新能源發(fā)電小電流接地系統(tǒng)的接地保護(hù)改進(jìn)

俞立凡，程 途

(1.杭州華電下沙熱電有限公司，浙江 杭州 310018；2.江蘇華電戚墅堰發(fā)電有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

近幾年來(lái)，全國(guó)的霧霾天氣日漸增多，引發(fā)了國(guó)家對(duì)可再生能源的重視，風(fēng)電、光伏發(fā)電得到了快速發(fā)展，特別是受光伏組件成本的降低及國(guó)家扶持政策的影響，光伏電站取得了快速發(fā)展。

其中，中型的風(fēng)力、光伏電站一般采用10—35 kV小電流接地系統(tǒng)并網(wǎng)。按照電力系統(tǒng)的常規(guī)做法，此系統(tǒng)發(fā)生單相接地后，一般允許繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，以保證用戶的供電連續(xù)性。但由于新能源電站受外界發(fā)電條件制約較多，電網(wǎng)對(duì)新能源電站的依賴性不強(qiáng)，所以在接地故障發(fā)生后，保護(hù)是按常規(guī)繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，還是投跳閘，意見(jiàn)不統(tǒng)一。因此需要通過(guò)分析，找出合理的方案。

1 10 kV系統(tǒng)接地的危害

眾所周知，在10 kV小電流接地系統(tǒng)中，如發(fā)生單相金屬性接地時(shí)，接地相的對(duì)地電壓降到0；非接地相的對(duì)地電壓升高為線電壓，PT三角開(kāi)口電壓達(dá)到零序電壓繼電器動(dòng)作條件，發(fā)出接地信號(hào)。因三相的線電壓仍保持對(duì)稱，所以三相線電流保持不變，不影響對(duì)電網(wǎng)的供電。

若線路經(jīng)過(guò)高電阻或弧光接地時(shí)，中性點(diǎn)電位偏移，此時(shí)相電壓表現(xiàn)為一相降低，但不為0；另外兩相升高，大于相電壓額定值，但達(dá)不到線電壓額定值；PT三角開(kāi)口電壓大于整定值，零序電壓繼電器動(dòng)作，發(fā)接地信號(hào)。因其三相線電壓也保持對(duì)稱，故接地線路一般仍可以繼續(xù)保持運(yùn)行1—2 h。

某光伏電站曾因單相電纜絕緣損壞接地，造成本身電纜燒損，相鄰2根電纜都受到電弧高溫灼傷，外護(hù)層均出現(xiàn)大面積的碳化(見(jiàn)圖1)。

圖1 電纜燒損情況

保護(hù)裝置信號(hào)記錄如下：

16：36：30，總告警動(dòng)作；

16：36：30，零序三段告警動(dòng)作；

16：44：30，過(guò)頻一段動(dòng)作發(fā)生；

16：44：30，TWJ動(dòng)作。

可見(jiàn)，接地電弧燃燒的時(shí)間并不長(zhǎng)。

理論上，接地故障時(shí)過(guò)頻保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，接地電弧將一直燒到兩相短路，直到過(guò)流保護(hù)或速斷保護(hù)動(dòng)作為止。但實(shí)際上，由于發(fā)生了接地電弧，不穩(wěn)定的間歇性電弧多次不斷地熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會(huì)引起高頻振蕩過(guò)電壓，最終工頻疊加電弧放電的頻率，觸發(fā)過(guò)頻保護(hù)動(dòng)作跳閘，但它具有一定的偶然性。

從接地發(fā)信到跳閘僅僅8 min，電弧就將電纜燒成這種狀態(tài)的原因是：絕緣損壞是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，在接地保護(hù)發(fā)信之前，電弧可能已經(jīng)慢慢出現(xiàn)，實(shí)際弧光出現(xiàn)的時(shí)間可能比8 min要長(zhǎng)。

通過(guò)保護(hù)裝置自帶的錄波功能查看可知，此次故障相電流達(dá)到16.8 A，非故障相電流為6 A(二次 值Ia=Ic=0.1 A，Ib=0.28 A，CT 變 比 300∶5)；故障相電壓2 kV，非故障相電壓11 kV。

雖然10 kV線路單相接地時(shí)允許繼續(xù)向電網(wǎng)供電，但這時(shí)非故障相電壓會(huì)升高，很可能擊穿其他絕緣薄弱點(diǎn)，從而引起電纜兩相接地短路故障，對(duì)電網(wǎng)、設(shè)備造成更大損壞。因此，需要在較短的時(shí)間內(nèi)消除接地故障。

