淺議風(fēng)電場(chǎng)接地方式及其保護(hù)分析

王萬(wàn)印

(中電投河南電力有限公司,河南鄭州 450016)

淺議風(fēng)電場(chǎng)接地方式及其保護(hù)分析

王萬(wàn)印

(中電投河南電力有限公司,河南鄭州 450016)

風(fēng)電場(chǎng)具有占地面積廣、集電線路較長(zhǎng)以及線路中電容電流較大的特點(diǎn)，特別是山地風(fēng)電，大量采用電纜式集電線路，其實(shí)容性電流更大。依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)，選擇合適的接地保護(hù)方式，對(duì)保證風(fēng)電場(chǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行意義重大。本文結(jié)合我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，逐個(gè)分析了風(fēng)電場(chǎng)接地方式。

風(fēng)電場(chǎng) 接地方式 保護(hù) 電容電流

1 引言

2006年以來(lái)，在國(guó)家大力支持和政策引導(dǎo)下，我國(guó)風(fēng)電進(jìn)入了大發(fā)展時(shí)期，裝機(jī)容量及風(fēng)電技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出欣欣向榮的趨勢(shì)。風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)占地面積大，集電線路較長(zhǎng)，而且分支線路比較多，很容易發(fā)生單相接地故障，導(dǎo)致PT故障、避雷器燒壞、全場(chǎng)停機(jī)以及升壓站系統(tǒng)側(cè)斷路器跳閘等安全事故。因此，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接地方式及其保護(hù)技術(shù)進(jìn)行分析和探討具有重要意義，本文主要按照接地容性電流大小的區(qū)別，分別討論電阻接地、消弧線圈接地以及消弧消諧裝置接地等方式的技術(shù)特點(diǎn)和要求，拋磚引玉，和風(fēng)電行業(yè)同仁交流。

2 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀

截止到2013年底，據(jù)中國(guó)風(fēng)電協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)91412.89MW(不包括臺(tái)灣地區(qū))，位居世界第一。2013年西藏7.5MW風(fēng)電容量的投產(chǎn)，填補(bǔ)了大陸省份唯西藏地區(qū)沒有風(fēng)電的空白，目前大陸各個(gè)省份均有在運(yùn)風(fēng)電場(chǎng)，其中內(nèi)蒙古裝機(jī)已達(dá)到20270MW，另外潮澗帶、近海風(fēng)電也逐漸興起，即將進(jìn)入大發(fā)展階段。預(yù)計(jì)到2020年，風(fēng)電場(chǎng)超過核電成為第三大電源。除此之外，我國(guó)也出臺(tái)了有利的政策支持風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，從國(guó)產(chǎn)化率、全額并網(wǎng)、電價(jià)分?jǐn)偂l(fā)展規(guī)劃、財(cái)稅優(yōu)惠以及特許權(quán)利等幾個(gè)方面支持風(fēng)電項(xiàng)目。

現(xiàn)階段，風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目涉及到的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要包括風(fēng)力發(fā)電裝備制造、海上風(fēng)力發(fā)電、風(fēng)能資源測(cè)量及評(píng)估、穩(wěn)定運(yùn)行和電力傳輸?shù)?，其中風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)利益和社會(huì)利益的首要前提條件，而接地方式、接地保護(hù)由于風(fēng)電場(chǎng)自身特點(diǎn)，其對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性有著重要關(guān)系。

3 風(fēng)電場(chǎng)接地方式探討

中性點(diǎn)接地方式選擇的不同，會(huì)影響到風(fēng)電場(chǎng)許多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題，如運(yùn)行的可靠性、電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣水平、繼電保護(hù)的配置和可靠動(dòng)作以及對(duì)通訊電路的干擾等諸多方面。

風(fēng)電場(chǎng)由于運(yùn)營(yíng)區(qū)域面積大、集電線路長(zhǎng)、補(bǔ)償能力弱，特別是使用電纜集電線路的風(fēng)電場(chǎng)，電容電流很大，加之風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)內(nèi)選取電壓一般為35KV以下的小接地電流系統(tǒng)，發(fā)生單相弧光接地時(shí)過電壓峰值將達(dá)到2.3Um,對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生很大危害，如不能快速消除，會(huì)產(chǎn)生大面積連鎖破壞。

通過對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各類事故的分析，接地方式不合理、選值不匹配是導(dǎo)致單相故障不能快速切除、故障惡化、事故擴(kuò)大的主要因素之一，也是造成風(fēng)場(chǎng)電氣設(shè)備故障和風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的主要原因。

