向昌明，楊宏宇，范立新，喻 建

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司江蘇南京211102)

風(fēng)電場由于匯集線路長且分支多，發(fā)生單相接地故障的頻次相對較多，容易造成電壓互感器故障、箱變避雷器燒壞、匯集線路保護(hù)動作以致風(fēng)電場停機，甚至造成升壓站系統(tǒng)側(cè)斷路器跳閘等事故。其原因是：場內(nèi)匯集線路的架空線在大風(fēng)時擺動或脫落，發(fā)生對橫擔(dān)、拉線接地；匯集線路的電纜絕緣破損對地發(fā)生間歇性放電。目前風(fēng)電場12 kV和35 kV匯集線路采用中性點不接地系統(tǒng)，由于線路回路數(shù)較多，容性電流較大，單相接地引起系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，導(dǎo)致電網(wǎng)中電感電容回路的電磁振蕩（即諧振），造成弧光接地過電壓。為了消除上述影響，根據(jù)接地容性電流大小不同，目前風(fēng)電場通常采用消弧消諧柜接地、消弧線圈接地及電阻接地等方式。在實際風(fēng)電場運行時，上述現(xiàn)象經(jīng)常造成保護(hù)誤動。文中以某風(fēng)電場送出線故障為例，對該現(xiàn)象進(jìn)行分析，給出不同接地方式下的匯集系統(tǒng)零序保護(hù)的整定計算方法。

1某風(fēng)電場匯集線路故障分析

某風(fēng)電場總裝機容量為50 MW，有1.5sle型雙饋異步機組35臺，單臺風(fēng)機容量1 500 kW，每7臺風(fēng)機“T”接在一條匯集線路上，通過5條匯集線路的中壓母線經(jīng)主變升壓至220 kV，接入系統(tǒng)。風(fēng)電場系統(tǒng)接線如圖1所示。

圖1某風(fēng)電場系統(tǒng)接線示意圖

圖1中的接地設(shè)備有消弧消諧柜、消弧線圈及經(jīng)接地變的電阻等。結(jié)合實際接線，首先分析風(fēng)電場不接地方式下35 kV母線（d1點）和匯集線路（d2點）發(fā)生單相接地故障時，各支路的零序電流分布情況。

該風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，假設(shè)線路電阻為0，則負(fù)荷電流在線路上沒有壓降，故障相電壓為0，非故障相電壓升高為倍，每條線路的三相對地電容相等，分別為 C01，C02，C03，C04和 C05；母線及電源對地電容為C0G。當(dāng)線路Ⅴ的A相發(fā)生金屬性接地故障時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的電容電流分布和零序等效網(wǎng)絡(luò)分別如圖2和圖3所示[1]。

圖2單相接地故障時電容電流分布

圖3單相接地故障時零序等效網(wǎng)絡(luò)

由圖2和圖3可以看出，35 kV母線不接地時在d1點接地故障下，流過這5條線路的零序電流是本線路對地電容電流，其方向均由母線到線路。35 kV母線不接地時在d2點接地故障下，正常線路（1號、2號、3號、4號線路）的零序電流是該線路的對地電容電流，其方向由母線到線路；故障線路（5號線路）的零序電流為所有非故障元件（正常線路和主變）的對地電容電流之和，其方向由線路到母線。

2中性點采用消弧消諧柜接地方式

2.1消弧消諧柜接地的工作原理

SHK型消弧柜是較常用的消弧消諧裝置。其采用微機控制方式，具有消弧功能、電壓互感器（TV）功能、防止內(nèi)部與外部過電壓保護(hù)等功能，原理接線如圖4所示。

圖4 SHK型消弧柜原理圖

（1）分相控制真空斷路器。在接到微機控制器的動作命令后10 ms之內(nèi)完成合閘動作，使弧光接地故障在15 ms之內(nèi)快速轉(zhuǎn)化為金屬性接地。裝置動作后，允許1 250 A的電容電流連續(xù)通過至少2 h以上，用戶可以先完成轉(zhuǎn)移負(fù)荷的倒閘操作，再處理故障線路。

（2）手車式TV。檢測三相母線電壓信號，一旦發(fā)生PT斷線、單相金屬接地或者弧光接地時，TV的開口三角電壓立即由低電平轉(zhuǎn)為高電平，啟動微機控制器的中斷程序來判別故障類型和相別。

（3）零序電流互感器（TA）和接地電流表。在裝置動作期間，通過接地電流表可以較準(zhǔn)確地讀出系統(tǒng)的接地電容電流；此時，如果健全相出現(xiàn)弧光接地，通過檢測零序TA二次電流的突變，控制器發(fā)出跳閘指令，斷路器在5 ms內(nèi)分閘。

