袁欽鵬，于 群，楊亞奇

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東青島266590)

電網(wǎng)中性點(diǎn)接地方式的選取是一個(gè)關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行的綜合性技術(shù)問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)頻繁發(fā)生風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)事故，其中一部分是由于系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)采用的中性點(diǎn)小電流接地方式使小電流選線(xiàn)裝置靈敏度降低，甚至無(wú)法選線(xiàn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)電壓降低，引起風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T620－1997《交流電氣裝置的過(guò)電壓和絕緣配合》規(guī)定:6～35 kV主要由電纜線(xiàn)路構(gòu)成的送、配電系統(tǒng)，單相接地電容電流較大時(shí)，采用電阻接地方式，即中性點(diǎn)與大地之間接入一定阻值的電阻。風(fēng)電場(chǎng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地能夠有效地降低工頻過(guò)電壓及弧光接地過(guò)電壓的水平，增大故障線(xiàn)路的接地電流，而且與線(xiàn)路零序保護(hù)配合，能快速準(zhǔn)確切除線(xiàn)路故障，提高系統(tǒng)安全穩(wěn)定性［1－3］。因此，隨著風(fēng)電場(chǎng)容量不斷增加，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接地方式的改進(jìn)已迫在眉睫。

本文利用PSCAD仿真軟件，以某風(fēng)電場(chǎng)35 kV電網(wǎng)為例建立電磁暫態(tài)仿真模型，針對(duì)電網(wǎng)中變壓器中性點(diǎn)不同接地方式對(duì)系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的過(guò)電壓進(jìn)行了詳細(xì)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)電阻接地的優(yōu)越性。

1 中性點(diǎn)接地電阻分析計(jì)算

1.1 中性點(diǎn)引入

在中國(guó)風(fēng)電場(chǎng)35 kV小電流接地的電力系統(tǒng)中，變電站中的電源變壓器35 kV側(cè)繞組為三角形接線(xiàn)，所以無(wú)中性點(diǎn)引出。中性點(diǎn)的引入一般有兩種方法:一是在主變的35 kV側(cè)采用yn0型接線(xiàn);二是在35 kV母線(xiàn)側(cè)設(shè)置Z型接地變。

本文采用第二種方法，因?yàn)閆型變壓器具有系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，正、負(fù)序呈現(xiàn)高阻抗，零序呈現(xiàn)低阻抗(一般小于10 Ω)，空載損耗小，變壓器容量利用率在90%以上等特點(diǎn)，所以，Z型變壓器是作為接地變壓器的一種比較好的選擇［4］。Z型變壓器接線(xiàn)方式如圖1所示。

圖1 Z型變壓器接線(xiàn)法Fig.1 Z transformer wiring method

1.2 接地電阻的選擇

接地電阻值的選擇原則［5］:

1)發(fā)生故障時(shí)向保護(hù)裝置提供足夠大的電流，能夠使保護(hù)裝置快速可靠地動(dòng)作。

2)電阻的阻性電流一般為容性電流的1～1.5倍，將暫態(tài)過(guò)電壓限制在2.6倍相電壓以下。

3)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)電流要小于熱穩(wěn)定極限電流。

1.2.1 按限制故障過(guò)電壓倍數(shù)選擇架空線(xiàn)路的單相接地電容電流計(jì)算公式為

式中:U為線(xiàn)路額定電壓，kV;L為線(xiàn)路長(zhǎng)度，km。

電纜線(xiàn)路的單相接地電容電流計(jì)算公式為

式中:S為電纜芯線(xiàn)截面積，mm2。

通過(guò)中性點(diǎn)電阻的電流IR為

則接地電阻R′為

式中:Ue為電網(wǎng)相電壓，V。

1.2.2 按熱穩(wěn)定要求選擇

根據(jù)熱穩(wěn)定要求，以允許電流和持續(xù)時(shí)間為依據(jù)，計(jì)算中性點(diǎn)接地電阻為［6］

式中:IM為允許電流，A。

綜合以上兩個(gè)方面考慮，中性點(diǎn)接地電阻RN的取值范圍為 R″≤RN≤R′。

1.3 案例分析

某風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量為40.5 MW，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出口電壓為575 V，頻率為50 Hz，經(jīng)升壓變壓器升壓至35 kV，經(jīng)單回35 kV電纜出線(xiàn)接入到了220 kV變電站的35 kV母線(xiàn)。電纜長(zhǎng)30 km，截面積為240 mm2，接地變壓器采用Z型變壓器。

