姚天亮，楊德洲，鄭昕

(1.甘肅省電力設(shè)計院，蘭州市 730050;2.甘肅省電力公司，蘭州市 730050)

0 引言

2011年甘肅酒泉風(fēng)電基地多次發(fā)生因35 kV匯集線路發(fā)生弧光接地引發(fā)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機群連鎖脫網(wǎng)事故。主要原因是1期風(fēng)電場采用直接非接地系統(tǒng)，非故障相過電壓導(dǎo)致設(shè)備燒毀、誘發(fā)復(fù)雜故障后，低電壓穿越能力較弱的風(fēng)電機組相繼脫網(wǎng)。大型風(fēng)電場的單相接地故障滅弧問題成為并網(wǎng)技術(shù)審查的重點問題。目前，35 kV電力系統(tǒng)常見接地方式有:消弧線圈［1］、小電阻、消弧柜場地。3種接地方式消弧原理不同且各有優(yōu)缺點，甘肅酒泉1期風(fēng)電場全部采用35 kV電纜，容性電流較大，采用在升壓站35 kV母線直接安裝消弧柜的消弧方案，經(jīng)實踐證明動作不理想，文獻［2］在事故分析后推薦采用經(jīng)小電阻接地以限制過電壓，同時配置快速選線裝置切除故障線路。

但是，經(jīng)小電阻接地將非金屬性接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩越拥毓收希收舷嚯妷狠^低，加大了三相電壓不平衡度，不利于風(fēng)電機組低電壓穿越，并且小電阻選線［3-4］準(zhǔn)確率不高，如不能快速切除故障線容易造成事故擴大。

本文結(jié)合近幾年風(fēng)電設(shè)計和實際運行經(jīng)驗，對酒泉一期風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，提出將分檔可調(diào)或自動補償式消弧線圈應(yīng)用于大型風(fēng)電場的滅弧，并就風(fēng)電場設(shè)計和運行提出相關(guān)建議，有利于風(fēng)電場的穩(wěn)定運行。

1 動態(tài)補償工作原理

1.1 風(fēng)電場單相接地故障

大型風(fēng)電場內(nèi)部35 kV線路(架空線或電纜)較長，對地分布電容大，單相接地故障時匯集系統(tǒng)呈現(xiàn)典型的大容性電流效應(yīng)，故障點易形成弧光接地并不能自熄。

正常運行時，系統(tǒng)三相電壓保持對稱，中性點電流和為0。故障時接地相電壓大幅降低，中性點產(chǎn)生不對稱零序電壓，經(jīng)接地阻抗形成電氣回路，回路中流過零序電流，而中性點漂移將導(dǎo)致非故障相電壓的升高，造成內(nèi)部過電壓。

風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)單相接地故障等值模型如圖1所示，圖1中為零序電壓為零序電流。

圖1 單相接地故障等值模型Fig.1 Equivalent model of single phase grounding fault

1.2 動態(tài)補償消弧線圈工作原理

目前，動態(tài)補償消弧線圈產(chǎn)品類型［5-9］主要有調(diào)匝式、偏磁式、調(diào)可控硅式。

常規(guī)消弧線圈補償容性電流基本工作原理如圖2所示。調(diào)匝式和偏磁式基本原理相似，都是屬于隨動補償模式，通過動態(tài)調(diào)整電感值改變電感電流實現(xiàn)對接地容性電流的補償，降低故障點電流以熄滅電弧。

圖2 補償容性電流等值電路Fig.2 Equivalent circuit of compensation capacitive current

調(diào)可控硅式消弧線圈［10-13］是應(yīng)用電力電子可控硅技術(shù)的一種新型消弧線圈，工作原理如圖3所示，圖3中XL為串聯(lián)電感值。調(diào)可控硅式消弧線圈的工作原理是通過在0°～180°之間觸發(fā)2個反向連接的可控硅，改變故障回路的短路阻抗，能夠快速準(zhǔn)確補償容性電流。

圖3 可控硅式消弧線圈原理Fig.3 Principle of SCR arc suppression coil

2 消弧線圈在大型風(fēng)電場中的應(yīng)用

2.1 大型風(fēng)電場的滅弧要求

大型風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)為典型的大容性電流系統(tǒng)，單相接地故障的弧光間斷性反復(fù)接地容易誘發(fā)復(fù)雜的相間故障，造成設(shè)備毀壞、區(qū)域風(fēng)電機群低電壓穿越失敗大面積脫網(wǎng)。

