應(yīng)對(duì)光伏電站單相接地故障的設(shè)備選擇與保護(hù)整定分析與探討

上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 劉愉

1 引言

并網(wǎng)型中大規(guī)模光伏電站通常采用多級(jí)匯流、集中并網(wǎng)的接線形式，發(fā)電單元多采用擴(kuò)大單元接線，通過(guò)多條集電線路匯集后，經(jīng)主變升壓并網(wǎng)。規(guī)?；墓夥娬揪哂姓嫉孛娣e較大、集電線路長(zhǎng)等特點(diǎn)，大規(guī)模集電線路帶來(lái)較大的單相接地故障電容電流，這種情況將產(chǎn)生較高的弧光過(guò)電壓，從而對(duì)電氣設(shè)備絕緣及安全運(yùn)行帶來(lái)威脅。

針對(duì)上述類(lèi)型的工程，選擇參數(shù)合理的接地設(shè)備、可靠的保護(hù)形式以及合理的保護(hù)定值，在單相接地故障發(fā)生時(shí)對(duì)電力設(shè)備的保護(hù)起到關(guān)鍵作用。本文結(jié)合實(shí)際工程，圍繞接地系統(tǒng)設(shè)備選擇、保護(hù)整定、CT參數(shù)選擇等環(huán)節(jié)展開(kāi)探討。

2 并網(wǎng)光伏電站中性點(diǎn)接地設(shè)備的選擇

2.1 光伏電站單相接地故障過(guò)電壓機(jī)理

在電力系統(tǒng)中，對(duì)各種類(lèi)型的短路故障，單相接地短路是最為普遍的故障形式[1]，據(jù)統(tǒng)計(jì)約占60%以上。在中大規(guī)模光伏電站中，因發(fā)電系統(tǒng)設(shè)有較長(zhǎng)的集電線路，而集電線路又廣泛采用電纜類(lèi)型導(dǎo)體，因此主變低壓側(cè)系統(tǒng)各相導(dǎo)體有較大的對(duì)地電容。研究表明，在這類(lèi)系統(tǒng)中，單相接地故障易導(dǎo)致電弧接地過(guò)電壓，如果不增加一定的保護(hù)措施，則過(guò)電壓將威脅電力設(shè)備的安全運(yùn)行。

主變低壓側(cè)等效網(wǎng)絡(luò)（假定為不接地系統(tǒng)）如圖1所示，且假定該系統(tǒng)中性點(diǎn)不接地。設(shè)主變低壓側(cè)系統(tǒng)等效電源相電壓為Ea,Eb,Ec，各等效相導(dǎo)體對(duì)地電壓為Ua，Ub，Uc，設(shè)定相電壓幅值為1。假設(shè)C 相導(dǎo)體發(fā)生單相接地短路，短路故障發(fā)生在t=0 時(shí)刻，此時(shí)線路相對(duì)地的電壓分別為Ua(0-)=Ub(0-)= 0.5，Uc(0-)=-1。接地瞬間，C 相電壓變?yōu)榈碗娢?，A、B 工頻相電壓被分別瞬間抬升為AC線電壓與BC線電壓1.5。

圖1 主變低壓側(cè)等效網(wǎng)絡(luò)（假定為不接地系統(tǒng)）

在接地故障發(fā)生瞬時(shí)，電源經(jīng)過(guò)線路電感給A、B相對(duì)地電容充電，而因電容電壓不可突變，A、B相電壓從故障前0.5過(guò)渡到故障發(fā)生后1.5的過(guò)程中，將在線路的等效LC回路中發(fā)生高頻率振蕩的過(guò)渡過(guò)程，高頻振蕩過(guò)程中，健全相的相電壓可以等效為直流分量E=1.5（高頻振蕩過(guò)程很短，期間的工頻量變化很小，可視作直流分量）與暫態(tài)分量U(t)的疊加，即：