1.3.1 按限制故障過(guò)電壓倍數(shù)選擇

由式(1)得

由上述分析可知，中性點(diǎn)接地電阻 R′≤53.5 Ω。

1.3.2 按熱穩(wěn)定要求進(jìn)行選擇

系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻的熱穩(wěn)定按500 A、10 s考慮，由式(2)知，中性點(diǎn)接地電阻為

則接地電容電流IW=0.24×30×35=252 A。當(dāng)IR=1.5IW=378 A時(shí)，接地電阻為

故中性點(diǎn)接地電阻R″≥40.4 Ω。

因此，中性點(diǎn)接地電阻的取值范圍為40.4 Ω≤RN≤53.5 Ω，本例中接地電阻取50 Ω。

2 風(fēng)電場(chǎng)35 kV電網(wǎng)建模仿真

以1.3節(jié)中的風(fēng)電場(chǎng)為例搭建PSCAD模型，如圖2所示。當(dāng)接地變壓器所連接的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，為中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地系統(tǒng);當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。本文對(duì)這兩種方式進(jìn)行仿真。

2.1 單相接地引起的工頻過(guò)電壓仿真研究

單相接地故障是最常見(jiàn)的故障形式。發(fā)生故障時(shí)，由于相間的電磁耦合，可能使健全相工頻電壓升高。在不對(duì)稱(chēng)接地中，以單相接地時(shí)非故障相過(guò)電壓升高最為嚴(yán)重。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，單相接地故障占高壓線(xiàn)路總故障次數(shù)的70%以上，占配電線(xiàn)路總故障次數(shù)的80%以上，而且絕大多數(shù)相間故障都是由單相接地故障發(fā)展而來(lái)的。因此，單相接地故障的研究對(duì)于電力線(xiàn)乃至整個(gè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行至關(guān)重要［7］。

在圖2的仿真模型中，設(shè)置220 kV變電站35 kV母線(xiàn)出口發(fā)生A相接地短路故障，觀(guān)察故障時(shí)的過(guò)電壓變化情況(注:1p.u.=，UM為系統(tǒng)最高電壓。對(duì)35 kV電網(wǎng)，1p.u.=31.43 kV)。

圖2 某風(fēng)電場(chǎng)35 kV電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真模型Fig.2 35 kV power system electromagnetic transient simulation model in a wind farm

中性點(diǎn)不接地和中性點(diǎn)接入50 Ω電阻后系統(tǒng)的仿真波形如圖3、圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)的中性點(diǎn)未接地時(shí)，在220 kV變電站35 kV母線(xiàn)發(fā)生單相接地時(shí)故障相電壓降為0，系統(tǒng)非故障相的暫態(tài)過(guò)電壓峰值為2.4 p.u.。系統(tǒng)的中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地后，系統(tǒng)非故障相的暫態(tài)過(guò)電壓峰值為2.0 p.u.，相比中性點(diǎn)未接地，暫態(tài)過(guò)電壓峰值下降0.4 p.u.，降幅達(dá)16.7%。由此可見(jiàn)系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地能夠有效降低工頻過(guò)電壓。

圖3 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的仿真波形Fig.3 Simulation waveform of neutral pointungrounded system

圖4 中性點(diǎn)接入50 Ω電阻后的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of neutral point after access 50 resistance

2.2 間歇性電弧過(guò)電壓仿真研究

電力系統(tǒng)常見(jiàn)的內(nèi)部過(guò)電壓一般分為弧光接地過(guò)電壓、操作過(guò)電壓和電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過(guò)電壓［8］。弧光接地過(guò)電壓具有過(guò)電壓大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)避雷器的危害大等特點(diǎn)，所以對(duì)弧光接地過(guò)電壓的研究非常必要。

到目前為止，在分析電弧過(guò)程方面有三種理論，即高頻熄弧理論、工頻熄弧理論和熄弧恢復(fù)抗電強(qiáng)度理論。與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值相比較，工頻理論分析所得過(guò)電壓值比較接近實(shí)際情況［9］。因此，本文以工頻熄弧理論為基礎(chǔ)，其數(shù)值仿真過(guò)程如圖5所示。

圖5 弧光接地過(guò)電壓計(jì)算過(guò)程Fig.5 Calculation process of arc grounding over－voltage

在仿真中，用斷路器的開(kāi)合模擬電弧的熄滅和重燃。在故障相和地之間設(shè)置一個(gè)斷路器，斷路器閉合表示電弧重燃，反之，斷路器斷開(kāi)代表電弧熄滅，電阻R為模型弧道電阻［10］。不同接地方式下，故障點(diǎn)過(guò)渡電阻R為0.5 Ω。間歇性電弧仿真模型如圖6所示。

