光伏發(fā)電站配電系統(tǒng)與繼電保護(hù)研究

國(guó)能清遠(yuǎn)清潔能源有限公司 肖俊杰

最近數(shù)年來(lái)，我國(guó)科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)條件逐步改善，工業(yè)生產(chǎn)與居民日常生活對(duì)電能的需求逐步提升，電力系統(tǒng)因而得到更為廣泛的重視與應(yīng)用。隨著諸多大型光伏電站的建成與投入使用，光伏電站在電力系統(tǒng)中的地位日益提升，在設(shè)計(jì)規(guī)劃光伏發(fā)電站配電系統(tǒng)時(shí)需綜合考慮多種因素，本文以某光伏發(fā)電站為例，探討了該站配電線路的設(shè)計(jì)方案與繼電保護(hù)措施。

發(fā)電站周邊自然條件為：亞熱帶季風(fēng)性氣候，夏季炎熱、冬季相對(duì)寒冷，全年高溫區(qū)段集中在夏季8月份；夏季降水豐富，每年雷暴日總數(shù)約30天，冬季上凍，土壤凍結(jié)深度約1m，砂質(zhì)黏土居多。當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源豐富，全年日照時(shí)長(zhǎng)月2550～3500小時(shí)，年輻射量超5400MJ/M2.a，日照百分率處在60%～80%之間，為光伏電站提供了良好的環(huán)境。

發(fā)電站結(jié)構(gòu)布局：該光伏發(fā)電站占地較大，被劃分為多個(gè)區(qū)域，還配備一座污水提升站；發(fā)電站配電系統(tǒng)負(fù)荷情況：該光伏發(fā)電站的所有區(qū)域都需消耗電能，且絕大部分用電設(shè)備都屬于二類(lèi)負(fù)荷，年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)為6000h，每個(gè)區(qū)域有380V負(fù)荷。

1 繼電保護(hù)系統(tǒng)綜述

線路過(guò)電流保護(hù)。指的是當(dāng)電力線路中通過(guò)的電流超出預(yù)先規(guī)定的最大值時(shí)，發(fā)動(dòng)保護(hù)裝置進(jìn)行處理的方式；定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作原理。定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)指的是供電系統(tǒng)被保護(hù)線路短路時(shí)，能夠作出反應(yīng)并用動(dòng)作時(shí)間保證選擇性的保護(hù)方式。反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)中，短路電流大小與反應(yīng)時(shí)間成反比。

電流速斷保護(hù)。為彌補(bǔ)定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)中的缺陷，確保動(dòng)作選擇性，可適當(dāng)提高電流整定值，縮短動(dòng)作時(shí)限，此類(lèi)方法稱為電流速斷保護(hù)，其中的無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)存在保護(hù)死區(qū)，因此不可單獨(dú)使用，否則可能出現(xiàn)安全事故。而在無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)有效范圍外增添定時(shí)限電流速斷保護(hù)裝置，則能夠解決該部分的短路故障，完善保護(hù)系統(tǒng)。因此無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)常用于小電流接地系統(tǒng)中，并與定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)配合使用。

電網(wǎng)的距離保護(hù)。電網(wǎng)的距離保護(hù)指用阻抗構(gòu)成的繼電保護(hù)系統(tǒng)，能精準(zhǔn)反映故障位置和保護(hù)裝置安裝處的距離，并根據(jù)該距離調(diào)整動(dòng)作時(shí)間。若配電系統(tǒng)短路處距離裝置較近、動(dòng)作時(shí)間較短；若短路處距離裝置距離較大、動(dòng)作時(shí)間則較長(zhǎng)，因此系統(tǒng)能夠選擇性處理故障線路。距離保護(hù)的最大優(yōu)點(diǎn)是受到保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行方式較小，能保持穩(wěn)定性能。

電力變壓器保護(hù)。若電路中出現(xiàn)異常，導(dǎo)致變壓器各項(xiàng)物理參數(shù)過(guò)高或過(guò)低，都容易使其發(fā)生故障、降低電力傳動(dòng)效率，影響整個(gè)發(fā)電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還可能帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失。因此，必須為電力變壓器添加繼電保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其功率、電壓、電流等的高低變化，實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)，確保變壓器能夠安全平穩(wěn)運(yùn)行，為廠房穩(wěn)定供電。

過(guò)電流保護(hù)。設(shè)計(jì)變壓器的繼電保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，還需考慮對(duì)大電流的防范，并在高壓端與低壓端放置斷路器，當(dāng)檢測(cè)到變壓器兩段電流過(guò)大時(shí)，立刻切斷電路連接，縮小故障范圍。當(dāng)出現(xiàn)異常跳閘時(shí)，過(guò)電流保護(hù)裝置還可當(dāng)成總線使用，以保護(hù)低壓側(cè)。但需注意的是，若變壓器短路，容易出現(xiàn)阻抗保護(hù)與延時(shí)過(guò)高現(xiàn)象，因此設(shè)計(jì)保護(hù)系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)所用變壓器的熱穩(wěn)定性設(shè)定裝置參數(shù)。

過(guò)負(fù)荷保護(hù)。過(guò)負(fù)荷保護(hù)指的是將保護(hù)裝置接在某一相電路中，當(dāng)被保護(hù)元器件超過(guò)規(guī)定負(fù)荷，自動(dòng)斷開(kāi)回路，從而保護(hù)元件。一般延時(shí)動(dòng)作于信號(hào)，或延時(shí)跳閘、自動(dòng)延時(shí)減少電路負(fù)荷。絕大多數(shù)情況下變壓器過(guò)負(fù)荷為三相對(duì)稱，因此只需對(duì)其中一相進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)即可。

