風(fēng)電場(chǎng)接地變及其中性點(diǎn)接地電阻的改進(jìn)方案分析

林峰，張?zhí)m英，呂庭欽，相里碧玉，江岳文

（ 1. 國(guó)網(wǎng)福州供電公司， 福建 福州 350009； 2. 國(guó)網(wǎng)南平供電公司， 福建 南平 353000；3. 福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院， 福建 閩侯 350108）

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)35 kV或10 kV側(cè)集電線路大量地使用電纜，使得電容電流越來(lái)越大，一旦發(fā)生接地故障，產(chǎn)生的弧光過(guò)電壓以及較大的接地電流對(duì)電氣設(shè)備的危害十分嚴(yán)重[1-2]。 因此，風(fēng)電場(chǎng)35 kV或10 kV側(cè)大部分采用小電阻接地方式。 繼電保護(hù)風(fēng)電場(chǎng)接地變參數(shù)及接地電阻選取不合理，存在保護(hù)整定困難及接地變燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。 本文通過(guò)某風(fēng)電場(chǎng)實(shí)例，分析了其2臺(tái)接地變參數(shù)及其接電電阻選取均不合理將造成集電線路繼電保護(hù)無(wú)法同時(shí)滿足選擇性與靈敏性的要求，對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。 綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性，提出了將兩期工程接地變對(duì)換及根據(jù)需要改造接地電阻達(dá)到繼電保護(hù)整定要求。 改造后，風(fēng)電場(chǎng)已安全穩(wěn)定運(yùn)行多年，證明方案可行。

1 風(fēng)電場(chǎng)主要設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 風(fēng)電場(chǎng)主接線示意圖

某風(fēng)電場(chǎng)的主接線型式如圖1所示。風(fēng)電場(chǎng)分二期建成，即1號(hào)主變、1號(hào)接地變、1號(hào)電容器組及A組、C組、E組為一期工程；2號(hào)主變、2號(hào)接地變、2號(hào)電容器組及B組、D組、F組為二期工程。 35 kV母聯(lián)35 M開關(guān)正常運(yùn)行均處于開斷狀態(tài)。 2臺(tái)主變型號(hào)均為SZ11-50000/110， 連接組別均為YNd11，35 kV側(cè)運(yùn)行電壓為37 kV。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)主接線圖Fig. 1 Main wiring diagram of the wind farm

1.2 風(fēng)電場(chǎng)35 kV側(cè)接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)

接地變接線示意圖如圖2所示。

圖2 Z型接地變接線示意圖Fig. 2 Wiring diagram of the Z-type grounding transformer

接地變的零序阻抗值設(shè)計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)小于電阻值，但實(shí)際情況應(yīng)具體分析。 此風(fēng)電場(chǎng)35 kV側(cè)接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)如表1所示。

表1 接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the grounding transformer and neutral point resistance

1.3 集電線路電容電流的計(jì)算

1.3.1 集電線路參數(shù)收集

集電線路接線示意圖如圖3所示。

根據(jù)集電線路示意圖，收集統(tǒng)計(jì)每組集電線路長(zhǎng)度及相應(yīng)電纜的截面，用于電容電流計(jì)算。

1.3.2 電容電流的計(jì)算

現(xiàn)在有許多配網(wǎng)線路電容電流的估算公式，但各估算公式均有其運(yùn)用的局限性[3-5]。 隨著科技進(jìn)步， 目前35 kV電力電纜的絕緣一般是用交聯(lián)聚乙烯或聚氯乙烯材料，絕緣性能好，介電常數(shù)小，而且現(xiàn)在的電力電纜內(nèi)部都有屏蔽層，至少有鋼鎧保護(hù)層，同時(shí)接有接地線，因此電纜敷設(shè)受土壤、環(huán)境等影響很小。 交聯(lián)聚乙烯材料也不斷升級(jí)，電力電纜生產(chǎn)廠家所提供的技術(shù)資料都有單位長(zhǎng)度的電感、電容等技術(shù)參數(shù)（ 如表2所示），同時(shí)隨著測(cè)量?jī)x器、儀表精度的提高，也可用直接測(cè)量線路空載電流來(lái)計(jì)算，可不必再使用“ 經(jīng)驗(yàn)公式”來(lái)計(jì)算電纜線路的電容電流。

