增強新能源集電線零序保護動作可靠性的探索與研究

劉 杰，王志軍，何志豪，童 剛

（華潤電力（宜昌）有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

隨著新能源裝機容量不斷增長，集電線的長度以及回路數(shù)量也不斷增加，集電線成為了新能源重要電力輸送設(shè)備[1]。由于新能源集電線地處山區(qū)，運行環(huán)境較為惡劣，雷電、鳥害、樹障等因素極易導(dǎo)致架空線路發(fā)生故障跳閘，于是越來越多的新能源場站集電線采用電力電纜，而電力電纜線路存在著較大的對地電容電流以及間歇性弧光過電壓[2]。國家電網(wǎng)有限公司關(guān)于印發(fā)《風(fēng)電并網(wǎng)運行反事故措施要點》的通知（國家電網(wǎng)調(diào)〔2011〕974號）要求，風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)單相接地故障應(yīng)快速切除。匯集線系統(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[3]。經(jīng)電阻接地的集電線系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，應(yīng)能通過相應(yīng)保護快速動作切除，但目前普遍存在集電線零序定值整定問題，引發(fā)繼電保護誤動、越級跳閘事件。

1 案例分析及治理

1.1 某風(fēng)場電氣主接線方式

某風(fēng)場電氣主接線圖如圖1所示。其通過一回110 kV架空線路送入對側(cè)110 kV變電站，3條35 kV集電線匯集到35 kV母線上，#1主變高壓側(cè)中性點直接接地，35 kV側(cè)通過接地變及電阻接地。

圖1 某風(fēng)場電氣主接線圖

1.2 主要參數(shù)及集電線電容電流計算

圖1中升壓站內(nèi)主變壓器為Y-△接線方式，35 kV低壓側(cè)為不接地系統(tǒng)。接地成套裝置為不接地系統(tǒng)提供人為的中性接地點，為單相接地故障電流提供接地回路。接地成套裝置主要參數(shù)如表1所示。

表1 接地變參數(shù)統(tǒng)計表

風(fēng)電場#1、#2、#3集電線均為35 kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜，依據(jù)《電力工程電氣設(shè)計手冊電氣一次部分》電纜電容估算經(jīng)驗方法進行計算，結(jié)果如表2所示。電纜電容計算公式為

表2 集電線參數(shù)統(tǒng)計表

式中：U為電纜線電壓，kV；L為電纜長度，km。

1.3 案例分析

2019年3月20日02時46分，某風(fēng)場中控后臺報：35 kV#1集電線報零序Ⅰ段動作，動作電流為3I0=0.504A（設(shè)定值為0.12 A、0.5 s零序電流互感器變比300/1），35 kV#1集電線開關(guān)跳閘；35 kV#2集電線報零序Ⅰ段動作，動作電流為3I0=0.153A（設(shè)定值為0.12 A、0.5 s零序電流互感器變比300/1），35 kV機2線302開關(guān)跳閘?，F(xiàn)場檢查：35 kV#2集電線路線對地絕緣，A相對地絕緣40 MΩ、B相對地40 MΩ、C相對地40 MΩ；35 kV#1集電線路線對地絕緣，A相對地絕緣0 MΩ、B相對地0 MΩ、C相對地0 MΩ（箱變高壓側(cè)負(fù)荷開關(guān)未分開）。經(jīng)過現(xiàn)場檢查分析發(fā)現(xiàn)，#2集電線路送電成功，#1集電線路電纜中間頭發(fā)生故障擊穿。故障波形如圖2、3所示。

