風(fēng)電場接地方式與零序保護整定計算

向昌明，楊宏宇，范立新，喻 建

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司江蘇南京211102)

風(fēng)電場由于匯集線路長且分支多，發(fā)生單相接地故障的頻次相對較多，容易造成電壓互感器故障、箱變避雷器燒壞、匯集線路保護動作以致風(fēng)電場停機，甚至造成升壓站系統(tǒng)側(cè)斷路器跳閘等事故。其原因是：場內(nèi)匯集線路的架空線在大風(fēng)時擺動或脫落，發(fā)生對橫擔(dān)、拉線接地；匯集線路的電纜絕緣破損對地發(fā)生間歇性放電。目前風(fēng)電場12 kV和35 kV匯集線路采用中性點不接地系統(tǒng)，由于線路回路數(shù)較多，容性電流較大，單相接地引起系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，導(dǎo)致電網(wǎng)中電感電容回路的電磁振蕩（即諧振），造成弧光接地過電壓。為了消除上述影響，根據(jù)接地容性電流大小不同，目前風(fēng)電場通常采用消弧消諧柜接地、消弧線圈接地及電阻接地等方式。在實際風(fēng)電場運行時，上述現(xiàn)象經(jīng)常造成保護誤動。文中以某風(fēng)電場送出線故障為例，對該現(xiàn)象進行分析，給出不同接地方式下的匯集系統(tǒng)零序保護的整定計算方法。

1某風(fēng)電場匯集線路故障分析

某風(fēng)電場總裝機容量為50 MW，有1.5sle型雙饋異步機組35臺，單臺風(fēng)機容量1 500 kW，每7臺風(fēng)機“T”接在一條匯集線路上，通過5條匯集線路的中壓母線經(jīng)主變升壓至220 kV，接入系統(tǒng)。風(fēng)電場系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1某風(fēng)電場系統(tǒng)接線示意圖

圖1中的接地設(shè)備有消弧消諧柜、消弧線圈及經(jīng)接地變的電阻等。結(jié)合實際接線，首先分析風(fēng)電場不接地方式下35 kV母線（d1點）和匯集線路（d2點）發(fā)生單相接地故障時，各支路的零序電流分布情況。

該風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，假設(shè)線路電阻為0，則負荷電流在線路上沒有壓降，故障相電壓為0，非故障相電壓升高為倍，每條線路的三相對地電容相等，分別為 C01，C02，C03，C04和 C05；母線及電源對地電容為C0G。當(dāng)線路Ⅴ的A相發(fā)生金屬性接地故障時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的電容電流分布和零序等效網(wǎng)絡(luò)分別如圖2和圖3所示[1]。

圖2單相接地故障時電容電流分布

圖3單相接地故障時零序等效網(wǎng)絡(luò)

由圖2和圖3可以看出，35 kV母線不接地時在d1點接地故障下，流過這5條線路的零序電流是本線路對地電容電流，其方向均由母線到線路。35 kV母線不接地時在d2點接地故障下，正常線路（1號、2號、3號、4號線路）的零序電流是該線路的對地電容電流，其方向由母線到線路；故障線路（5號線路）的零序電流為所有非故障元件（正常線路和主變）的對地電容電流之和，其方向由線路到母線。

2中性點采用消弧消諧柜接地方式

2.1消弧消諧柜接地的工作原理

SHK型消弧柜是較常用的消弧消諧裝置。其采用微機控制方式，具有消弧功能、電壓互感器（TV）功能、防止內(nèi)部與外部過電壓保護等功能，原理接線如圖4所示。

圖4 SHK型消弧柜原理圖

（1）分相控制真空斷路器。在接到微機控制器的動作命令后10 ms之內(nèi)完成合閘動作，使弧光接地故障在15 ms之內(nèi)快速轉(zhuǎn)化為金屬性接地。裝置動作后，允許1 250 A的電容電流連續(xù)通過至少2 h以上，用戶可以先完成轉(zhuǎn)移負荷的倒閘操作，再處理故障線路。

（2）手車式TV。檢測三相母線電壓信號，一旦發(fā)生PT斷線、單相金屬接地或者弧光接地時，TV的開口三角電壓立即由低電平轉(zhuǎn)為高電平，啟動微機控制器的中斷程序來判別故障類型和相別。

