風(fēng)電場集電線路小電阻接地系統(tǒng)的工程應(yīng)用

胡森，張磊，程磊，楊飛

(中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 310014)

0 引言

隨著風(fēng)電建設(shè)規(guī)模逐年快速擴(kuò)大，全國已出現(xiàn)多起因電氣設(shè)備故障造成風(fēng)電機(jī)組大面積脫網(wǎng)的事故。據(jù)統(tǒng)計，由于電纜頭故障造成風(fēng)電場匯集線跳閘的概率已經(jīng)達(dá)到總故障的60%，成為最近幾次風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)的主要誘因，單相故障不能快速切除是導(dǎo)致故障惡化的主要因素之一[1]。目前集電線路接地方式主要有經(jīng)電阻和消弧線圈2種類型。消弧線圈接地系統(tǒng)選線原理復(fù)雜，大多產(chǎn)品的動作成功率參差不齊，尚需改進(jìn)。為了實現(xiàn)風(fēng)電場集電線路單相故障的快速切除，保證零序電流保護(hù)的靈敏度，主變壓器低壓系統(tǒng)通常采用小電阻接地方式，然而其在運(yùn)行過程中暴露出的問題也亟待解決。

1 風(fēng)電場集電線路小電阻接地系統(tǒng)特點

低電阻接地方式是為了獲得較大的故障電流，而降阻性電流疊加在故障點上(即在中性點與大地之間串聯(lián)接入一定阻值的電阻)。在中性點接入一電阻器后，泄放燃弧后的能量，中性點電位降低，故障相的恢復(fù)電壓上升速度也減慢，從而減少電弧重燃的可能性。

1.1 故障時小電阻接地系統(tǒng)運(yùn)行特點

在中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時，由于人為增加了一個與電網(wǎng)接地電容電流相位相差90°的有功電流，流過故障點的接地電流就等于電容電流和有功電流的向量和。

1.2 小電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點

(1)小電阻能吸收大量故障時產(chǎn)生的弧光能量，限制健全相的過電壓倍數(shù)，同時由于電阻的阻尼作用，基本上可消除系統(tǒng)的各種諧振過電壓。

(2)合理選擇接地電阻數(shù)值，在發(fā)生單相接地故障時，能有較大電流流過故障線路，提高了零序電流保護(hù)的靈敏度，可迅速切除故障線路，保證人身和設(shè)備安全。

(3)降低操作過電壓使小電阻接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時可迅速切除故障線路。若故障線路是電纜線路，一般接地故障為永久性故障，不會重合閘；若故障線路是架空線路，發(fā)生瞬時故障的可能性大，重合一次也不會引起操作過電壓。

1.3 小電阻接地系統(tǒng)的缺點

(1)由于故障電流高達(dá)數(shù)百甚至上千安培，當(dāng)零序保護(hù)拒動時易擴(kuò)大事故范圍，釀成火災(zāi)。電阻器熱容量大、投資高，且事故會引起地電位升高，造成嚴(yán)重?fù)p失。

(2)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(無論是永久性的還是非永久性的)，均會大大增加線路跳閘的次數(shù)，嚴(yán)重影響了用戶的正常用電，使供電可靠性下降。

2 常見小電阻接地方式

由于風(fēng)電機(jī)組的原動力是流經(jīng)風(fēng)機(jī)葉片的風(fēng)能，而風(fēng)速和風(fēng)向具有隨機(jī)變動的自然特性，因此風(fēng)電機(jī)組屬于不能進(jìn)行任意調(diào)整出力的電源裝置。風(fēng)電場一般采用單臺機(jī)組依次并網(wǎng)接入系統(tǒng)，整體上可以視作電網(wǎng)的一個負(fù)的負(fù)荷。風(fēng)電場主變壓器低壓集電網(wǎng)采用小電阻接地方式，一旦發(fā)生單相接地故障，可通過零序保護(hù)可靠切除故障線路，防止故障影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 采用主變壓器Y/△+35 kV母線接地變壓器+小電阻

風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)(35 kV)采用三角形接線，需要采用Z型接線的接地變壓器人為地制造一個中性點。由于Z型變壓器每個鐵芯柱上2段繞組繞向相反，對零序電流呈現(xiàn)低阻抗(相當(dāng)于漏抗)，零序電流在繞組上的壓降很小。

Z型接線的接地變壓器有2種方案[2]：第1種方案只有初級線圈，專作接地變壓器用，如圖1所示；第2種方案帶有380 V的二次線圈，可兼作所用變壓器用，如圖2所示。

圖1 低壓側(cè)母線專用接地變壓器+小電阻

圖2 接地變壓器兼場用變壓器+小電阻

從投資角度考慮，風(fēng)電場初期投資中第2種方案可節(jié)省1臺開關(guān)柜、1臺專用接地變壓器及所增加建筑面積的費用，但風(fēng)電場往往是分期投入運(yùn)行，小電阻接地系統(tǒng)存在改造的可能，而場用電負(fù)荷往往變化不大，如果存在擴(kuò)建可能，第2種方案沒有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