C 相發(fā)生金屬性接地引起的弧光過(guò)電壓過(guò)程如圖2所示。

圖2 C相發(fā)生金屬性接地引起的弧光過(guò)電壓過(guò)程

因線路電阻的存在，暫態(tài)分量U(t)是一個(gè)衰減分量，且最終衰減為0，而直流分量E則為被抬升后的工頻電壓值1.5?？紤]電容電壓不可突變，則在故障發(fā)生t=0 時(shí)刻，衰減分量瞬時(shí)值為U(0) =Ua(0-)-E；該瞬時(shí)值為高頻衰減分量的三角函數(shù)最大幅值，并隨過(guò)渡過(guò)程逐漸衰減為0。因此，高頻振蕩過(guò)程中，健全相最大相電壓幅值即達(dá)到|E|+|Ua(0-)-E|=|1.5|+|0.5 - 1.5|= 2.5。

經(jīng)過(guò)半個(gè)周期后，A、B相對(duì)地電容上的電壓將等于-1.5，此時(shí)接地點(diǎn)的工頻故障電流達(dá)到過(guò)零點(diǎn)，電弧熄滅。此刻，C 相對(duì)地電容電壓依然為熄弧前的值0，電網(wǎng)儲(chǔ)有總電荷值為三相對(duì)地的全部電荷q= 2C0(-1.5) =-3C0。由于系統(tǒng)無(wú)接地點(diǎn)，電荷無(wú)處泄放，其將在三相對(duì)地電容間均勻分配。因此中性點(diǎn)產(chǎn)生對(duì)地直流電壓uN=q/3C0=-1。由于中性點(diǎn)對(duì)地直流電壓的存在，熄弧后的瞬間，A、B相對(duì)地電壓為-0.5+（-1）=-1.5，C 相對(duì)地電壓為1+（-1）=0，這與熄弧前瞬間電壓水平一致，因此不會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩的過(guò)渡過(guò)程。

熄弧后的半個(gè)周期內(nèi)，由于系統(tǒng)中無(wú)接地點(diǎn)，中性點(diǎn)對(duì)地直流電壓-1將一直存在，各相對(duì)地電容電壓均將疊加中性點(diǎn)對(duì)地直流電壓，在半個(gè)周期后的t2時(shí)刻，C相對(duì)地電容電壓將達(dá)到-2，將大概率引起電弧重燃，一旦重燃發(fā)生，則A、B 相對(duì)地電壓將從-0.5被瞬間抬升至AC線電壓和BC線電壓的值1.5，由于電壓不能突變，A、B相的等效LC回路上將再次發(fā)生高頻振蕩過(guò)渡過(guò)程，最大振蕩電壓幅值達(dá)到|E|+|Ua(0-)-E|=|1.5|+| - 0.5 - 1.5|= 3.5。高頻過(guò)渡過(guò)程在短時(shí)間內(nèi)衰減后，A、B相對(duì)地電壓將穩(wěn)定維持AC線電壓與BC線電壓水平。

根據(jù)以上分析，對(duì)過(guò)電壓產(chǎn)生過(guò)程簡(jiǎn)單總結(jié)如下。電弧周而復(fù)始形成重燃—熄弧的過(guò)程，熄弧后的時(shí)刻在系統(tǒng)中形成電荷積累并造成中性點(diǎn)對(duì)地電壓偏置，導(dǎo)致各相對(duì)地電壓最大值被抬升，造成故障點(diǎn)在相對(duì)地電壓達(dá)到最大值時(shí)產(chǎn)生電弧重燃，電弧重燃瞬間造成非故障對(duì)地電容電壓的突然變化，在非故障相上形成電壓高頻振蕩的過(guò)渡過(guò)程，產(chǎn)生高幅值的過(guò)電壓。

2.2 限制單相接地故障過(guò)電壓的措施分析

根據(jù)以上分析，在中大規(guī)模光伏電站中壓系統(tǒng)中，如果不采取合理的措施，則易在單相接地故障時(shí)發(fā)生弧光過(guò)電壓。

為限制單相接地時(shí)的過(guò)電壓，并保證快速切除故障，通常可采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)或中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)[2]。

中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式是通過(guò)在故障下的零序網(wǎng)絡(luò)中增加與容性支路并接的感性支路，使故障點(diǎn)的容性電流被充分抵償，從而避免電弧重燃及過(guò)電壓的產(chǎn)生。因此，在單相接地故障發(fā)生時(shí)，故障線路可在一定時(shí)間內(nèi)繼續(xù)運(yùn)行。