圖3 集電線路接線示意圖Fig. 3 Wiring schematic of the power collecting line

表2 35 kV電纜電容參考值Tab. 2 Capacitor reference value of 35 kV cables

根據(jù)IC=ω×Ue×C×L×10－3可計(jì)算得出各組集電線的電容電容，如表3所示。

式中，Ic為接地電容電流，A； Ue為電網(wǎng)線電壓，V；C為電容值，μF/km；L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，km。

表3 集電線路電容電流計(jì)算表Tab. 3 Capacitive current calculation table of the power collecting line

表3中總電容電流考慮在集電線路總電容電流的基礎(chǔ)上增加13%。 各集電線路電容電流實(shí)測(cè)值與計(jì)算值接近，誤差可忽略。

2 集電線路保護(hù)整定分析

2.1 零序網(wǎng)絡(luò)分析

當(dāng)某組集電線路發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí)，其接線示意圖如圖4所示， 簡(jiǎn)化零序網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖5所示，零序網(wǎng)絡(luò)相量圖如圖6所示。 圖6中，因正序和負(fù)序阻抗遠(yuǎn)小于零序阻抗， 忽略了正序和負(fù)序阻抗，IJD為流過(guò)故障集電線路保護(hù)裝置的零序電流，IC.∑為非故障集電線路的綜合電容電流，IN為故障時(shí)流過(guò)中性點(diǎn)接地電阻的額定電流，IR為中性點(diǎn)額定電流的電阻分量，IX0為中性點(diǎn)額定電流的電感分量。

圖4 接線示意圖Fig. 4 Wiring schematic diagram

圖5 簡(jiǎn)化的零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig. 5 Simplified zero sequence network diagram

圖6 零序圖絡(luò)相量圖Fig. 6 The phasor diagram of zero sequence network

2.2 故障時(shí)中性點(diǎn)接地電阻的零序電流

故障時(shí)流過(guò)接地變中性點(diǎn)接地電阻器RN的零序電流IN，如式（ 1）所示。

式中，Up為電網(wǎng)相電壓，V；RN為中性點(diǎn)接地電阻，Ω；X0為接地變零序阻抗，Ω。 當(dāng)集電線路發(fā)生單相金屬性故障時(shí)，根據(jù)式（ 1）計(jì)算兩期風(fēng)電場(chǎng)接地變的額定電流，分別為：IN1，IN2。

2.3 故障集電線路保護(hù)裝置最小零序電流

如圖6所示， 流過(guò)故障集電線路保護(hù)裝置的零序電流IJD等于流過(guò)接地變中性點(diǎn)電流IN與母線上非故障線路單相金屬性接地電容電流IC的向量和。 因非故障線路單相金屬性接地綜合電容電流IC將隨著集電線路的投退而變化，流過(guò)故障線路的零序電流的最小值將發(fā)生在接地變中性點(diǎn)電流的電感電流與集電線路的綜合電容電流最為接近的運(yùn)行方式（ IC.JJ為此方式下的電容電流）下。

當(dāng)集電線路發(fā)生單相金屬性故障時(shí)，根據(jù)式（ 2）計(jì)算兩期風(fēng)電場(chǎng)流過(guò)故障集電線路的最小零序電流：IJD.min1，IJD.min2。 經(jīng)分析，IJD.min1發(fā)生條件為A組或E組集電線路故障，且僅C組集電線路（ 其電容電流為IC.C） 無(wú)故障運(yùn)行時(shí)；IJD.min2發(fā)生條件為B組或F組集電線路故障，且僅D組集電線路（ 其電容電流為IC.D）無(wú)故障運(yùn)行時(shí)；

計(jì)算分析表明， 當(dāng)感性電流與容性電流相等時(shí)，流過(guò)故障集電線路保護(hù)裝置的最小零序電流等于流過(guò)接地變中性點(diǎn)額定電流的電阻分量。 即校驗(yàn)集電線路零序電流保護(hù)靈敏度可以直接用此值進(jìn)行校核。

2.4 集電線零序電流保護(hù)整定分析

零序電流保護(hù)應(yīng)對(duì)本線路單相接地故障有不小于2的靈敏度（ 即靈敏性），并可靠躲過(guò)本線路的電容電流（ 即選擇性）[6]。 繼電保護(hù)裝置的零序電流整定必須同時(shí)滿足靈敏性及選擇性，即應(yīng)同時(shí)滿足式（ 3）、（ 4），才能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)一期，根據(jù)式（ 3）、（ 4）計(jì)算如下：