從運(yùn)行維護(hù)角度考慮，第1種方案中所用變壓器和小電阻接地系統(tǒng)相互獨立，可靠性高，是少人值守風(fēng)電場所需要的；第2種方案2個系統(tǒng)耦合在一起，一旦某一元器件有異常需要退出運(yùn)行，就會影響所用電使用。同樣，場用電回路出現(xiàn)故障，小電阻接地系統(tǒng)退出運(yùn)行，也會影響該段母線上發(fā)電量的輸出，故第2種方案可靠性大大降低[3]。

2.2 采用主變壓器Y/△+ 35 kV主變壓器出線接專用接地變壓器+小電阻

部分電網(wǎng)采用專用接地變壓器，通過電纜直接接于主變壓器低壓側(cè)出線處，而無專用接地變壓器斷路器，如圖3所示。對于這種方式，可把接地變壓器和主變壓器看成一體。接地變壓器保護(hù)出口與主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)出口合用1組斷路器[4]。

圖3 主變壓器低壓側(cè)出線專用接地變壓器+小電阻

2.3 采用主變壓器Y/Y+1

采用主變壓器Y/Y+1接線方式，主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)均采用星型接線，同時帶平衡繞組，低壓側(cè)中性點引出加小電阻接地，如圖4所示。

圖4 主變壓器帶平衡線圈

三角形繞組在變壓器中既可充當(dāng)工作繞組，也可作為平衡繞組。當(dāng)作為工作繞組時，系統(tǒng)電網(wǎng)三相不對稱容易使工作繞組虛擬中性點漂移，故工作繞組一般采用中性點引出的星型連接的繞組。

三角形連接的平衡繞組有以下作用：平衡繞組能為3N(N=1，2，3，…)次諧波電流提供通路，改善感應(yīng)電動勢波波形，確保供電質(zhì)量；出現(xiàn)短路、斷路、單相或雙相電壓升高和降低的情況時，平衡繞組中能流通循環(huán)電流，零序磁通絕大部分被抵消，只剩少量漏磁通，這樣零序阻抗將不隨電壓和電流的大小變化，可以視為恒量[5]。

3 小電阻接地方式的保護(hù)配置及整定原則

3.1 35 kV線路保護(hù)配置及整定原則

35 kV中性點經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的線路保護(hù)常見以下配置。

(1)過電流保護(hù)。包括電流瞬時速斷、限時電流速斷和定時限過電流保護(hù)，當(dāng)相電流超過定值且延時大于整定值時，裝置即出口跳閘。

(2)零序過流保護(hù)。包括零序過流Ⅰ段和零序過流Ⅱ段，當(dāng)接入裝置的計算零序電流超過定值且延時大于整定值時，裝置即出口跳閘。

(3)零序功率方向保護(hù)。零序電流大于較小的整定值，且零序功率方向元件動作，則經(jīng)過一定的延時后保護(hù)跳閘。

雖然零序功率方向保護(hù)靈敏度要比零序過流保護(hù)高，但必須保證接入保護(hù)的零序電壓、電流極性的正確性，工作量大，且有一定風(fēng)險。風(fēng)電場設(shè)置零序過流保護(hù)能滿足單相接地快速切除故障的要求，故不采用零序功率方向保護(hù)。

3.2 35 kV接地變壓器保護(hù)配置及整定原則

接地變壓器中性點上裝設(shè)零序電流Ⅰ段、零序電流Ⅱ段保護(hù)，作為接地變壓器單相接地故障的主保護(hù)和系統(tǒng)各元件的總后備保護(hù)。接地變壓器電源側(cè)裝設(shè)三相式的電流速斷、過電流保護(hù)，作為接地變壓器內(nèi)部相間故障的主保護(hù)和后備保護(hù)。

接地變壓器接于低壓側(cè)母線時，零序電流Ⅰ段保護(hù)動作跳母聯(lián)開關(guān)，零序電流Ⅱ段保護(hù)動作跳主變壓器的低壓側(cè)開關(guān)；接地變壓器接于主變壓器低壓側(cè)時，零序電流Ⅰ段保護(hù)第一時間跳母聯(lián)開關(guān)，第二時間跳主變壓器低壓側(cè)開關(guān)，零序電流Ⅱ保護(hù)動作跳主變壓器各側(cè)開關(guān)。

3.3 增加主變壓器35 kV側(cè)零序保護(hù)

增加主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)，即零序保護(hù)。主變壓器低壓側(cè)配置反映單相接地故障的零序保護(hù)，可作為母線單相接地故障的主保護(hù)和饋線單相接地的后備保護(hù)，同時提高變壓器低壓側(cè)復(fù)合電壓方向過流保護(hù)的靈敏性。

