线采用完全电流差动保护，而35kV的两段母线都采用的是完全电流差动保护，采用小差的配置方式，即将母线上的全部间隔都接到本段母线的保护装置上，并且两段母线各自的保护装置都是相互独立的。35kV母线分段间隔需要配置充电保护，各个风机的进线间隔则分别配置零序过电流以及三段式过电流保护。

根据相关要求，用作继电保护的电流互感器（TA）应当采取交叉配置的方式，从而保证不会出现保护死区的情况。在进行继电保护配置时，需要对TA二次绕组进行科学的分配。如果对保护动作死区的问题实在不能解决，在确保系统稳定的前提下，可以采用启动失灵或者远方跳闸等备用措施。继电保护装置有效的保护范围由TA的安装位置决定，如果使用的为外附式电流互感器，那么必然会出现主保护死区的情况，因此应当进一步的进行分析。

2.2保护死区分析

根据图1所示内容，升压站110kV配电设备采用的是敞开式，只能够在断路器的一侧安装外附TA。根据相关规定，保护线路的TA5、保护母线的TA3和TA14以及用作变压器差动保护的TA11已经采取交叉重叠的配置原值，但主保护依然存在死区。

当送出线路间隔的断路器和TA间的K1点出现短路的情况时，TA5检测不到线路的差动保护电流，因此K1不在线路差动保护范围内，进而也就不会产生相应的保护动作。而TA3能够检测到母线的差动电流，因此K1在母线保护的范围内，从而将110kV母线上的全部断路器CB1~CB3全部断开完成保护。不过送出线路依然存在故障，因为没有将故障切除，导致线路还是处于带电状态，短路点K1仍然在线路中。升压站在设计过程中没有设计通过母线保护动作启动线路差动保护，因此只能够借助线路对侧的电网变电站的线路备用保护带进行相应的动作，将对侧断路器断开，从而切除K1点。

当电压器高压侧的断路器和TA间的K2点出现短路的情况时，TA11检测不到变压器的差动电流，因此K2不在变压器差动保护范围内，不会产生相应的保护动作。但TA14能够检测到母线的差动电流，因此K2在母线保护的范围内，在进行保护动作时，会将CB1~CB3断开。对于风电场的升压站，如果送出线路断路器CB1出现断开的情况，那么整个发电站都会停电，可以将K2点的故障进行切除。不过只是依靠母线保护动作不能够确定短路点出现的实际位置，在进行故障点的查找时比较麻烦，会浪费较多的时间，导致工作效率较低，还有可能还会出现没有将真正的故障排除就合闸的情况。

3电流互感器的优化配置

根据上述的分析能够知道，导致主保护出现死区的情况主要是因为TA只能安装在断路器的一侧。因此，应该按照有关要求，对电流互感器二次绕组进行合理的分配。如果断路器的两端都能够安装有TA，则整个断路器的回路中主保护就不会有死区情况的出现。

如果配电设备是敞开式的，那么外附式的TA只能够安装在断路器的一侧，假如想要在断路器的两侧都安装TA，那么就需要使用GIS或者HGIS等封闭式配电设备。同敞开式配电设备相比，封闭式配电设备的可靠性更强、占用空间更小、在设计以及维修过程中更加的方便，并且内部的TA应用更加的灵活，能够按照实际的需求对TA的位置以及精度进行设计，从而能够获得最优的配置方案。

根据图2所示的内容，将断路器CB1~CB3外侧的TA1与TA14接到110kV母线保护装置中，将母线附近的TA3与TA11接到送出线路保护与变压器差动保护装置中。

图2升压站优化后继电保护配置图

当K1点出现短路的情况时，母线保护与线路的差动保护都能够动作，可以没有时间限制的断开送出线路两端以及母线上的断路器，进而能够将故障及时切除。此外，按照相关要求，当TA内部出现故障时，应避免故障的影响范围进一步的扩大。为了尽可能的降低电网对变电站的影响，需要将线路保护装置的检测范围缩小，也就是将TA3接到线路保护装置中，当TA4或者TA5内部出现故障时，线路的主保护不会产生动作，使得对侧的电网变电站不会出现立刻跳闸的情况，而是通过升压站内110kV母线保护动作将该故障切除。

当K2点出现短路的情况时，110kV母线保护和变压器差动保护都会进行动作，既可以将故障及时的切除，同时还能够对故障点进行定位，从而使维修人员能够及时的故障进行处理，提高检修效率。此外，因为母线故障属于较为严重的电气故障之一，因此也需要尽可能的降低母线保护装置的检测范围，从而当TA出现内部故障时不会将影响范围进一步的扩大。通过将TA14接到母线保护装置中，当TA15或者TA16出现内部故障时，母线保护就不会动作，而是通过变压器的差动保护将故障切除。

4结语

为了能够将风电场升压站的主保护死区消除，需要在断路器的两端都配置电流互感器，同时将其交叉重叠分配到各个主保护当中，从而扩大主保护的有效范围，同时通过进行优化配置，将电流互感器的故障控制在升压站的内部，避免对整个电网的正常运行带来较大影响。

参考文献

1. [1]王建雄,罗志平,梁运华.220 kV保护死区问题的探讨及改进[J].继电器,2006(07):83-86.

2. 赵佰成, 徐炜彬, 曲绍杰. 220kV典型保护死区问题的探讨[J]. 电力系统保护与控制, 2010(13):130-132.

3. 汤大海, 陈永明, 曹斌,等. 快速切除220 kV变压器死区故障的继电保护方案[J]. 电力系统自动化, 2014, 000(004):115-122.

作者简介：姓名：夏正（1985.12.30--）；性别：男，民族：汉，籍贯：湖北省鄂州市，学历：本科；现有职称：工程师；研究方向：电气工程及其自动化