圖6 間歇性電弧仿真模型Fig.6 Simulation model of intermittent arc

工頻熄弧理論認(rèn)為當(dāng)接地電流工頻分量過(guò)零時(shí)，電弧熄滅，則在故障點(diǎn)U相電壓達(dá)正或負(fù)峰值時(shí)刻，U相發(fā)生單相接地故障。在半個(gè)工頻周波附近時(shí)，接地短路電流很小，則認(rèn)為是工頻電流過(guò)零，電弧熄滅。熄弧后在故障相(U相)的第一個(gè)電壓峰值時(shí)刻電弧重燃。從時(shí)間上來(lái)看，工頻熄弧是每隔一個(gè)工頻周波重燃一次［9］。因此，本文中線(xiàn)路末端在3.675 s時(shí)發(fā)生U相接地故障短路，此時(shí)U相電壓為負(fù)最大值，產(chǎn)生間歇弧光接地過(guò)電壓，故障持續(xù)的時(shí)間為3個(gè)工頻周期。

系統(tǒng)的匯集線(xiàn)路末端接地時(shí)，系統(tǒng)的弧光接地過(guò)電壓如圖7—圖10所示。從圖7—圖10中可以看到，當(dāng)系統(tǒng)的中性點(diǎn)未接地時(shí)，系統(tǒng)的匯集線(xiàn)路末端接地時(shí)故障相電壓降為0，系統(tǒng)非故障相的弧光過(guò)電壓峰值為3.2 p.u.，系統(tǒng)中性點(diǎn)弧光過(guò)電壓峰值為 2.2 p.u.。

圖7 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓波形Fig.7 System voltage waveform of neutral point ungrounded system

圖8 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的中性點(diǎn)電壓波形Fig.8 Neutral point voltage waveform of neutral point ungrounded system

圖9 中性點(diǎn)接入50 Ω電阻后的系統(tǒng)電壓波形Fig.9 System voltage waveform of neutral point after access 50 resistance

圖10 中性點(diǎn)接入50 Ω電阻后的中性點(diǎn)電壓波形Fig.10 Neutral voltage waveform of neutral point after access 50 resistance

當(dāng)系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)50 Ω電阻接地后，系統(tǒng)非故障相的弧光過(guò)電壓峰值為2.5 p.u.，系統(tǒng)中性點(diǎn)弧光過(guò)電壓峰值為0.7 p.u.。相比中性點(diǎn)未接地系統(tǒng)，弧光過(guò)電壓峰值分別下降為0.7 p.u.和1.5 p.u.，降幅分別達(dá)21.8%和68.2%。中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地能夠有效抑制電網(wǎng)弧光過(guò)電壓的幅值。

嚴(yán)重的弧光過(guò)電壓是系統(tǒng)中的能量積累造成的，若在變壓器中性點(diǎn)串接一電阻器后泄放間歇性弧光過(guò)電壓中的電磁能量，可使中性點(diǎn)電位降低，故障相恢復(fù)電壓上升速度減慢，減小電弧重燃，進(jìn)而抑制過(guò)電壓幅值［10］。

綜合上述仿真結(jié)果，相對(duì)于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，當(dāng)中性點(diǎn)電阻為50 Ω時(shí)，一相工頻過(guò)電壓的最大值不超過(guò)2.0 p.u.，降幅達(dá)16.7%。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置能夠迅速切除故障，弧光接地過(guò)電壓最大降幅為1.5 p.u.。因此中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地可以有效地限制工頻過(guò)電壓和弧光接地過(guò)電壓的幅值。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)35 kV電網(wǎng)中性點(diǎn)接地電阻值的選取進(jìn)行理論分析和仿真計(jì)算，給出了該風(fēng)電場(chǎng)中性點(diǎn)電阻值宜取50 Ω。但中性點(diǎn)接地電阻值的上限受過(guò)電壓的限制，下限受熱穩(wěn)定要求的限制。所以為風(fēng)電場(chǎng)35 kV電網(wǎng)選取的中性點(diǎn)電阻值并非絕對(duì)的。對(duì)于不同風(fēng)電場(chǎng)的35 kV電網(wǎng)，應(yīng)根據(jù)其具體情況和側(cè)重點(diǎn)靈活選取合理的中性點(diǎn)電阻值。

2)中性點(diǎn)電阻泄放了對(duì)地電容的零序電荷，中性點(diǎn)電位降低，故障相恢復(fù)電壓上升速度減慢，減小了電弧重燃，進(jìn)而抑制了過(guò)電壓的幅值。因此中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地可以有效地限制工頻過(guò)電壓和弧光接地過(guò)電壓的幅值。

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