3.4 4種小電阻接地方案單相故障時保護(hù)配合

(1)如圖1和圖2所示，接地變壓器接于主變壓器低壓側(cè)母線，電流速斷和過流保護(hù)動作后聯(lián)跳主變壓器低壓側(cè)斷路器，同時主變壓器后備保護(hù)跳低壓側(cè)斷路器出口。當(dāng)35 kV線路發(fā)生單相接地故障時，線路零序保護(hù)或線路開關(guān)拒動，此時由零序保護(hù)動作跳閘。第一時間零序保護(hù)I段動作跳開母聯(lián)開關(guān)，將故障母線與正常系統(tǒng)分開；如果故障發(fā)生在接地變壓器所在母線上，第二時間零序保護(hù)Ⅱ段保護(hù)動作跳開主變壓器低壓側(cè)開關(guān)。

(2)如圖3所示，接地變壓器接于主變壓器低壓側(cè)引線時，電流速斷和過流保護(hù)動作后跳主變壓器高低壓側(cè)斷路器，主變壓器后備保護(hù)跳各側(cè)斷路器時間小于接地變過電流保護(hù)動作時間。零序電流保護(hù)動作原理同本節(jié)(1)。

(3)如圖4所示，在配置有平衡繞組的主變壓器低壓側(cè)中性點引線上配置接地電阻。由于這種接線不含接地變壓器，故小電阻接地系統(tǒng)保護(hù)包含在主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)中。主變壓器低壓側(cè)零序電流保護(hù)Ⅰ段第一時間跳母聯(lián)斷路器，第二時間跳主變壓器低壓側(cè)斷路器，零序電流Ⅱ段保護(hù)動作跳主變壓器高低壓側(cè)斷路器。

4 工程應(yīng)用常見問題及對策

風(fēng)電場集電線路小電阻接地方式已在多個風(fēng)電項目中實施，從已參與調(diào)試和投運(yùn)的電廠情況來看，小電阻接地方式總體較好，但也暴露一些問題，主要有以下幾個方面。

(1)風(fēng)電場集電線路采用小電阻接地系統(tǒng)，由于經(jīng)濟(jì)原因或安裝位置限制，許多升壓站采用站變壓器與接地變壓器合二為一的方案。此時在整定站變壓器保護(hù)時必須考慮定值、時間與出線零序定值的配合[6]。速斷保護(hù)定值應(yīng)大于接地變壓器的零序電流保護(hù)值，時間取0 s不變；過流保護(hù)定值應(yīng)大于站變壓器的額定電流值，時間大于接地變壓器零序電流保護(hù)的動作時間。這樣既可以保證站變壓器在發(fā)生較嚴(yán)重的故障時保護(hù)快速動作，又可以避免單相接地故障時速斷保護(hù)及過流保護(hù)的誤動。

(2)集電線路的電纜屏蔽層接地線正確敷設(shè)方法為當(dāng)屏蔽層接地線接地點在零序電流互感器(CT)上方時，屏蔽層接地線必須由上向下穿過零序CT；當(dāng)屏蔽層接地線的接地點在零序CT下方時，電纜屏蔽層接地線不能穿過零序CT，否則會引起非故障線路零序保護(hù)誤動[7]。

(3)主變壓器差動保護(hù)裝置的啟動定值應(yīng)按大于正常變壓器額定負(fù)載的最大不平衡電流以及單相接地故障時的最大零序電流來整定，這樣就可以防止變壓器區(qū)外發(fā)生單相接地故障時主變壓器差動保護(hù)誤動[8]。

(4)發(fā)生單相、瞬時故障時，小電阻接地方式下的保護(hù)動作跳閘，然后重合成功[9]。零序保護(hù)的整定時間應(yīng)大于因雷電等原因造成的瞬時故障時間，同時應(yīng)遵守《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，按照要求整定風(fēng)電機(jī)組低電壓保護(hù)定值及低電壓穿越的能力，避免風(fēng)電機(jī)組因集電線路瞬間故障而大面積脫網(wǎng)。

(5)過電流保護(hù)整定時，既要保證保護(hù)的靈敏度，又要保證電流大于非本線路故障時，本線路流過的最大電容電流?？紤]到由于故障點的不同，單相接地故障電流變化較大，保護(hù)的靈敏度降低，所以在整定計算時應(yīng)確保保護(hù)選擇性的同時提高其靈敏度。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)風(fēng)電場集電線路的特點提出了4種小電阻接地系統(tǒng)的接線方式，并詳細(xì)說明了相應(yīng)的繼電保護(hù)方案，同時對工程中繼電保護(hù)整定及安裝工程中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，對風(fēng)電場規(guī)范建設(shè)和順利投產(chǎn)具有十分現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

不可否認(rèn)的是，小電阻接地系統(tǒng)在單相接地短路故障時，保護(hù)動作不區(qū)分故障類型，對風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果自動消弧線圈在滿足可靠快速切除單相接地故障方面能有市場成熟產(chǎn)品的支撐，諧振接地系統(tǒng)將是集電線路接地方式的最佳選擇，這也是下一步風(fēng)電場集電線路接地方式的研究方向。

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