零序電流保護(hù)。指的是在變壓器線路上安裝零序電流互感器，低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地，利用接地系統(tǒng)產(chǎn)生的較大零序電流保護(hù)電路。若光伏發(fā)電站配電系統(tǒng)中包含多臺(tái)變壓器并列運(yùn)行，則只能有部分變壓器的低壓側(cè)中性點(diǎn)接地。

安全用電。由于光伏發(fā)電站中包含大量易燃物品與精密儀器設(shè)備，靜電也可能造成危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在光伏發(fā)電站發(fā)生的觸電事件中，低壓觸電事故數(shù)量較多，且在雷雨季節(jié)發(fā)生頻率較高。為避免工作人員隨意靠近配電系統(tǒng)，應(yīng)在重要電路裝置和電纜旁邊安裝欄桿、警示牌等，讓全體職員及附近社會(huì)人士遠(yuǎn)離配電系統(tǒng)；所有高壓帶電體都要妥善保護(hù)、嚴(yán)禁裸露安裝，且必須在旁邊設(shè)置清晰的警示牌，警醒職員。

防雷保護(hù)。防雷保護(hù)系統(tǒng)一般由三種裝置構(gòu)成，第一是接閃器，能夠吸收雷云放電；第二是連通裝置，即引下線，需具有較強(qiáng)的物理性能，耐腐蝕性強(qiáng)、在高溫下保持穩(wěn)定；第三則是接地裝置，能夠?qū)⒗纂娏骶鶆虻匾氪蟮亍?/p>

2 電氣設(shè)備選擇與繼電保護(hù)

2.1 設(shè)備選擇依據(jù)

選擇配電系統(tǒng)的電氣設(shè)備時(shí)，需根據(jù)實(shí)際使用需求和使用環(huán)境挑選對(duì)應(yīng)型號(hào)的設(shè)備，并按照使用環(huán)境中的最大短路電流依次對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.2 總降壓變電所設(shè)備選擇

總降壓變電所一、二次側(cè)設(shè)備主要包括高壓斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)、電壓互感器與電流互感器等，其中一次側(cè)在戶外，二次側(cè)在戶內(nèi)。因此，高壓斷路器可選用SW2-35/1000型戶外少油斷路器；高壓隔離開(kāi)關(guān)可選取GW2-35/600型戶外高壓隔離開(kāi)關(guān)；電壓互感器使用SN10-10I/630-300型電壓互感器；電流互感器選擇LQZQD-35型戶外獨(dú)立式電流互感器；二次測(cè)設(shè)備的高壓斷路器可選用SN10-10/630-300型戶內(nèi)少油斷路器；高壓隔離開(kāi)關(guān)可選用GN1-10/200型戶內(nèi)高壓隔離開(kāi)關(guān)；電壓互感器可用JDF-10型電壓互感器；電流互感器可用LAJ-10型電流互感器。

2.3 其他選擇及繼電保護(hù)

車(chē)間線路設(shè)備選擇?？蛇x用SN10-10II 型戶內(nèi)少油斷路器；GN1-10/400型戶內(nèi)高壓隔離開(kāi)關(guān)；JDF-10型電壓互感器與LQZQ-10型電流互感器；母線選擇。總降壓變電所35kV 側(cè)母線可選用LMY-63×6.3型矩形硬鋁母線，10kV 側(cè)母線同上；避雷器選擇。選擇避雷器時(shí)，須確保避雷器額定電壓與安裝處的系統(tǒng)電壓一致，避雷器滅弧電壓大于網(wǎng)絡(luò)電壓的1.1倍，工頻放電電壓不小于系統(tǒng)最大相電壓的3.5倍，最后，避雷器需與電器絕緣配合。因此，可在35kV 進(jìn)線處選取FZ-35型號(hào)避雷器，在10kV 選擇FZ-10型號(hào)避雷器。

高壓線路到變電所二次側(cè)的繼電保護(hù)。本光伏發(fā)電站變電所可使用定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，采用DL型繼電器，接線系數(shù)設(shè)置為1；過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作整定時(shí)間設(shè)置為15s；總降壓變電所電力變壓器繼電保護(hù)。總降壓變電所可采用定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，同樣選用DL 型繼電器，并將接線系數(shù)設(shè)置為1；負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間整定為15s。

3 外部保護(hù)與接地設(shè)計(jì)

防雷設(shè)計(jì)。本發(fā)電站變電所的總面積為50m×80m，考慮到反擊問(wèn)題，選擇在距離變電所6m 處布置四根等高的避雷針，其中每?jī)筛噜彵芾揍樀拈g距分別為80m 與60m，對(duì)位避雷針間距為100m。假設(shè)變電所平均高度為16m，經(jīng)計(jì)算得知當(dāng)避雷針高度為28.5m 時(shí)，能夠?qū)⑺袇^(qū)域納入保護(hù)區(qū)內(nèi)。

接地保護(hù)設(shè)計(jì)。本次接地保護(hù)設(shè)計(jì)要求接地電阻小于等于10歐姆，根據(jù)本光伏發(fā)電站周?chē)临|(zhì)，可視作其電阻為1000歐姆，可使用φ50mm 的長(zhǎng)2.5m 鋼管共計(jì)50根構(gòu)建接地體，鋼管間距為6mm。經(jīng)計(jì)算得知該設(shè)計(jì)能夠滿足上述要求。

綜上，經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展使得電力系統(tǒng)復(fù)雜程度逐步提升，本文明確指出了本課題研究背景與價(jià)值。通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電站配電系統(tǒng)供電系統(tǒng)的詳細(xì)描述，針對(duì)光伏發(fā)電站配電系統(tǒng)保護(hù)線路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，挑選適宜的裝置，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)環(huán)境給出外部防雷措施、接地保護(hù)方案等。