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我国近海区域(水深5～30 m、海平面以上50 m)风电可装机容量约20 GW，广东省近海海上风电可装机容量10.710 GW。目前国内试点开发的海上风力发电场总装机容量达200 MW～300 MW，由多台单机容量3 MW～6 MW的风力发电机组，分别经电力电子电源设备变换及箱式干变升压至35 kV侧，再经35 kV集电海缆汇集至海上升压站(或陆地、岛上升压站)电力变压器升压，最终接入110 kV或220 kV大陆电网[1,2]。
海上升压站空间有限，海上风电场投资成本高。研究海上风电场内继电保护合理分区，分析各区域继电保护合理配置及动作时限配合，提出适当优化设想，对提升海上风电场规模建设利用效能和节省海上升压站空间很有必要。
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某海上风电场采用两台220/35 kV主变，在海上升压站集合60台5 MW风电机组(共计300 MW)，经一回220 kV电缆送电至陆上集控中心站，陆上建设一座陆上集控中心，通过1回架空线路送至系统电网变电站。如图1所示，海上风电场电气主设备包括60台单机容量5 MW的海上风电机组，35 kV汇集海缆，海上升压站主变及35 kV和220 kV开关设备，220 kV海缆等。
Figure 1. A typical electric main wiring of an offshore wind farm
一般海上风电场与电网公司建设分界为陆上集控中心站围墙外1 m架空线，220 kV架空线由电网公司配套建设，其他由风电投资商建设。
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为了节省海上升压站的空间，探讨取消海上升压站出线侧220 kV断路器的可行性。
由于220 kV海缆与主变连接点T接母线规模小，海缆短线保护范围可延伸至海缆两侧连接点，并与主变保护交叉。因此，可取消海上升压站出线侧220 kV断路器。同时，将接地变和站用变合并成接地变兼站用变，接地变兼站用变通过断路器连接至母线，提供站用电源。
如图2所示，可节省1台海上升压站的220 kV断路器及其相应的保护屏柜，同时，可节省2台接地变和相应的保护屏柜，有效减少了寸土寸金的海上升压站空间。
Figure 2. A typical electric main wiring of an offshore wind farm
1.1 海上风电场典型电气主接线
1.2 海上风电场非典型电气主接线
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220 kV架空线路保护原则由电网配套建设对侧变电站确定，按电源送出线路配置双重化纵向光纤差动保护及距离、零序等完善的后备保护。
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220 kV海缆两侧连接点分别设双重化母差保护，并将保护范围与海缆及架空线光纤差动保护交叉。
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主变与常规变电站主变运行工况差异不大，可按《继电保护和安全自动装置技术规程》配置双重化差动主保护及过流、零序等后备保护，以及非电量保护等。
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35 kV集电拓扑的连接方式通常有以下3种基本形式：链形、环形、星形。其中链形是已建风电场中较常用的一种内部连接方式。若干台风力发电机连接在同一条海底电缆上，整个风电场电能通过若干条35 kV集电海缆输送至海上升压站的汇流母线。其优点是投资成本较低、操作简单。
考虑现有35 kV集电海缆最大截面3×400 mm2的载流量为500～600 A，以及海上风电机组的功率为3 MW～6 MW的实际情况。一般情况下，4～7台风电机组(含风机、干式变)通过链形组成一条回路接入35 kV配电装置，这些35 kV集电海缆及35 kV母线构成35 kV集电区。汇集线中的母线设置母线保护，每路35 kV风电机组汇集在馈线柜分别装设综保装置，具有过电流保护、过电压保护、零序电流保护等功能。
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每台海上风电机组配置过流及异常运行保护等功能。同时，箱变高压侧配置熔断器保护、避雷器保护和负荷开关。
2.1 220 kV架空线
2.2 220 kV海缆
2.3 主变
2.4 35 kV集电区
2.5 海上风电机组
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海上风电场风电机组及海上升压站多为无人值班，一旦出事运维人员赶往现场处理需要一定时间。因此，电气设备选型首先应高效可靠，力争尽量少出故障，如果出现故障，继电保护应迅速准确动作切除故障，防止故障范围扩大。按海上风电继电保护分区，根据现行国家标准《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB 14285)的规定[3]，常规的风电场继电保护配置及选型方案如下：
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海上风电场在陆上集控中心站设置与对侧的双重化线路保护配置保持一致，后备保护范围应延伸至220 kV海缆以及主变内部，保护动作对象为两侧总断路器，保护动作定值由省中调确定下达。
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220 kV海缆两侧断路器范围内设置双重化海缆光纤差动主保护及零序过流等后备保护，两侧连接点分别设双重化母差保护，并将保护范围与海缆及架空线光纤差动保护交叉[4]。
本方案优点是保护范围明晰，保护动作对象适当，代价是海缆两侧需配断路器，两侧连接点虽然元件少也要配置完备的母差保护，增加了设备投资。
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变压器装设纵联差动保护作为主保护，同时高压侧装设了过负荷保护(低压侧也装设)、复合电压闭锁过流、零序过流、间隙零序电流和零序电压等保护[5]。同时，站用、接地变压器应配置三段式相间电流保护、零序电流保护及本体保护。
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汇集线中的母线设置母线保护。35 kV集电海缆线路保护配置两段三相式电流保护及两段式零序电流保护。每路35 kV风电机组汇集在馈线柜，分别装设综保装置，具有过电流保护、过电压保护、零序电流保护等功能[6,7]。
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每台海上风电机组配置过流及异常运行保护等功能。机组保护配置了电压越限保护、频率越限保护、电流保护、变流器保护。箱变高压侧配置了起到短路保护的熔断器、过电压保护的避雷器、分断开关的断路器[6,7]。