3.1 電阻接地方式

電阻接地，也就是中性點(diǎn)和大地之間接入一定電阻值的電阻，這個(gè)電阻和風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)對(duì)地電容之間共同形成了并聯(lián)回路，電阻為耗能元件和阻壓元件，可以有效避免諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓現(xiàn)象。中性點(diǎn)經(jīng)過接地變壓器二次側(cè)接入阻值合適的電阻，這種接地方式我們稱之為中性點(diǎn)經(jīng)高電阻接地。這種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是一方面簡(jiǎn)化了電阻器的結(jié)構(gòu)，另一方面降低了成本，且便于進(jìn)行安裝，在現(xiàn)投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)中，這種接地方式比較普遍。這種接地的技術(shù)原因是，在發(fā)生接地故障時(shí)，電阻產(chǎn)生功率消耗，在一定程度上降低了故障電流，且由于高電阻促進(jìn)回路阻尼率的增大，對(duì)過電壓幅值和陡度產(chǎn)生較為明顯的阻尼作用，確保電位偏移不會(huì)引發(fā)串聯(lián)諧振過電壓。電阻接地方式在發(fā)生單相接地故障時(shí)，容易產(chǎn)生一個(gè)三相不平衡電流，可以利用零序電流互感器進(jìn)行檢測(cè)，迅速檢測(cè)故障，并切除故障，以此起到一個(gè)有效的保護(hù)作用。

電阻接地方式中關(guān)于電阻值的選擇問題，需要考慮從以下幾個(gè)方面的情況，一是系統(tǒng)過電壓水平進(jìn)行限制，二是確保系統(tǒng)繼電保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，三是降低對(duì)通信線路的干擾、四是人身觸電的危險(xiǎn)性。其中，后兩條要受到故障電流的影響，然而利用現(xiàn)場(chǎng)措施進(jìn)行彌補(bǔ)，比如對(duì)均壓網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置，使用帶屏蔽層通訊電纜的方式等。因此選取合適的電阻值時(shí)，著重考慮前兩條。

3.2 消弧線圈接地方式

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，如果單相接地電容電流超出限值，容易在接地點(diǎn)導(dǎo)致電弧的產(chǎn)生，并引發(fā)間歇過電壓，采取消弧線圈的接地方式可以有效減小電流，并熄滅電弧，有效防止過電壓。具體而言，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，三相電流、電流之間是對(duì)稱的，中性點(diǎn)對(duì)地電位是0，線圈電壓也為0，線圈無(wú)電流。如果系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，接地點(diǎn)電流為接地電容電流和流過線圈的電感電流之和。二者相位相反，接地點(diǎn)相互補(bǔ)償，那么我們僅僅需要消弧線圈電感量選取個(gè)合適的值，即可讓接地電流降低，使其處于最小生弧電流之下，不會(huì)產(chǎn)生電弧，也就不會(huì)有間歇過電壓。

除此之外，按照消弧線圈中電感電流和接地電容電流具有不同的補(bǔ)償程度，包括全補(bǔ)償、欠補(bǔ)償以及過補(bǔ)償三種，風(fēng)電場(chǎng)普遍采用過補(bǔ)償方式，可以有效避免電壓串聯(lián)諧振過電壓的現(xiàn)象，經(jīng)過補(bǔ)償之后殘余電流小于等于5～10A。

3.3 消弧消諧裝置接地方式

消弧消諧裝置往往是選擇微機(jī)控制的方式，基本上具備了消弧消諧功能、PT功能以及過電壓保護(hù)功能等。按照電壓互感器信號(hào)的不同，對(duì)故障類別進(jìn)行判定和識(shí)別，如果發(fā)生弧光接地的情況，則及時(shí)向故障相真空接觸器發(fā)出動(dòng)作命令，對(duì)弧光接地進(jìn)行轉(zhuǎn)化，熄滅故障點(diǎn)電弧，以此消除了弧光接地過電壓。然而，消弧消諧設(shè)備是存在一定的缺陷的，首先是故障相接地消弧過程中處于病態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，過電壓保護(hù)設(shè)備為避雷器，僅可用于線路消弧，而且不能用于電容電流大于30A的系統(tǒng)；其次，如果電容電流較小，而且線路不長(zhǎng)，在發(fā)生燒組單相接地故障時(shí)，消弧消諧設(shè)備動(dòng)作短接一部分電源，速斷過流保護(hù)起不了作用，無(wú)法及時(shí)動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生；最后，消弧消諧設(shè)備在退出消弧時(shí)有可能導(dǎo)致PT鐵磁諧振的現(xiàn)象，而且消弧消諧設(shè)備需要至少100ms的時(shí)間才可以完成消弧。

4 結(jié)語(yǔ)

選擇一個(gè)安全運(yùn)行穩(wěn)定可靠的接地保護(hù)方式是非常有必要的，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行具有重要意義。本文對(duì)有關(guān)風(fēng)電場(chǎng)接地方式及其保護(hù)進(jìn)行分析和探討，以期對(duì)于我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展，起到一定的理論指導(dǎo)意義。

[1]李建春.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型因素探析[J].甘肅科技,2010(04).

[2]崔建紅,許健,劉京愛.我國(guó)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009(10).