2 新能源電站接地保護(hù)跳閘的必要性

根據(jù)光伏電站的設(shè)計(jì)規(guī)范，光伏發(fā)電控制方式宜按無(wú)人值班或少人值守的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。所以，光伏電站一般白天有人值班，晚上因?yàn)闆](méi)有太陽(yáng)不能發(fā)電，不安排值班人員；或者采用遠(yuǎn)傳監(jiān)控方式，多個(gè)電站集中監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)不安排值班人員。因此，若發(fā)生接地故障，現(xiàn)場(chǎng)的間歇性電弧是很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)的，而電弧對(duì)設(shè)備、周圍房屋是一個(gè)重大火災(zāi)隱患；且在發(fā)生單相接地時(shí)，若不能可靠熄弧，易發(fā)展成為相間短路，危害更大。

另外，《西北區(qū)域光伏電站并網(wǎng)管理暫行規(guī)定》已經(jīng)明確要求：光伏電站10—35 kV饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，須可靠、快速切除故障。

所以，考慮到新能源電站的無(wú)人或少人值班現(xiàn)狀，當(dāng)10 kV系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)，應(yīng)讓繼電保護(hù)自動(dòng)切除接地線路，待運(yùn)檢人員到現(xiàn)場(chǎng)后再檢查或恢復(fù)運(yùn)行等。而且，考慮到新能源電站的供電可靠性有別于常規(guī)電廠，從保護(hù)設(shè)備的原則出發(fā)，發(fā)生接地故障后也應(yīng)可靠、快速切除故障。就算采用遠(yuǎn)傳監(jiān)控的光伏電站，在發(fā)生接地故障后，也需要在2 h內(nèi)查出故障線路，然后作停役處理。因?yàn)榭咳藶榭焖倥袛唷⑶袛喙收暇€路有一定難度，故應(yīng)考慮采用自動(dòng)方式可靠、快速切除故障。

最后，對(duì)于不能在8 h內(nèi)切除接地故障的新能源電站，其電纜選型需提升標(biāo)準(zhǔn)，增加設(shè)備投資費(fèi)用。特別是采用遠(yuǎn)傳監(jiān)控的，很可能要大于8 h后才能派人去現(xiàn)場(chǎng)處理。例如：寧波杭州灣1個(gè)10 MW的屋頂光伏電站和湖州南洵1個(gè)15 MW的屋頂光伏電站，都是杭州華電下沙熱電有限公司通過(guò)遠(yuǎn)傳監(jiān)控的；若有異常情況，需要第2天才能派員到現(xiàn)場(chǎng)處理。

因此，當(dāng)新能源電站10 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，可靠、快速切除故障成為必要。

3 可靠的接地保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式

在中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路零序電流的大小等于本線路的接地電容電流，故障線路零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。通常故障線路的零序電流比非故障線路零序電流大，這樣由于每個(gè)回路的電纜長(zhǎng)度不同、電纜截面不同，每個(gè)回路的對(duì)地電容電流也不同。因此，單靠零序電流保護(hù)，會(huì)造成開(kāi)關(guān)誤動(dòng)，故需要增加方向閉鎖。即：在中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地故障時(shí)，非故障線路的零序電流超前零序電壓90°，故障線路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流相位相差180°。根據(jù)這一原則，可以利用零序方向元件區(qū)分出接地故障線路。因此，保護(hù)測(cè)控裝置單相接地選線的判斷條件為

(1) 零序電流(3I0)大于設(shè)定值；

(2) 零序電壓(3U0)大于設(shè)定值；

(3) 零序功率方向滿足。

滿足上述條件且經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間，接地保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)相應(yīng)回路。

當(dāng)然，對(duì)于沒(méi)有方向判斷的保護(hù)，也可考慮利用小電流選線裝置的接地選線功能加零序電流來(lái)組合。即：?jiǎn)蜗嘟拥剡x線的判斷條件為

(1) 零序電流(3I0)大于設(shè)定值；

(2) 零序電壓(3U0)大于設(shè)定值；

(3) 接地選線條件滿足。

滿足上述條件且經(jīng)過(guò)設(shè)定時(shí)間，接地保護(hù)動(dòng)作，跳開(kāi)相應(yīng)回路。但這僅僅是理論上的，具體應(yīng)用還需要優(yōu)化。采用零序方向保護(hù)方式可以滿足電網(wǎng)要求，提高新能源電站的運(yùn)行安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

新能源電站有別與常規(guī)電廠，10 kV系統(tǒng)接地故障發(fā)生后，接地保護(hù)應(yīng)可靠、快速切除故障。采用零序方向保護(hù)或零序加接地選線保護(hù)等，是較為合理的，對(duì)設(shè)備也是安全可靠的，特別適合無(wú)人值守的新能源電站。