風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇

陳亮亮，韓 源，楊鎮(zhèn)澴，馬 琴

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)04—0081—04

風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的設(shè)計(jì)及設(shè)備選擇

陳亮亮，韓 源，楊鎮(zhèn)澴，馬 琴

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

結(jié)合規(guī)范以及國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)條文的要求，詳細(xì)闡述了風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的分析過(guò)程，并介紹了按照該方案如何選擇電氣設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)及其注意事項(xiàng)，交流了設(shè)計(jì)思路和設(shè)備選擇，為相關(guān)設(shè)計(jì)提供了參考。

風(fēng)電場(chǎng)；匯集線系統(tǒng)；中性點(diǎn)接地

風(fēng)電場(chǎng)近年來(lái)裝機(jī)規(guī)模不斷增大，但是技術(shù)發(fā)展的滯后及規(guī)程規(guī)范的缺失使得設(shè)計(jì)、制造及安裝環(huán)節(jié)均存在不同程度的隱患，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)了很多問(wèn)題，其中又以匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的設(shè)計(jì)更具代表性。

1 匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的特點(diǎn)

早期風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的設(shè)計(jì)基本都是遵循文獻(xiàn)[1]的設(shè)計(jì)要求，采用不接地、經(jīng)消弧線圈或低電阻的接地方式，也曾有采用經(jīng)消弧柜的接地方式，這幾種接地方式各有其運(yùn)行特點(diǎn)。

1.1 中性點(diǎn)不接地方式

這種運(yùn)行方式的工作原理是：當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，由于不會(huì)形成回路，且通過(guò)短路點(diǎn)的電流僅為接地電容電流，當(dāng)故障電流很小時(shí)，只要對(duì)地電位發(fā)生變化，短路點(diǎn)電弧可自熄，絕緣亦可恢復(fù)，大大提高了供電可靠性。但如果發(fā)生間歇性弧光過(guò)電壓，使得健全相的電位可能升高，會(huì)造成擊穿設(shè)備的絕緣的危害。

1.2 中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式

這種運(yùn)行方式的工作原理是：給系統(tǒng)故障點(diǎn)注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質(zhì)。減小電容電流與電壓的相位差角，降低故障點(diǎn)電流過(guò)零熄弧后的重燃，當(dāng)阻性電流足夠大時(shí)，重燃將不再發(fā)生，同時(shí)把系統(tǒng)電壓控制在2.5倍相電壓以內(nèi)，并提高了繼電器保護(hù)靈敏度。

(1) 優(yōu)點(diǎn)：① 能快速切除故障，過(guò)電壓水平低，消除諧振過(guò)電壓；② 有利于降低操作過(guò)電壓，對(duì)全電纜線路，大部分接地故障為永久性故障，可不投入線路重合閘，不會(huì)引起操作過(guò)電壓；③ 在以電纜線路為主的系統(tǒng)中，與線路零序保護(hù)配合，可準(zhǔn)確判斷出故障線路并迅速切除。

(2) 缺點(diǎn)：① 發(fā)生短路故障時(shí)，保護(hù)設(shè)備立即動(dòng)作切除故障，增加了停電次數(shù)，供電可靠性較低；② 數(shù)百安的接地電流會(huì)引起故障點(diǎn)接地網(wǎng)的地電位升高，危及設(shè)備和人身安全。

1.3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式

這種運(yùn)行方式的工作原理是：當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，對(duì)單相接地電容電流進(jìn)行有效補(bǔ)償，而當(dāng)故障點(diǎn)的殘余電流降至10 A以下，利用消弧線圈易于熄弧和防止重燃的特點(diǎn)，使過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間大為縮短，降低高幅值過(guò)電壓出現(xiàn)的概率，進(jìn)而防止事故的發(fā)生與擴(kuò)大。

(1) 優(yōu)點(diǎn)：① 保證了供電的可靠性與連續(xù)性，系統(tǒng)在單相接地故障下允許運(yùn)行2 h;② 經(jīng)消弧線圈補(bǔ)償后，接地點(diǎn)的殘流較小，降低了故障相電壓的恢復(fù)速度，達(dá)到熄弧效果，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行;③ 降低了電網(wǎng)絕緣閃絡(luò)接地故障電流的建弧率，從而降低了線路跳閘率;④ 降低接地工頻電流并限制地電位升高，減小了跨步電位差和接地電位差，減少對(duì)低電壓設(shè)備的反擊。