因此，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)一期工程，集電線路的零序電流整定9.65 A至35 A之間。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)二期，根據(jù)式（ 3）、（ 4）計(jì)算如下：

IDZ.2≥1.5IC.max.2=1.5×43.88=65.8（ A）

因此，對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)二期工程，集電線路的零序電流整定無(wú)法同時(shí)滿足選擇性與靈敏性的要求。 主要原因?yàn)橹行渣c(diǎn)接地電阻器阻值偏大，導(dǎo)致接地故障電流偏小所致。

3 改造方案

3.1 方案一

方案一：直接調(diào)整二期工程接地變接地電阻阻值，以使集電線路單相金屬性接地故障時(shí)有足夠的零序電流流過(guò)集電線路保護(hù)裝置，保證保護(hù)的動(dòng)作靈敏性。

3.1.1 中性點(diǎn)電阻器阻值的選取

計(jì)算表明，當(dāng)IN≥3IC時(shí)，接地保護(hù)有選擇性和靈敏性，并限制暫態(tài)過(guò)電壓在2.5倍相電壓以下（ 且限制過(guò)電壓的變化也不大）。電阻器的阻值ZN按下式選

取[7-9]：

同時(shí)滿足

在風(fēng)電場(chǎng)二期中，35 kV系統(tǒng)總的電容電流為134 A，依式（ 5），

中性點(diǎn)電阻器的阻值選取范圍為53～80 Ω。 本期選取接地電阻為66 Ω，對(duì)應(yīng)流過(guò)接地變中性點(diǎn)的接地電流為322 A。

3.1.2 接地變?nèi)萘啃：?/p>

用于低電阻接地系統(tǒng)的接地變壓器， 通常按30 s以內(nèi)承受的最大故障電流來(lái)選取。 接地變壓器的額定容量的計(jì)算公式[6]：

式中，Se.r為接地變壓器的額定容量，kV·A；Sd.r為接地變壓器的短時(shí)容量，kV·A；UL為線電壓，kV；Ijd為單相接地故障電流，A；K為換算系數(shù)。 根據(jù)IEEEC62.92.3標(biāo)準(zhǔn)，K值系數(shù)如表4所示。

表4 K值系數(shù)Tab. 4 The value of coefficient K

按式（ 7）計(jì)算二期接電變額定容量為：

二期接地變的額定容量為150 kV·A，不滿足要求。 因此，不采用方案一。

3.2 方案二

方案二：風(fēng)電場(chǎng)一期的接地電容電流較小，但配了一個(gè)容量很大的接地變，不合理。 因此考慮將原二期的接地變及接地電阻用于一期，而將一期的接地變用于二期，同時(shí)將原一期的接地電阻改造為66 Ω。

兩期風(fēng)電場(chǎng)的接地變均位于同一配電室，相向布置。 接地變體積較大，移動(dòng)不便，因此一次接線的改造，只需將接地變的一次接線對(duì)調(diào)即可。 而原一期接地電阻的改造，只需將片狀接地電阻拆去幾片或者用銅線短接部分電阻， 使改造后的電阻值為66 Ω即可。

改造后接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)如表5所示。

3.2.1 接地變?nèi)萘啃：?/p>

3.2.1.1 風(fēng)電場(chǎng)一期接地變?nèi)萘啃：?/p>

風(fēng)電場(chǎng)一期35 kV系統(tǒng)總的電容電流為18 A，因此接地變的接地電流可以考慮取

表5 改造后接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)Tab. 5 Main parameters of grounding transformer and neutral point resistance after the transformation

由式（ 7）進(jìn)行校核如下。

一期接地變的額定容量為150 kV·A，滿足要求。

3.2.1.2 風(fēng)電場(chǎng)二期接地變?nèi)萘啃：?/p>

按式（ 7）計(jì)算二期接電變額定容量要求為：

對(duì)換后接地變?nèi)萘繛?50 kV·A，滿足要求。

3.2.2 繼電保護(hù)靈敏度及選擇性校核

根據(jù)式（ 1），改造后接地變的額定電流為

據(jù)式（ 2）計(jì)算發(fā)生單相金屬性接地故障后，流過(guò)集電線路的最小零序電流。

依式（ 3）、（ 4）進(jìn)行校核如下：

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)一期：

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)二期：

由此可見經(jīng)方案二改造以后，當(dāng)集電線路發(fā)生單相金屬性故障后風(fēng)電場(chǎng)兩期的零序動(dòng)作電流均能滿足靈敏性與選擇性的要求。

