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。
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。
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)。
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。
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
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。
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
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。
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。
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