關(guān)于中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式限制過(guò)電壓的機(jī)理，有多種理論支撐，從工頻電流熄弧理論角度出發(fā)可解釋如下，在單相接地故障發(fā)生并產(chǎn)生電弧時(shí)，在電弧熄滅至重燃前的階段，接地電阻為系統(tǒng)向大地泄放電荷提供了通道，中性點(diǎn)的電壓偏移量減小，降低了故障相對(duì)地的最大電壓值，在一定程度上降低了電弧重燃的概率，即便電弧重燃產(chǎn)生，重燃后非故障相的電壓比對(duì)重燃前時(shí)刻的電壓變化量相比于不接地系統(tǒng)的情況有一定的減小，電壓過(guò)渡過(guò)程的最高電壓幅值勢(shì)必減小，即降低了非故障相的過(guò)電壓水平。

在新建的中大規(guī)模光伏電站中，中壓系統(tǒng)多采用小電阻接地形式，而較少采用經(jīng)消弧線圈接地形式，分析原因如下。

一是按照GB/T 32900《光伏發(fā)電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》以及其他相關(guān)運(yùn)行管理規(guī)定，如果采用消弧線圈接地，則須依靠小電流接地選線裝置實(shí)現(xiàn)快速選線跳閘；而小電阻接地系統(tǒng)則是依靠判斷故障時(shí)的零序電流來(lái)識(shí)別故障，小電流接地選線裝置的可靠性及靈敏性通常不及后者。

二是中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地相比經(jīng)消弧線圈接地在設(shè)備結(jié)構(gòu)上更加簡(jiǎn)單，成本更低，運(yùn)行維護(hù)也更加簡(jiǎn)單，設(shè)備占地面積相比更小。

在中、大規(guī)模光伏電站中，主變低壓繞組通常采用三角形接線，因此需要設(shè)置接地變來(lái)構(gòu)造中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地。接地電阻的大小直接影響單相接地故障時(shí)阻性電流的大小，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]的研究，阻性電流與容性電流比值IR/IC越大，非故障相弧光過(guò)電壓水平將得到越好的限制，當(dāng)過(guò)電壓的限制效果在IR/IC達(dá)到2 以上時(shí)趨于平緩，而單相接地故障電流過(guò)大，則又不利于設(shè)備選型。因此，IR/IC通常選擇在1.5～3。

2.3 工程實(shí)例計(jì)算

以某200MW 光伏電站工程為例，計(jì)算電容電流，并選擇中性點(diǎn)接地設(shè)備參數(shù)。該光伏電站地處山地，項(xiàng)目總?cè)萘繛?60.27456MWp，交流容量為200MW。光伏發(fā)電系統(tǒng)就地采用64 臺(tái)箱變，通過(guò)10 回35kV 集電線路接至220kV 升壓站。35kV 集電線路由直埋電纜和架空線路組成。35kV集電線路型號(hào)及長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 35kV集電線路型號(hào)及長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)（單位：km）

35kV集電線路電容電流計(jì)算如下。

光伏電站線路分為電纜線路、架空線路。

線路部分單相接地電容電流計(jì)算公式：

式中：IC為單相接地電容電流（A）；ICl為單相接地的單位長(zhǎng)度電容電流（A/km）；l為線路長(zhǎng)度（km）。

電纜線路電容電流IC1計(jì)算如下。

結(jié)合電纜廠家提供樣本參數(shù)，并參照參考文獻(xiàn)[4]的公式（3-1）。本示例電纜集電線路單位電容電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 示例電纜集電線路單位電容電流計(jì)算結(jié)果

單回路架空線路電容電流IC2計(jì)算如下。

光伏箱式變壓器電容電流IC3計(jì)算如下。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)設(shè)備廠家數(shù)據(jù)，光伏箱變的電容電流按0.18A/臺(tái)估算。

式中：n為箱變數(shù)量。

35kV系統(tǒng)總電容電流計(jì)算如下。

考慮0.13 倍的變電站增大系數(shù)[4]，總電容電流IC：

2.4 接地電阻選擇

依據(jù)參考文獻(xiàn)[2]及參考文獻(xiàn)[5]，因本案例電容電流在10A 以上，故35kV 系統(tǒng)按照小電阻接地型式選擇設(shè)備。