電網(wǎng)事故的治理要求:風(fēng)電場發(fā)生單相接地故障時，要求控制系統(tǒng)能夠迅速降低接地電流，消除瞬時接地故障。若轉(zhuǎn)化成永久故障，則必須通過小電流選線裝置準(zhǔn)確跳開故障集電線路，避免發(fā)生連鎖反應(yīng)，擴大風(fēng)機脫網(wǎng)事故。

但如何解決降低接地電流和小電流可靠選線之間的矛盾，成為風(fēng)電場35 kV系統(tǒng)接地方式選擇需要權(quán)衡考慮的問題。減小零序電流，雖然可以降低中性點位移電壓，有利于抑制過電壓，但必然影響小電流選線裝置的動作靈敏度。要保證零序保護選線的準(zhǔn)確度，零序電流必須大于門檻值，但故障點的殘流較大，不利于電弧的熄滅。

2.2 動態(tài)補償技術(shù)比較

(1)可調(diào)匝式消弧線圈與常規(guī)消弧線圈相比，采用了有載調(diào)匝開關(guān)實現(xiàn)了消弧容量可調(diào)，但屬于離散的分檔調(diào)節(jié)，補償效果不佳，其諧振補償原理從根本上無法解決過電壓問題，需要串聯(lián)電阻以限制諧振穩(wěn)態(tài)過電壓，但動態(tài)過電壓問題仍然不可避免。

(2)偏磁式消弧線圈雖然可以實現(xiàn)電控連續(xù)動態(tài)可調(diào)，帶電壓調(diào)節(jié)速度為ms級。原理上避免了補償系統(tǒng)串聯(lián)諧振過電壓與最佳補償之間的相互矛盾問題，但需要獨立直流靜態(tài)勵磁結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)復(fù)雜、運行維護難、投資較大。

(3)可控硅式消弧線圈充分利用電子開關(guān)的動作速度和可控硅的伏安特性，可動態(tài)連續(xù)輸出0%～110%額定電流的補償電流，實現(xiàn)大范圍精確補償。

上述3種可調(diào)消弧線圈都可以應(yīng)用在大型風(fēng)電場中快速滅弧，可靈活應(yīng)用于同一升壓站匯集多個風(fēng)電場的情況，同時大容量消弧線圈先期低檔運行，可以為后續(xù)工程預(yù)留消弧容量，通過運行調(diào)節(jié)即可滿足不同階段消弧容量的需求，相對電力系統(tǒng)常規(guī)消弧線圈需要停電調(diào)整有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

2.3 消弧線圈滅弧優(yōu)勢

相對于經(jīng)小電阻接地，風(fēng)電場經(jīng)消弧線圈接地的優(yōu)點有:(1)接地點故障電流較小，故障相電壓跌幅小，減小了中性點位移電壓和非故障相過電壓;(2)系統(tǒng)三相電壓不平衡度小，有利于直驅(qū)風(fēng)電機組的正常運行和低電壓穿越過程，避免風(fēng)機群連鎖脫網(wǎng);(3)有利于改善并網(wǎng)點電壓平衡、諧波等電壓質(zhì)量，減小了風(fēng)電注入公網(wǎng)諧波;(4)可帶故障運行2 h，瞬時故障可能自動消失，無需切機后再并網(wǎng)，減小了運行人員的工作量和風(fēng)機啟動用電，而且增加了風(fēng)電電量;(5)故障惡化發(fā)展時，故障電流增大，可輔助小電流接地選線裝置檢除故障線路，或由運行人員排除故障線路，有利于風(fēng)電場與電網(wǎng)保持穩(wěn)定運行。

2.4 風(fēng)電場消弧線圈安裝方式

我國大規(guī)模風(fēng)電基地采用“大基地融入大電網(wǎng)、集中外送”的并網(wǎng)模式，出于風(fēng)電匯集方案經(jīng)濟性的考慮，通常采用35 kV直接升壓至330 kV或110 kV電壓等級送出，因此風(fēng)電匯集升壓站電壓等級有330/35 kV或110/35 kV 2種情況，而電網(wǎng)側(cè)330 kV和110 kV電壓等級為中性點直接接地系統(tǒng)，均采用星形接線，因此風(fēng)電場35 kV側(cè)接線方式必須為三角形，三角形接線沒有引出中性點，無法直接安裝中性點接地設(shè)備，需要增加投資。

在酒泉一期380萬kW風(fēng)電設(shè)計中，選用35 kV母線直掛消弧柜的方案，但實際運行效果不理想，目前正在進行整改為“經(jīng)接地變+消弧線圈”或“經(jīng)接地變+小電阻柜”。