圖2 #1集電線路動作波形圖

圖3 #2集電線路動作波形圖

結(jié)合圖2、圖3故障波形進行分析，圖中的錄波采樣的電流含有較大負(fù)荷分量，不易直接觀察出突變量。

#1、#2集電線路動作波形圖如圖4所示。

圖4 #1、#2集電線路動作向量圖

結(jié)合圖4中#1、#2集電線路動作向量進行分析，#1集電線發(fā)生故障瞬間，電流量角差已失去平衡且存在突變量，#2集電線保護動作前，三相電流仍基本對稱，除零序分量外無明顯突變量。初步判斷#1集電線路內(nèi)部發(fā)生單相接地故障，#2集電線路內(nèi)部無故障，應(yīng)屬于保護誤動跳閘。對#2集電線零序電流互感器進行通流試驗及保護裝置校驗、傳動試驗，保護采樣精度滿足要求，裝置正確動作，二次回路檢查、傳動試驗也均合格，排除保護設(shè)備、裝置、回路故障可能性[4]。

檢查保護定值整定情況，由于35 kV系統(tǒng)中性點為非直接接地系統(tǒng)，出現(xiàn)單相接地故障時，35 kV全母線會出線零序電壓，非故障線路上有電容電流，保護安裝處的零序電流數(shù)值等于該線路本身的容性電流。故障線路的保護安裝處零序電流為非故障線路零序電流與中性點電流之和，當(dāng)集電線零序保護不帶方向時，該線路的零序電流保護定值應(yīng)躲過該線路容性電流。零序電流分布如圖5所示。

圖5 零序電流分布

例如：#2集電線路電纜的容性電流3Ic數(shù)值為48.3 A，#2集電線路零序過流保護定值I數(shù)值為45.9 A，電纜的容性電流大于零序過流保護定值，因此不滿足相應(yīng)的整定計算要求，造成#2集電線路零序過流保護保護誤動跳閘；而#3集電線路電纜的容性電流3Ic數(shù)值為34.3 A，#3集電線路零序過流保護定值I數(shù)值為36 A，電纜的容性電流小于零序過流保護定值，因此零序保護不誤動。本次#1集電線路發(fā)生單相接地故障時，#1集電線路零序保護動作跳閘，#2集電線路由于零序保護定值整定計算只從單方面考慮集電線零序保護動作靈敏度，未考慮區(qū)外故障自身的容性電流，造成保護誤動跳閘，這也是目前風(fēng)電場集電線零序整定較為突出、常見的問題。

2 增強可靠性措施

為增強35 kV系統(tǒng)零序保護的可靠性，防止保護誤動、拒動、越級跳閘情況出現(xiàn)，制定了以下技術(shù)整改舉措。

（1）接地變零序定值整定綜合考慮以下因素：可按照2～3倍靈敏度設(shè)定；躲過系統(tǒng)容性電流；與集電線、站變等饋線零序保護配合[5,6]。

（2）集電線零序保護整定綜合考慮以下因素：可按照3～4倍靈敏度整定；如#2集電線路躲過本線路最大容性電流為3I0=3Ic=48.3 A，可靠系數(shù)K取1.3，電流互感器變比為300∶1，來進行計算，計算公式如下[7]：

因此，#2集電線路零序保護電流二次側(cè)定值整定為0.2 A。

（3）為防止集電線單相接地引發(fā)接地變越級跳閘，接地變過流定值綜合考慮以下因素：躲過變壓器空載投入時的最大勵磁涌流；躲過外部接地故障流過接地變電流；兩相短路靈敏度。結(jié)合實際接地電流進行核對定值合理性。

3 結(jié) 論

新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展必將帶來一系列的電網(wǎng)技術(shù)問題，其中繼電保護的可靠性又尤為關(guān)鍵。如果零序保護整定不合適，易造成相應(yīng)的保護發(fā)生誤動、越級跳閘，尤其是早期及基建剛轉(zhuǎn)運營場站，在計算零序定值時，未考慮線路類型、長度、電容電流。目前，新能源正快速發(fā)展，文章結(jié)合日常保護動作真實案例進行解析，按照整定計算相關(guān)規(guī)程提出了新能源35 kV系統(tǒng)零序保護整定的原則及增強其可靠性的舉措。