單相接地電阻電流Id如下。

單相接地電阻電流Id可按下式選定：

式中：K為配合系數(shù)。

根據(jù)前文分析，K 值取1.5～3 之間，選取Id為500A。

中性點(diǎn)接地電阻RN

[6]計(jì)算如下：

式中：UN為系統(tǒng)額定線電壓（V）。

接地變?nèi)萘坑?jì)算如下。

本案例按接地變不兼用站用變考慮。接地變?nèi)萘繎?yīng)與所接電阻容量相匹配，又由于單相接地故障會(huì)被保護(hù)快速切除，所以接地電阻匹配的接地變?nèi)萘績(jī)H按短時(shí)間過(guò)載容量考慮即可，依據(jù)IEEEC62.92.3 標(biāo)準(zhǔn)：變壓器在10s 內(nèi)可按額定容量的10.5 倍容量連續(xù)運(yùn)行，故接地變的容量可僅按中性點(diǎn)接地電阻容量的1/10.5選擇。計(jì)算如下。

接地變短時(shí)容量為：

考慮10.5倍過(guò)載倍數(shù)，設(shè)計(jì)容量計(jì)算為：

接地變?cè)O(shè)計(jì)容量取為1000kVA。

3 單相接地故障保護(hù)配置與整定

3.1 零序電流作為單相接地故障特征量的機(jī)理

針對(duì)單相接地故障，可使用零序電流作為單相接地故障的特征量來(lái)進(jìn)行故障判別，使用對(duì)稱(chēng)分量法[1]分析，單相接地短路如圖3所示。

圖3 單相接地短路

圖3示意系統(tǒng)中導(dǎo)體a相發(fā)生單相接地短路。故障的三個(gè)邊界條件為：

根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法原理，將上述相量轉(zhuǎn)換為對(duì)稱(chēng)分量形式，即：

整理后得到：

根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法，寫(xiě)出短路點(diǎn)的正序、負(fù)序、零序網(wǎng)絡(luò)電壓方程如下：

同時(shí)，短路點(diǎn)短路電流可表示為

可見(jiàn)，發(fā)生單相接地短路時(shí)，系統(tǒng)中產(chǎn)生了零序電流，且短路點(diǎn)故障電流的大小為3 倍的零序電流。而正常無(wú)故障運(yùn)行情況下，因系統(tǒng)呈三相對(duì)稱(chēng)，理想狀態(tài)下是不存在零序電流的。因此，零序電流是單相接地短路的明顯特征量，可以使用零序電流作為單相接地故障的電流判據(jù)。

3.2 零序過(guò)流保護(hù)整定分析

根據(jù)以上分析，中、大規(guī)模光伏電站可在中壓側(cè)匯集母線各饋線回路裝設(shè)零序過(guò)流保護(hù)來(lái)切除單相接地故障。對(duì)于零序過(guò)流保護(hù)的整定與配合，分析如下。某光伏電站的簡(jiǎn)化等效電路如圖4所示。

圖4 某光伏電站的簡(jiǎn)化等效電路

把光伏電站中壓系統(tǒng)與大地視作兩個(gè)導(dǎo)體，兩個(gè)導(dǎo)體通過(guò)各線路的對(duì)地電容、接地電阻以及故障短路點(diǎn)相連，依照基爾霍夫定理，流出任意封閉回路的總電流之和等于流入該封閉回路的總電流?，F(xiàn)將“大地”導(dǎo)體視作一個(gè)封閉回路，由序網(wǎng)分析可知，零序網(wǎng)絡(luò)中的零序電源來(lái)自故障點(diǎn)，按照基爾霍夫定理，零序電流從故障點(diǎn)流出大地，從各線路的對(duì)地電容以及接地變接地電阻流入大地。

按照保護(hù)整定的原則，零序保護(hù)需對(duì)本段區(qū)內(nèi)故障有足夠靈敏度，同時(shí)在區(qū)外故障時(shí)不動(dòng)作。為推導(dǎo)零序保護(hù)的整定值范圍，需分別探討區(qū)內(nèi)故障與區(qū)外故障兩種情況的故障特征量。