(2) 缺點(diǎn)：① 發(fā)生故障時(shí)，健全相的電壓超過(guò)3倍相電壓，對(duì)設(shè)備的絕緣水平要求較高。② 諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于消弧線圈的補(bǔ)償作用，故障電流值較小以及電弧不穩(wěn)定等因素，造成接地故障選線比較困難。③ 消弧線圈自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償是在工頻下完成的，當(dāng)采用電感電流來(lái)抵消電容電流時(shí)，對(duì)于弧光接地時(shí)的高頻分量部分無(wú)法抵消，因而不能消除弧光接地過(guò)電壓。④ 電纜線路一旦發(fā)生故障，多為永久故障。在諧振接地不跳閘情況下，電網(wǎng)帶接地故障運(yùn)行存在著引發(fā)兩相或三相接地短路故障的危險(xiǎn)性，故障容易發(fā)展成永久型的相間短路故障。⑤ 只能運(yùn)行在過(guò)補(bǔ)償狀態(tài)，不能運(yùn)行在欠補(bǔ)償狀態(tài)；因?yàn)樵谇费a(bǔ)償狀態(tài)下運(yùn)行，當(dāng)線路故障切除時(shí)，易產(chǎn)生嚴(yán)重的諧振過(guò)電壓，危及設(shè)備安全。⑥ 在某些特殊情況下，線路不對(duì)稱度較大，特別是線路發(fā)生單相或兩相斷線時(shí)，對(duì)于該接地系統(tǒng)有可能引起串聯(lián)諧振，從而危及設(shè)備安全。

1.4 中性點(diǎn)經(jīng)消弧柜接地方式

這種運(yùn)行方式的工作原理是：當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，通過(guò)消弧柜接地裝置實(shí)現(xiàn)金屬性接地，并通過(guò)小電流接地選線裝置查找故障線路，最終利用消弧裝置實(shí)現(xiàn)消弧功能，防止過(guò)電壓的產(chǎn)生。

(1) 優(yōu)點(diǎn)：① 實(shí)用性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低；② 不受接地故障點(diǎn)的影響，也不受電網(wǎng)對(duì)地電容電流的影響，而且響應(yīng)速度快，既能快速處理穩(wěn)定性弧光接地，也能快速處理間歇性弧光接地，抑制弧光接地過(guò)電壓，同時(shí)還能預(yù)防故障電壓區(qū)因單相接地造成的觸點(diǎn)事故，防止進(jìn)一步擴(kuò)大事故；③ 不僅可以消除和限制操作過(guò)電壓，而且還可以消除大氣過(guò)電壓，保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

(2) 缺點(diǎn)：① 消弧柜動(dòng)作對(duì)系統(tǒng)的沖擊大，安全可靠性差，在保護(hù)動(dòng)作恢復(fù)時(shí)，還易引發(fā)諧振而燒壞電氣設(shè)備是它難以克服的缺點(diǎn)；② 若保護(hù)動(dòng)作投錯(cuò)相，或保護(hù)動(dòng)作后系統(tǒng)又發(fā)生異相接地，將形成相間短路，對(duì)系統(tǒng)造成更大的危害，不符合電力系統(tǒng)對(duì)保護(hù)裝置安全性的要求；③ 電容電流過(guò)大致使消弧裝置無(wú)法滿足功能需要，且裝置本身也容易在巨大的接地電流下被擊穿。

2 匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的電網(wǎng)要求

中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司為了更好地規(guī)范和統(tǒng)一風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，于2011年出版了《風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)》，對(duì)35 kV側(cè)的接地有了相對(duì)明確的要求：① 風(fēng)電場(chǎng)35 kV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)消弧柜接地方式。② 經(jīng)電阻接地的35 kV系統(tǒng)應(yīng)滿足單相接地故障情況下，繼電保護(hù)正確選擇、快速切除的要求，同時(shí)應(yīng)兼顧風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行電壓適應(yīng)性要求；③ 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)應(yīng)滿足單相接地故障可靠選線，快速切除的要求。