3.2.3 瞬態(tài)電壓電流及通信校核

對(duì)于6～35 kV的以電纜為主的配電線路， 因電容電流大，采用低電阻接地時(shí)，除應(yīng)考慮供電可靠性要求及繼電保護(hù)技術(shù)要求外， 還應(yīng)考慮瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對(duì)設(shè)備的影響以及對(duì)通信的影響[8]。

改造后，滿足IN＞IC，即均能將非接地相電壓倍數(shù)限制在2.5倍相電壓以下。 滿足瞬態(tài)電壓要求。

由于正序等值阻抗加負(fù)序等值阻抗比零序等值阻抗小很多，其三相短路電流要比單相接地故障電流要大很多。 單相接地電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)三相短路電流。 因此改造后滿足瞬態(tài)電流要求。

最大單相接地故障電流一般認(rèn)為控制在2 000～1 000 A或以下時(shí)，對(duì)通信線路的干擾不會(huì)超過(guò)允許范圍。 因此改造后滿足通信要求。

4 結(jié)論

本文結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)實(shí)例，分析了風(fēng)電場(chǎng)電容電流計(jì)算、零序網(wǎng)絡(luò)、接地變及其接地電阻的選取方法，并強(qiáng)調(diào)了集電線路繼電保護(hù)對(duì)零序電流要求的重要性。 此風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)用本文所提方案改造了接地變及其接地電阻， 并優(yōu)化了35 kV相關(guān)設(shè)備保護(hù)定值后，已安全穩(wěn)定運(yùn)行多年。 后續(xù)結(jié)合其他風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期間故障錄波波形的輔助分析也驗(yàn)證本文所提方案可行。

[1] 曹小玲， 蔣多暉. 中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 華東電力， 2013， 41（ 11）： 2205-2206.CAO Xiaoling， JIANG Duohui. Application of neutral point after the low resistance mode in power network[J].East China EIectric Power， 2013， 41（ 11）： 2305-2306（ in Chinese）.

[2] 鄭晶晶， 楊勇， 邢延?xùn)|， 等. 風(fēng)電場(chǎng)35 kV系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及穩(wěn)定運(yùn)行技術(shù)探討[J]. 電網(wǎng)與清潔能源， 2013， 29（ 5）: 93-96.ZHENG Jingjing， YANG Yong， XING Yandong， et al.Technical discussions on the optimized design and stable operation of the 35 kV for wind farms[J]. Power System and Clean Energy， 2013， 29（ 5）: 93-96（ in Chinese）.

[3] 孫巖洲， 邱毓昌. 配電網(wǎng)電容電流的測(cè)量方法分析[J].高壓電器， 2002， 38（ 5）: 27-28.SUN Yanzhou， QIU Yuchang. Measurement of capactive current in power distribution network[J]. High Voltage Apparatus， 2002， 38（ 5）: 27-28（ in Chinese）.

[4] 張鎖魁. 無(wú)功補(bǔ)償對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定和功率損耗的影響分析[J]. 電力電容器與無(wú)功補(bǔ)償，2014（ 5）: 21-24.ZHANG Suokui. Influence analysis of reactive power compensation on voltage stability andpower loss of wind power system[J]. 2014（ 5）: 21-24（ in Chinese）.

[5] 張科峻， 張文平， 姚毅. 10～35 kV不接地系統(tǒng)電容電流測(cè)試方法研究[J]. 電氣自動(dòng)化， 2014， 36（ 2）： 63-65.ZHANG Kejun， ZHANG Wenping， YAO Yi. A discussion on the method for testing the capacitive current of the 10～35 kV ungrounded system[J]. Electrical Automation， 2014，36（ 2）： 63-65（ in Chinese）.

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì). DL/T584-2007 3～110 kV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程[S]. 北京: 中國(guó)電力出版社， 2007.

[7] 李潤(rùn)先. 中壓電網(wǎng)系統(tǒng)接地實(shí)用技術(shù)[M]. 北京： 中國(guó)電力出版社， 2001.

[8] 蘇繼鋒. 配電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制， 2003， 41（ 8）: 141-148.SU Jifeng. Research of neutral grounding modes in power distribution network[J]. Power System Protection and Control， 2003， 41（ 8）: 141-148（ in Chinese）.

[9] 中華人民共和國(guó)電力工業(yè)部. 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.