假設(shè)故障發(fā)生在集電線路A 上，零序保護(hù)a 安裝位置的零序電流等于除線路A 以外全部系統(tǒng)的對(duì)地電容電流與接地變流入大地電流的矢量和，此時(shí)零序過(guò)流保護(hù)應(yīng)可靠動(dòng)作；若故障發(fā)生在集電線路A 以外區(qū)域，則零序保護(hù)a 安裝位置的零序電流等于集電線路A 流入大地的電容電流，此時(shí)保護(hù)a 不應(yīng)動(dòng)作。據(jù)此零序過(guò)流保護(hù)可設(shè)置過(guò)流I 段，按被保護(hù)線路末端單相接地故障整定，設(shè)置零序過(guò)流II段，按躲過(guò)本線路電容電流整定，并設(shè)置延時(shí)，即：

式中：UN為線路額定線電壓有效值；R為接地變所接地電阻額定值；Ksen為靈敏度系數(shù)，取2 以上；IC0為本段線路單相故障電容電流值；KK為可靠系數(shù)，取1.1以上；tI為零序過(guò)流I段延時(shí)，可按0整定；tII為零序過(guò)流II段延時(shí)。

針對(duì)接地變的零序過(guò)流保護(hù)整定分析如下.因中壓系統(tǒng)任意回路發(fā)生單相接地短路時(shí)，接地變中性點(diǎn)均有較大的阻性電流流過(guò)，前文已敘述，該阻性電流取決于接地電阻的大小，通常使IR/IC在1.5 到3 倍，計(jì)算可知中性點(diǎn)流過(guò)的電流大小接近故障電流。按照參考文獻(xiàn)[6]第5.8.2～5.8.4 條規(guī)定，接地變零序過(guò)流I段可按接地變所在系統(tǒng)的單相接地故障電流整定，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)與母線各連接元件的零序過(guò)流II相配合，作為各元件零序保護(hù)的總后備保護(hù)使用；零序過(guò)流II 段按躲過(guò)本線路電容電流整定，動(dòng)作時(shí)間大于I段動(dòng)作時(shí)間，即：

式中：Ik為系統(tǒng)單相接地故障短路電流，可按接地小電阻的額定電阻電流估算；Ksen為靈敏度系數(shù)，取2以上；KK為可靠系數(shù)，取1.1以上。

3.3 零序電流互感器變比選擇

根據(jù)《電流互感器和電壓互感器選擇及計(jì)算規(guī)程》5.3.1.4 條：“對(duì)于在正常情況下一次電流為零的電流互感器，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況、不平衡電流的實(shí)測(cè)值或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并考慮保護(hù)靈敏系數(shù)及互感器的誤差限值和動(dòng)、熱穩(wěn)定等因素，選擇適當(dāng)?shù)念~定一次電流”；第8.2.1.5 條：“與微機(jī)綜合保護(hù)配套使用的零序電流互感器應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)接地電流值和微機(jī)保護(hù)二次動(dòng)作整定值確定互感器額定一次電流”；第8.2.5 條：“當(dāng)3～35kV 系統(tǒng)電流互感器最大限值電流小于最大系統(tǒng)短路電流時(shí)，互感器準(zhǔn)確限值電流宜按大于保護(hù)最大動(dòng)作電流整定值2 倍選擇”?？梢?jiàn)，在選取零序電流互感器額定一次電流及準(zhǔn)確限值倍數(shù)時(shí)，需考慮故障發(fā)生時(shí)互感器能準(zhǔn)確傳變故障電流，以防止保護(hù)動(dòng)作不準(zhǔn)確。

以本文中的光伏電站案例為例，考慮單相接地故障時(shí)的故障電流，故障電流按小電阻額定電流估算大約為500A?？紤]2倍保護(hù)動(dòng)作靈敏系數(shù)，則零序過(guò)流I段整定值按250A估算?？紤]與保護(hù)動(dòng)作整定值的配合，則互感器變比選擇50/1 （5）、100/1（5），準(zhǔn)確限值倍數(shù)選擇10倍較為合適。

4 結(jié)語(yǔ)

單相接地短路是系統(tǒng)短路故障的主要故障形式，中、大規(guī)模光伏電站因短路電容電流較大，必須設(shè)置合理的中性點(diǎn)接地裝置來(lái)避免產(chǎn)生弧光過(guò)電壓。本文嘗試從過(guò)電壓原理分析、相關(guān)保護(hù)措施分析、單相接地保護(hù)原理、整定方案等角度展開(kāi)討論，并結(jié)合一定的工程實(shí)例做出計(jì)算說(shuō)明，為工程中合理的設(shè)備選型、保護(hù)整定配合等提供參考。