同年，在經(jīng)歷了酒泉風(fēng)電基地大規(guī)模風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故后，國(guó)家電網(wǎng)公司又相繼下發(fā)了《防止風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)重點(diǎn)措施》(西電調(diào)字[2011]59號(hào))及《風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行反事故措施要點(diǎn)》(國(guó)家電網(wǎng)調(diào)2011[974]號(hào))等一系列文件，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的要求：對(duì)新建風(fēng)電場(chǎng)，建議匯集線系統(tǒng)采用經(jīng)電阻接地方式，并配置單相接地故障保護(hù)。匯集線系統(tǒng)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的風(fēng)電場(chǎng)， 應(yīng)配置帶跳閘功能的小電流接地選線裝置，在單相接地后快速切除故障，若不成功則跳開(kāi)主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)隔離故障。

考慮到風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的饋線大量使用電纜，而電纜故障絕大多數(shù)為永久性故障，電纜單相接地故障可能因過(guò)電壓發(fā)展為相間故障導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)端電壓降低，造成風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)其它機(jī)組因低電壓保護(hù)動(dòng)作而脫網(wǎng)，擴(kuò)大事故范圍；同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)作為發(fā)電系統(tǒng)，年利用小時(shí)數(shù)較低，不存在對(duì)用戶連續(xù)供電，且切除單條饋線對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)的運(yùn)行影響均不大，所以電力系統(tǒng)更推薦匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)采用經(jīng)低電阻接地的方式。

綜上所述，目前風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇，如表1所示。

表1 接地方式選擇表

3 匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的設(shè)計(jì) 要求

(1) 接地電阻安裝位置的選擇

目前風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)的中性點(diǎn)引出方式一般有2種方案。方案1是裝設(shè)接地變壓器及開(kāi)關(guān)設(shè)備，通過(guò)接地變壓器引出中性點(diǎn)；方案2是主變壓器采用YNyn0dll型聯(lián)結(jié)組別，從主變壓器中壓側(cè)直接引出中性點(diǎn)。2種方案具體如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)引出方式圖

從2種方案的對(duì)比不難看出，方案1需要增加接地變壓器及開(kāi)關(guān)設(shè)備的投資，方案2需要增加主變壓器的投資，2種方案從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)差別不大，但是作為發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)采用方案1比較合適，而如果按照變電站的設(shè)計(jì)思路則習(xí)慣采用方案2。

(2) 接地變壓器容量的選擇

風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，接地變壓器的繞組僅流過(guò)很小的勵(lì)磁電流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，繞組中才流過(guò)較大的系統(tǒng)短路電流。接地變壓器的容量原則上應(yīng)不小于接地電阻的額定容量。文獻(xiàn)[2]第18.3.4條對(duì)接地變壓器的容量要求：

SN≥PR

式中：PR為接地電阻額定容量。

由于低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時(shí)要求快速切除，根據(jù)繼電保護(hù)要求，其持續(xù)時(shí)間應(yīng)小于10 s，因此接地變壓器容量計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮變壓器的10 s短時(shí)過(guò)載能力。文獻(xiàn)[5]對(duì)接地變壓器的短時(shí)過(guò)負(fù)荷系數(shù)作出規(guī)定，如表2所示。

表2 接地變壓器的短時(shí)過(guò)負(fù)荷系數(shù)表

(3) 接地電阻電流的選擇

低電阻接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)的接地故障電流為電容電流與電阻電流的“合”電流。

架空線路電容電流應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算：

Ic1=(2.7～3.3)×Ue×L×10-3

電纜線路電容電流應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算：

Ic2=0.1×Ue×L

總的電容電流應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算：

Ic=Ic1+Ic2

電阻電流應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算：

IR=(1～1.5)×Ic

接地故障電流應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算：

式中：L為線路長(zhǎng)度，km；Ue為額定線電壓，kV。

其中接地故障電流的選擇還應(yīng)結(jié)合以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：

(1) 為獲得快速選擇性繼電保護(hù)所需的足夠電流，需要較大的接地故障電流，目前低電阻接地系統(tǒng)一般采用接地故障電流為100～1 000 A[1]。

(2) 從降低弧光過(guò)電壓幅值考慮，一般取電阻電流為1～1.5倍的電容電流，可以限制內(nèi)部過(guò)電壓不超過(guò)2.6倍，進(jìn)一步提高阻性電流對(duì)降低內(nèi)部過(guò)電壓收效不大[4]。