在酒泉二期風(fēng)電設(shè)計過程中，結(jié)合近幾年風(fēng)電并網(wǎng)設(shè)計經(jīng)驗和運行反饋意見，對大型風(fēng)電場升壓系統(tǒng)用進行優(yōu)化設(shè)計，風(fēng)電場升壓站電氣主接線如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場升壓站電氣主接線Fig.4 Main electrical wiring of wind farm booster station

升壓站設(shè)備選型主要考慮以下方面:

(1)35 kV側(cè)采用星形接線，引出中性點用以連接消弧線圈，無需增加接地設(shè)備，既節(jié)省投資，又實現(xiàn)了中性點可靠接地，有利于發(fā)生單相故障時滅弧，改善中性點電壓漂移及非故障相過電壓問題。

(2)增加10 kV平衡繞組，提高升壓系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。10 kV側(cè)設(shè)計為非全容量繞組，通常取30%額定容量，可以不引出，也可引出用以安裝動態(tài)無功補償裝置，相對35 kV直掛型SVG可以降低投資，并且對暫態(tài)過程中SVG提供的瞬時容性電流起到隔離作用。

(3)10 kV側(cè)采用三角形接線，為偶數(shù)次電壓和電流諧波提供環(huán)流通道，減輕諧波污染，避免因諧波過電壓損壞設(shè)備，同時可以起到平衡繞組的作用。

酒泉二期風(fēng)電最終選用三繞組變壓器，主變壓器抽頭電壓為363±8×1.25%/35/10.5 kV，接線組別為YN、yn0、d11，風(fēng)電場35 kV中性點消弧接地方式選擇為經(jīng)自動補償消弧線圈接地。

3 結(jié)論

(1)大型風(fēng)電場35 kV匯集系統(tǒng)屬于大容性電流系統(tǒng)，產(chǎn)生單相接地故障時，中性點需要選擇可靠接地的消弧方式，因此經(jīng)消弧線圈接地是理想方案之一。

(2)調(diào)匝式、偏磁式、可控硅式等帶動態(tài)補償技術(shù)的消弧線圈都能應(yīng)用于大型風(fēng)電場滅弧，可以滿足風(fēng)電場不同建設(shè)時期的消弧容量需求。建議優(yōu)先使用自動跟蹤、調(diào)節(jié)速度快的消弧線圈。

(3)風(fēng)電場升壓站電氣主接線優(yōu)化后采用三繞組變壓器，35 kV中性點引出有利于消弧線圈的裝設(shè)，有利于風(fēng)電場的安全可靠運行。

［1］趙啟兵，袁建州.消弧線圈在35 kV電網(wǎng)中的運行方式［J］.電力建設(shè)，2010，31(12):56-57.

［2］李彬.電弧接地過電壓和中性點電阻接地使用中的若干問題探討［J］.今日科苑，2008(20):54-55.

［3］陳維賢，陳禾.配電網(wǎng)中電壓互感器消諧、單相消弧和單相永久性故障切線問題的解決方案［J］.高電壓技術(shù)，2012，38(4):56-57.

［4］李占寶，周長華.風(fēng)電場“S注入法”微機小電流選線的改進［J］.風(fēng)能，2012(4):76-78.

［5］何挺.自動調(diào)諧消弧線圈投入引起諧振過電壓的原因［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(9):105-109.

［6］李天旭，田建設(shè).基于遺傳算法的偏磁式消弧線圈控制系統(tǒng)PID參數(shù)優(yōu)化整定［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(S2):138-141.

［7］陳銳.基于快速消弧線圈的擾動法選線分析及應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護與控制，2008(20):101-105.

［8］劉味果，師東霞.消弧線圈響應(yīng)時間探討［J］.高電壓技術(shù)，2008，34(7):11-15.

［9］李建山，陳喬夫.基于磁通控制消弧線圈的注入式選線新方法［J］.電力自動化設(shè)備，2007(1):89-92.

［10］徐玉琴，陳志業(yè).晶閘管投切電容式消弧線圈的設(shè)計與應(yīng)用研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001(13):38-41.

［11］譚志遠.調(diào)匝式與可控硅式消弧線圈的比較［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011(25):113-115.

［12］陳慶，唐軼.接地變壓器式消弧線圈的電氣性能［J］.中國電力，2005，38(10):25-28.

［13］張釗.考慮諧振過電壓的消弧線圈接地系統(tǒng)阻尼參數(shù)整定算法［J］.中國電力，2010，43(3):75-77.