海上风电场典型电气主接线的保护配置如图3所示；海上风电场非典型电气主接线的保护配置，如图4所示。
Figure 3. A typical electric main wiring protection configuration of an offshore wind farm
Figure 4. A typical electric main wiring protection configuration of an offshore wind farm
3.1 220 kV架空线
3.2 220 kV海缆
3.3 主变
3.4 35 kV集电区
3.5 海上风电机组
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根据简化海上升压站220 kV断路器，并将接地变和站用变合并成接地变兼站用变的设想，其保护配置优化如下：
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由于220 kV海缆与架空线及主变连接点T接母线规模小，如果延伸海缆保护范围至海缆两侧连接点，并与架空线进线及主变保护交叉。海上升压站的母差保护可不设，取消海上升压站出线间隔断路器，只保留其隔离开关。采用三侧光纤纵差保护(保护对象为陆上220 kV断路器、海上升压站2台主变进线开关)作为主保护。节省了一台断路器，但带来问题是海缆保护范围扩大，海缆故障将使海上升压站完全失电，需要特别考虑备用手段。
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取消220 kV海缆出线断路器后，可节省160万元GIS成本。同时，可节省空间约为40 m2，节省建筑投资约15万元。这对于仅30 m×30 m(长×宽)的海上升压站来说，节省空间的意义较大。同时，节省出来的40 m2空间，可为优化及完善海上升压站布置提供有利依据，能进一步保障海上升压站各设备的安全距离和检修空间。
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主保护是：零序电流差动和分相电流差动。当三侧保护均运行时，使用三侧差动的方式，实现“T”接线路的三端分相电流差动全线速动保护[8,9]。其三侧差动的电流差动继电器依据是：变化量、稳态相差和零序差动。T区保护配置图如图5所示。
Figure 5. T zone protection configuration of an offshore wind farm
其中，海缆电容电流会影响到故障的电流相量精度，有可能导致保护误动。因此，差动电流起动值需考虑海缆电容电流的影响。
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IEEE-C62.92.3标准规定变压器10 s的允许过载系数为额定容量的10.5倍，即接地变压器的容量为电阻容量的1/10.5。
以某风电场为例，求得选择的小电阻R＝40.5 Ω，接地电流I＝581.40 A(取600 A)，流过接地变压器各相绕组的短路电流为600/3＝200(A)。
因此，接地变容量为：
站用变容量结合整个海上升压站电气负荷和同时系数，求得604.3 kVA，取630 kVA。
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站用变容量为630 kVA，站用变功率因数按0.8考虑，则此时的接地变容量为：
取2 000 kVA。
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接地变和站用变不合并时，总投资约为80万元。接地变兼站用变时，总投资约为60万元，可节省20万元。
同时，每台站用变的空间约为15 m2，一共2台站用变，即可节省30 m2的空间，节省建筑投资约10万元。
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一般来说，站用、接地变压器配置了三段式相间电流保护、零序电流保护及本体保护。
接地变兼站用变，以过流保护为主保护。配置了三段过流保护、高压零序过流保护、低压零序过流保护、过负荷告警、外部非电量开入保护、闭锁简易母线保护等保护，功能完善[10,11,12]。
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根据工程经验，为了避免海上升压站沉降对设备的影响，主变低压侧与35 kV进线开关的连接，一般为软连接的电缆，而不是硬连接的母线槽。当此段电缆发生接地故障时，零序电流将通过35 kV接地变兼站用变的高压侧中性点、电缆接地故障点形成故障回路。与此同时，由于主变差动保护的CT变比较大，此时的故障电流，较难达到差动阀值。导致此段电缆无法切除故障的隐患。
因此，虽然主变的接线方式为YN，d11，主变低压侧没有中性点，但是主变低压侧与35 kV进线开关之间的电缆，需配置零序CT。主变低压侧将通过零序电流来判断此段电缆是否故障。若零序电流超过整定值，联跳主变高低压侧开关，切除主变低压侧与35 kV进线开关之间连接过渡段的故障。
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采用35 kV母线进线与馈线和电流原理构成简易35 kV母线保护。简易母线保护能识别区外、区内故障[13]。因此，为了与馈电线路过流保护、变压器差动保护配合，35 kV简易母线保护是经短延时动作，不能瞬时动作。其简易母线保护原理图如图6所示：
Figure 6. The schematic diagram of 35 kV simple bus bar breaking protection
由图6可得，当母线电压闭锁元件满足以上判据三个条件(低电压元件、零序电压元件、负序电压元件)中任一条件时，电压闭锁元件动作开放相应差动保护。
4.1 220 kV海缆，延伸海缆光纤保护范围取代两侧连接点母差保护
4.1.1 取消220 kV海缆出线断路器的可行性分析
4.1.2 取消220 kV海缆出线断路器的经济性分析
4.1.3 取消220 kV海缆出线断路器的继电保护分析
4.2 35 kV接地变兼站用变的可行性分析及保护配置
4.2.1 接地变与站用变分别配置
4.2.2 接地变兼做站用变
4.2.3 经济性分析
4.2.4 继电保护分析
4.3 220 kV主变低压侧的保护分析
4.4 35 kV集电拓扑的简易母线保护
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通过对海上风电继电保护的配置进行优化分析，将35 kV站用变和35 kV接地变合并，采用进出电流比较原理构成简易35 kV母线保护。同时，把220 kV海缆两侧连接小型母线纳入海缆光纤差动范围，虽有少量保护范围扩大，但可节省1台220 kV断路器及2套220 kV母差保护投资。同时，配置主变低压侧与35 kV进线开关之间电缆的零序保护，切除主变低压侧与35 kV进线开关之间连接电缆的故障。
本文的海上风电继电保护配置优化方案，简单实用，可节省海上升压站的空间及投资成本，有望应用于工程实践中。
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