（4）過電壓保護(hù)器。將相對地、相與相之間的各種過電壓限制在設(shè)備絕緣允許的范圍內(nèi)。

2.2經(jīng)消弧消諧柜接地的零序保護(hù)整定

在中性點不接地的系統(tǒng)中，消弧消諧柜的功能除了TV監(jiān)測、單相接地故障的檢測以及故障類型的判斷之外，還對單相弧光接地以及單相金屬性接地的故障相直接對地短接，以減輕弧光接地帶來的危害。它能保證電力系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，給檢修人員排除故障爭取時間，但并不能消除電容電流帶來的危害[2，3]。

在以架空線路為主的風(fēng)電場，電容電流較??；在以電纜線路為主的風(fēng)電場，電容電流較大。應(yīng)該通過合理整定匯集線路的零序保護(hù)，迅速隔離故障，避免事故擴大。根據(jù)風(fēng)電場提供的資料，計算出1～5號匯集線路的電容電流分別為 6.9 A，7.1 A，8.5 A，10.6 A，9.5 A。

例如：5號匯集線路區(qū)內(nèi)故障時，流過其零序TA的電流為33.1 A；區(qū)外故障時，流過其零序TA的電流為9.5 A。零序Ⅰ段保護(hù)定值按躲過本條線路區(qū)外單相接地時流過保護(hù)安裝處的零序電流計算：

式中：（3I0）I.op為零序Ⅰ段保護(hù)定值；Krel為可靠系數(shù)，取 1.5～2；I（1）k為本線區(qū)外單相接地時被保護(hù)設(shè)備供短路點的單相接地電流。系統(tǒng)容性電流較大，為了防止過電壓，該保護(hù)宜動作于跳閘，保護(hù)靈敏度不小于1.5。

零序Ⅱ段保護(hù)定值按本條線路區(qū)外單相接地時有一定的靈敏度計算：

式中：（3I0）II.op為零序Ⅱ段保護(hù)定值；Ksen為靈敏度系數(shù)，取1.2～2。所以，5號匯集線路零序Ⅰ段定值19 A，延時0.2 s跳閘；零序Ⅱ段定值7.6 A，延時1 s發(fā)信。其余匯集線路按上述原則整定。

3中性點采用消弧線圈接地方式

3.1消弧線圈接地的工作原理

在中性點不接地系統(tǒng)中，接地電容電流超過一定數(shù)值時，接地點將產(chǎn)生電弧，引起間歇過電壓。當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地后，線圈產(chǎn)生的感性電流可補償電纜的容性電流，熄滅電弧，避免過電壓的產(chǎn)生[4]。根據(jù)補償度的不同可分為全補償、欠補償和過補償。

風(fēng)電場35 kV側(cè)繞組為三角形接線，正常無法直接引出中性點，需采用特殊的Z型接地變壓器，人為地制造一個中性點，連接消弧線圈（接地電阻）[5]。其特性是在電網(wǎng)正常供電情況下阻抗很高 （即激磁阻抗），繞組中只流過很小的激磁電流；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，其對正序、負(fù)序電流呈現(xiàn)高阻抗，對零序電流呈現(xiàn)低阻抗，使接地保護(hù)可靠動作。

常用Z型接地變壓器為Zn，yn11，接線如圖5所示。其鐵心為三相三柱式，每一鐵心柱上有2個繞組，匝數(shù)相等繞向相同，反極性串聯(lián)成曲折形繞組。A1、B1、C1 繞組末端分別與 C2、A2、B2 繞組末端相連，然后C2、A2、B2首端相連，即形成曲折變壓器的中性點N。其通常兼做場用變壓器[6]。

某風(fēng)場接地變?yōu)門HT-DKSC-1400/35-200/0.4，一次容量1 400 kV·A，二次容量為200 kV·A，額定電壓為35/0.4 kV，連接組別標(biāo)號為Zn，Yn11，短路阻抗Ud=4.5%，零序阻抗為50.8 Ω。選用接地電阻阻值為35 Ω，短時允許電流600 A，短時通流時間10 s。