（3）零序電流互感器（TA）和接地電流表。在裝置動作期間，通過接地電流表可以較準(zhǔn)確地讀出系統(tǒng)的接地電容電流；此時，如果健全相出現(xiàn)弧光接地，通過檢測零序TA二次電流的突變，控制器發(fā)出跳閘指令，斷路器在5 ms內(nèi)分閘。

（4）過電壓保護器。將相對地、相與相之間的各種過電壓限制在設(shè)備絕緣允許的范圍內(nèi)。

2.2經(jīng)消弧消諧柜接地的零序保護整定

在中性點不接地的系統(tǒng)中，消弧消諧柜的功能除了TV監(jiān)測、單相接地故障的檢測以及故障類型的判斷之外，還對單相弧光接地以及單相金屬性接地的故障相直接對地短接，以減輕弧光接地帶來的危害。它能保證電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，給檢修人員排除故障爭取時間，但并不能消除電容電流帶來的危害[2，3]。

在以架空線路為主的風(fēng)電場，電容電流較??；在以電纜線路為主的風(fēng)電場，電容電流較大。應(yīng)該通過合理整定匯集線路的零序保護，迅速隔離故障，避免事故擴大。根據(jù)風(fēng)電場提供的資料，計算出1～5號匯集線路的電容電流分別為 6.9 A，7.1 A，8.5 A，10.6 A，9.5 A。

例如：5號匯集線路區(qū)內(nèi)故障時，流過其零序TA的電流為33.1 A；區(qū)外故障時，流過其零序TA的電流為9.5 A。零序Ⅰ段保護定值按躲過本條線路區(qū)外單相接地時流過保護安裝處的零序電流計算：

式中：（3I0）I.op為零序Ⅰ段保護定值；Krel為可靠系數(shù)，取 1.5～2；I（1）k為本線區(qū)外單相接地時被保護設(shè)備供短路點的單相接地電流。系統(tǒng)容性電流較大，為了防止過電壓，該保護宜動作于跳閘，保護靈敏度不小于1.5。

零序Ⅱ段保護定值按本條線路區(qū)外單相接地時有一定的靈敏度計算：

式中：（3I0）II.op為零序Ⅱ段保護定值；Ksen為靈敏度系數(shù)，取1.2～2。所以，5號匯集線路零序Ⅰ段定值19 A，延時0.2 s跳閘；零序Ⅱ段定值7.6 A，延時1 s發(fā)信。其余匯集線路按上述原則整定。

3中性點采用消弧線圈接地方式

3.1消弧線圈接地的工作原理

在中性點不接地系統(tǒng)中，接地電容電流超過一定數(shù)值時，接地點將產(chǎn)生電弧，引起間歇過電壓。當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地后，線圈產(chǎn)生的感性電流可補償電纜的容性電流，熄滅電弧，避免過電壓的產(chǎn)生[4]。根據(jù)補償度的不同可分為全補償、欠補償和過補償。

風(fēng)電場35 kV側(cè)繞組為三角形接線，正常無法直接引出中性點，需采用特殊的Z型接地變壓器，人為地制造一個中性點，連接消弧線圈（接地電阻）[5]。其特性是在電網(wǎng)正常供電情況下阻抗很高 （即激磁阻抗），繞組中只流過很小的激磁電流；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，其對正序、負序電流呈現(xiàn)高阻抗，對零序電流呈現(xiàn)低阻抗，使接地保護可靠動作。

常用Z型接地變壓器為Zn，yn11，接線如圖5所示。其鐵心為三相三柱式，每一鐵心柱上有2個繞組，匝數(shù)相等繞向相同，反極性串聯(lián)成曲折形繞組。A1、B1、C1 繞組末端分別與 C2、A2、B2 繞組末端相連，然后C2、A2、B2首端相連，即形成曲折變壓器的中性點N。其通常兼做場用變壓器[6]。

某風(fēng)場接地變?yōu)門HT-DKSC-1400/35-200/0.4，一次容量1 400 kV·A，二次容量為200 kV·A，額定電壓為35/0.4 kV，連接組別標(biāo)號為Zn，Yn11，短路阻抗Ud=4.5%，零序阻抗為50.8 Ω。選用接地電阻阻值為35 Ω，短時允許電流600 A，短時通流時間10 s。