(3) 從保護(hù)人身安全、降低通信干擾、滿足設(shè)備短時(shí)及峰值耐受、降低接地設(shè)備容量及投資方面考慮，接地故障電流又不能太大。

(4) 風(fēng)電場(chǎng)作為發(fā)電系統(tǒng)，建成后由于各項(xiàng)參數(shù)變化導(dǎo)致35 kV系統(tǒng)電容電流增加很多的可能性很小，因此故障電流不用考慮太多裕量。

綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地電容電流較小時(shí)，宜按Id不小于100 A進(jìn)行考慮，IR可取100 A；當(dāng)電容電流較大時(shí)，IR可按相應(yīng)電容電流的1～1.5倍進(jìn)行考慮。

4 工程實(shí)例

新疆某風(fēng)電場(chǎng)，裝機(jī)規(guī)模200 MW，處于戈壁平原地區(qū)，配套建設(shè)一座110 kV升壓變電站。根據(jù)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其審查意見(jiàn)的要求，升壓變電站內(nèi)主變壓器采用2臺(tái)100 MVA的三相雙繞組有載調(diào)壓變壓器，額定電壓為(115±8)×1.25%/37 kV，聯(lián)結(jié)組別為YNd11；風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)采用經(jīng)低電阻接地的方式，集電線路總長(zhǎng)度為52 km，其中架空段長(zhǎng)度為44.8 km，電纜段長(zhǎng)度為7.2 km。

架空線路的電容電流為：

Ic1=2.7×Ue×L×10-3=4.48 A

電纜線路的電容電流為：

Ic2=0.1×Ue×L=26.64 A

接地故障時(shí)總的電容電流為：

Ic=Ic1+Ic2=31.12 A

則電阻電流為：

IR=(1～1.5)×Ic=(31.12～46.68) A

由于電容電流較小，實(shí)際工程中電阻電流IR可取100 A，則接地故障電流為：

接地電阻的電阻值為：

接地電阻的額定電壓為：

接地電阻的消耗功率為：

PR=Id×UR=104.73×22.43=2349 kVA

接地變壓器的運(yùn)行容量為：

根據(jù)上述計(jì)算，本工程匯集線系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地設(shè)備選擇，如表3所示。

表3 設(shè)備參數(shù)表

5 結(jié) 語(yǔ)

在中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)公司的推動(dòng)下，目前風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的選擇已經(jīng)有了指導(dǎo)性文件，雖然各省市的具體要求不盡相同，但基本形式都已經(jīng)確定。

在風(fēng)電場(chǎng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不能只依賴國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者電力標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，而應(yīng)該在仔細(xì)研究風(fēng)力發(fā)電特點(diǎn)的大前提下，結(jié)合項(xiàng)目所在地的地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃及當(dāng)?shù)厥∈须娏镜囊?，合理設(shè)計(jì)風(fēng)電場(chǎng)匯集線系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式，并通過(guò)實(shí)際計(jì)算進(jìn)行設(shè)備選型。

[1]DL/T620-1997,交流電氣裝置的過(guò)電壓保護(hù)和絕緣配合[S].北京：中國(guó)電力出版社,1997.

[2]DL/T5222-2005,導(dǎo)體和電氣選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)電力出版社,2005.

[3] 水利電力部西北電力設(shè)計(jì)院.電力工程電氣設(shè)計(jì)手冊(cè)：電氣一次部分[M].北京：中國(guó)電力出版社,1989.

[4] 平紹勛,周玉芳.電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及運(yùn)行分析[M].北京：中國(guó)電力出版社,2010.

[5]C62.92.3-1993,IEEEGuidefortheApplicationofNeutralGroundinginElectricalUtilitySystems，PartIII-GeneratorAuxiliarySystems[S].IEEE,1993.

Design and Equipment Selection of Grounding Mode at Neutral Point in Collection Line System of Wind Farm

CHEN Liang-liang, HAN Yuan, YANG Zhen-huan, MA Qin

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

In accordance with design codes and requirements of the national grid company, the analyzing process of the optimum design scheme of the grounding mode at the neutral point in collection line system of wind farm is described. Meanwhile, how to select key parameters of the electric equipment and other points are introduced according to the scheme. Design concept and equipment selection are explained. This provides relevant design with reference.Key words:wind farm; collection line system; neutral-point grounding

2015-01-21

陳亮亮(1984- )，男，吉林省長(zhǎng)春市人，工程師，主要從事新能源電氣設(shè)計(jì)工作.

TM614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.021