圖5 ZN，yn11型接地變壓器接線圖及向量圖

3.2經(jīng)消弧線圈接地的零序保護(hù)整定

為了防止匯集線路發(fā)生串聯(lián)諧振，在風(fēng)電場中普遍采用過補償。在過補償方式下，1號匯集線路區(qū)外故障時，流過線路零序TA的電流為6.9 A，方向是由母線到線路；區(qū)內(nèi)故障時，流過線路零序TA的電流為補償后的感性電流，方向也是由母線到線路。因此，難以根據(jù)電流的方向來判別故障線路。另一方面，由于過補償度不大，殘余電流比較小，甚至小于非故障相的零序電流，所以很難根據(jù)零序電流的幅值來判別故障線路。母線單相接地故障下，流過接地變零序TA的電流約為非故障線路的電容電流之和。

匯集線路的零序定值按本條線路區(qū)外單相接地時有一定的靈敏度計算：

式中：Ksen取1.2～2。所以，5號匯集線路零序保護(hù)定值7.6 A，延時1 s發(fā)信。其余匯集線路按上述原則整定。

接地變的零序定值按躲過匯集線路容性電流的最大值計算：

式中：Krel取1.5～2。所以，接地變零序保護(hù)定值16 A，延時1 s發(fā)信。

采用消弧線圈接地方式，在單相接地時允許運行2 h，運行人員可在此期間排除故障，保證供電不受影響。當(dāng)所有的零序保護(hù)均告警時，接地故障點在35 kV母線或接地變支路；當(dāng)某匯集線路零序保護(hù)未告警而其余設(shè)備告警時，故障點在該支路。

4中性點采用電阻接地方式

4.1電阻接地的工作原理

中性點經(jīng)電阻接地方式，即是中性點與大地之間接入一定電阻值的電阻。該電阻與系統(tǒng)對地電容構(gòu)成并聯(lián)回路，由于電阻是耗能元件，也是電容電荷釋放元件和諧振的阻壓元件，對防止諧振過電壓和間歇性電弧接地過電壓，有一定優(yōu)越性。將圖5中的消弧線圈換成電阻即為風(fēng)電場常用的電阻接地方式。3.1節(jié)接地變經(jīng)電阻接地后的等值電路如圖6所示[7]。

圖6中性點經(jīng)電阻接地的接地變及其等值電路

4.2經(jīng)電阻接地的零序保護(hù)整定

零序Ⅰ段保護(hù)定值按該線路單相接地時流過的最大零序電流有足夠靈敏度計算，為：式中：Ksen為靈敏度系數(shù)，取1.5～3；UN為匯集線路的標(biāo)稱電壓；R為接地變中性點電阻；X0為接地變零序阻抗。此時，零序Ⅰ段定值220 A，匯集線路延時0.2 s跳閘；接地變延時0.8 s跳閘，與線路零序相配合。

零序Ⅱ段保護(hù)定值按躲過正常運行時流過的最大不平衡電流計算：

式中：IE為匯集線路或接地變的負(fù)荷電流。此時，零序Ⅱ段定值112.2 A，匯集線路延時2 s跳閘；接地變延時2.6s跳閘，與線路零序相配合。

5結(jié)束語

風(fēng)電場采用大量電纜或者架空線路，一旦發(fā)生接地故障，產(chǎn)生的弧光、過電壓以及較大的接地電流對電氣設(shè)備的危害十分嚴(yán)重。國家電網(wǎng)調(diào)（2011）974號文件要求：風(fēng)電場匯集線系統(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)消弧消諧柜接地方式。針對目前風(fēng)電場常用的3種接地方式，分析了不同方式下零序電流的產(chǎn)生原理，給出了相應(yīng)的零序保護(hù)的計算方法。合理地整定匯集線路的零序定值、充分利用其保護(hù)功能，能有效避免風(fēng)機脫網(wǎng)事故發(fā)生，從而保障電網(wǎng)運行安全。

[1]湯云巖，周巧俏，陳繼軍.小電流接地系統(tǒng)單相接地選線方法介紹[J].電工電氣，2012(6)：56-59.

[2]楊 華，陳式獻(xiàn)，涂 斌.XHG消弧柜在供電系統(tǒng)中應(yīng)用的分析[J].江西冶金，2011，31(2)：21-24.

[3]石啟新.兩種新型接地消弧消諧柜的性能比較分析[J].廣西電力，2006(4)：24-27.

[4]周一峰.一種單相接地引起消弧線圈事故分析[J].江蘇電機工程，2010，29(5)：16-17.

[5]許 凱.接地變的參數(shù)確定和保護(hù)計算[J].機電工程技術(shù)，2011，40(7)：153-155

[6]李 玲，李國慶，王振浩.小電流接地系統(tǒng)Z型接地變壓器模型設(shè)計[J].吉林電力，2006，184(3)：24-27.

[7]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析[M].北京：中國電力出版社，2007.