圖5 ZN，yn11型接地變壓器接線圖及向量圖

3.2經(jīng)消弧線圈接地的零序保護整定

為了防止匯集線路發(fā)生串聯(lián)諧振，在風(fēng)電場中普遍采用過補償。在過補償方式下，1號匯集線路區(qū)外故障時，流過線路零序TA的電流為6.9 A，方向是由母線到線路；區(qū)內(nèi)故障時，流過線路零序TA的電流為補償后的感性電流，方向也是由母線到線路。因此，難以根據(jù)電流的方向來判別故障線路。另一方面，由于過補償度不大，殘余電流比較小，甚至小于非故障相的零序電流，所以很難根據(jù)零序電流的幅值來判別故障線路。母線單相接地故障下，流過接地變零序TA的電流約為非故障線路的電容電流之和。

匯集線路的零序定值按本條線路區(qū)外單相接地時有一定的靈敏度計算：

式中：Ksen取1.2～2。所以，5號匯集線路零序保護定值7.6 A，延時1 s發(fā)信。其余匯集線路按上述原則整定。

接地變的零序定值按躲過匯集線路容性電流的最大值計算：

式中：Krel取1.5～2。所以，接地變零序保護定值16 A，延時1 s發(fā)信。

采用消弧線圈接地方式，在單相接地時允許運行2 h，運行人員可在此期間排除故障，保證供電不受影響。當(dāng)所有的零序保護均告警時，接地故障點在35 kV母線或接地變支路；當(dāng)某匯集線路零序保護未告警而其余設(shè)備告警時，故障點在該支路。

4中性點采用電阻接地方式

4.1電阻接地的工作原理

中性點經(jīng)電阻接地方式，即是中性點與大地之間接入一定電阻值的電阻。該電阻與系統(tǒng)對地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，由于電阻是耗能元件，也是電容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，對防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓，有一定優(yōu)越性。將圖5中的消弧線圈換成電阻即為風(fēng)電場常用的電阻接地方式。3.1節(jié)接地變經(jīng)電阻接地后的等值電路如圖6所示[7]。

圖6中性點經(jīng)電阻接地的接地變及其等值電路

4.2經(jīng)電阻接地的零序保護整定

零序Ⅰ段保護定值按該線路單相接地時流過的最大零序電流有足夠靈敏度計算，為：式中：Ksen為靈敏度系數(shù)，取1.5～3；UN為匯集線路的標(biāo)稱電壓；R為接地變中性點電阻；X0為接地變零序阻抗。此時，零序Ⅰ段定值220 A，匯集線路延時0.2 s跳閘；接地變延時0.8 s跳閘，與線路零序相配合。

零序Ⅱ段保護定值按躲過正常運行時流過的最大不平衡電流計算：

式中：IE為匯集線路或接地變的負荷電流。此時，零序Ⅱ段定值112.2 A，匯集線路延時2 s跳閘；接地變延時2.6s跳閘，與線路零序相配合。

5結(jié)束語

風(fēng)電場采用大量電纜或者架空線路，一旦發(fā)生接地故障，產(chǎn)生的弧光、過電壓以及較大的接地電流對電氣設(shè)備的危害十分嚴(yán)重。國家電網(wǎng)調(diào)（2011）974號文件要求：風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)應(yīng)采用經(jīng)電阻或消弧線圈接地方式，不應(yīng)采用不接地或經(jīng)消弧消諧柜接地方式。針對目前風(fēng)電場常用的3種接地方式，分析了不同方式下零序電流的產(chǎn)生原理，給出了相應(yīng)的零序保護的計算方法。合理地整定匯集線路的零序定值、充分利用其保護功能，能有效避免風(fēng)機脫網(wǎng)事故發(fā)生，從而保障電網(wǎng)運行安全。

[1]湯云巖，周巧俏，陳繼軍.小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方法介紹[J].電工電氣，2012(6)：56-59.

[2]楊 華，陳式獻，涂 斌.XHG消弧柜在供電系統(tǒng)中應(yīng)用的分析[J].江西冶金，2011，31(2)：21-24.

[3]石啟新.兩種新型接地消弧消諧柜的性能比較分析[J].廣西電力，2006(4)：24-27.

[4]周一峰.一種單相接地引起消弧線圈事故分析[J].江蘇電機工程，2010，29(5)：16-17.

[5]許 凱.接地變的參數(shù)確定和保護計算[J].機電工程技術(shù)，2011，40(7)：153-155

[6]李 玲，李國慶，王振浩.小電流接地系統(tǒng)Z型接地變壓器模型設(shè)計[J].吉林電力，2006，184(3)：24-27.

[7]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2007.