陳亮亮，韓 源，楊鎮(zhèn)澴，馬 琴

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0081—04

風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的設(shè)計及設(shè)備選擇

陳亮亮，韓 源，楊鎮(zhèn)澴，馬 琴

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

結(jié)合規(guī)范以及國家電網(wǎng)公司相關(guān)條文的要求，詳細闡述了風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的最優(yōu)設(shè)計方案的分析過程，并介紹了按照該方案如何選擇電氣設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)及其注意事項，交流了設(shè)計思路和設(shè)備選擇，為相關(guān)設(shè)計提供了參考。

風(fēng)電場；匯集線系統(tǒng)；中性點接地

風(fēng)電場近年來裝機規(guī)模不斷增大，但是技術(shù)發(fā)展的滯后及規(guī)程規(guī)范的缺失使得設(shè)計、制造及安裝環(huán)節(jié)均存在不同程度的隱患，給電網(wǎng)的安全運行帶來了很多問題，其中又以匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的設(shè)計更具代表性。

1 匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的特點

早期風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的設(shè)計基本都是遵循文獻[1]的設(shè)計要求，采用不接地、經(jīng)消弧線圈或低電阻的接地方式，也曾有采用經(jīng)消弧柜的接地方式，這幾種接地方式各有其運行特點。

1.1 中性點不接地方式

這種運行方式的工作原理是：當(dāng)發(fā)生接地故障時，由于不會形成回路，且通過短路點的電流僅為接地電容電流，當(dāng)故障電流很小時，只要對地電位發(fā)生變化，短路點電弧可自熄，絕緣亦可恢復(fù)，大大提高了供電可靠性。但如果發(fā)生間歇性弧光過電壓，使得健全相的電位可能升高，會造成擊穿設(shè)備的絕緣的危害。

1.2 中性點經(jīng)電阻接地方式

這種運行方式的工作原理是：給系統(tǒng)故障點注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質(zhì)。減小電容電流與電壓的相位差角，降低故障點電流過零熄弧后的重燃，當(dāng)阻性電流足夠大時，重燃將不再發(fā)生，同時把系統(tǒng)電壓控制在2.5倍相電壓以內(nèi)，并提高了繼電器保護靈敏度。

(1) 優(yōu)點：① 能快速切除故障，過電壓水平低，消除諧振過電壓；② 有利于降低操作過電壓，對全電纜線路，大部分接地故障為永久性故障，可不投入線路重合閘，不會引起操作過電壓；③ 在以電纜線路為主的系統(tǒng)中，與線路零序保護配合，可準(zhǔn)確判斷出故障線路并迅速切除。

(2) 缺點：① 發(fā)生短路故障時，保護設(shè)備立即動作切除故障，增加了停電次數(shù)，供電可靠性較低；② 數(shù)百安的接地電流會引起故障點接地網(wǎng)的地電位升高，危及設(shè)備和人身安全。

1.3 中性點經(jīng)消弧線圈接地方式

這種運行方式的工作原理是：當(dāng)發(fā)生接地故障時，對單相接地電容電流進行有效補償，而當(dāng)故障點的殘余電流降至10 A以下，利用消弧線圈易于熄弧和防止重燃的特點，使過電壓持續(xù)時間大為縮短，降低高幅值過電壓出現(xiàn)的概率，進而防止事故的發(fā)生與擴大。

(1) 優(yōu)點：① 保證了供電的可靠性與連續(xù)性，系統(tǒng)在單相接地故障下允許運行2 h;② 經(jīng)消弧線圈補償后，接地點的殘流較小，降低了故障相電壓的恢復(fù)速度，達到熄弧效果，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行;③ 降低了電網(wǎng)絕緣閃絡(luò)接地故障電流的建弧率，從而降低了線路跳閘率;④ 降低接地工頻電流并限制地電位升高，減小了跨步電位差和接地電位差，減少對低電壓設(shè)備的反擊。

(2) 缺點：① 發(fā)生故障時，健全相的電壓超過3倍相電壓，對設(shè)備的絕緣水平要求較高。② 諧振接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，故障電流值較小以及電弧不穩(wěn)定等因素，造成接地故障選線比較困難。③ 消弧線圈自動跟蹤補償是在工頻下完成的，當(dāng)采用電感電流來抵消電容電流時，對于弧光接地時的高頻分量部分無法抵消，因而不能消除弧光接地過電壓。④ 電纜線路一旦發(fā)生故障，多為永久故障。在諧振接地不跳閘情況下，電網(wǎng)帶接地故障運行存在著引發(fā)兩相或三相接地短路故障的危險性，故障容易發(fā)展成永久型的相間短路故障。⑤ 只能運行在過補償狀態(tài)，不能運行在欠補償狀態(tài)；因為在欠補償狀態(tài)下運行，當(dāng)線路故障切除時，易產(chǎn)生嚴(yán)重的諧振過電壓，危及設(shè)備安全。⑥ 在某些特殊情況下，線路不對稱度較大，特別是線路發(fā)生單相或兩相斷線時，對于該接地系統(tǒng)有可能引起串聯(lián)諧振，從而危及設(shè)備安全。

1.4 中性點經(jīng)消弧柜接地方式

這種運行方式的工作原理是：當(dāng)發(fā)生接地故障時，通過消弧柜接地裝置實現(xiàn)金屬性接地，并通過小電流接地選線裝置查找故障線路，最終利用消弧裝置實現(xiàn)消弧功能，防止過電壓的產(chǎn)生。

(1) 優(yōu)點：① 實用性高、結(jié)構(gòu)簡單、造價低；② 不受接地故障點的影響，也不受電網(wǎng)對地電容電流的影響，而且響應(yīng)速度快，既能快速處理穩(wěn)定性弧光接地，也能快速處理間歇性弧光接地，抑制弧光接地過電壓，同時還能預(yù)防故障電壓區(qū)因單相接地造成的觸點事故，防止進一步擴大事故；③ 不僅可以消除和限制操作過電壓，而且還可以消除大氣過電壓，保證了系統(tǒng)的安全運行。

(2) 缺點：① 消弧柜動作對系統(tǒng)的沖擊大，安全可靠性差，在保護動作恢復(fù)時，還易引發(fā)諧振而燒壞電氣設(shè)備是它難以克服的缺點；② 若保護動作投錯相，或保護動作后系統(tǒng)又發(fā)生異相接地，將形成相間短路，對系統(tǒng)造成更大的危害，不符合電力系統(tǒng)對保護裝置安全性的要求；③ 電容電流過大致使消弧裝置無法滿足功能需要，且裝置本身也容易在巨大的接地電流下被擊穿。

2 匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的電網(wǎng)要求

中國國家電網(wǎng)公司為了更好地規(guī)范和統(tǒng)一風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)的中性點接地方式，于2011年出版了《風(fēng)電場電氣系統(tǒng)典型設(shè)計》，對35 kV側(cè)的接地有了相對明確的要求：① 風(fēng)電場35 kV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)消弧柜接地方式。② 經(jīng)電阻接地的35 kV系統(tǒng)應(yīng)滿足單相接地故障情況下，繼電保護正確選擇、快速切除的要求，同時應(yīng)兼顧風(fēng)電機組的運行電壓適應(yīng)性要求；③ 經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)應(yīng)滿足單相接地故障可靠選線，快速切除的要求。

同年，在經(jīng)歷了酒泉風(fēng)電基地大規(guī)模風(fēng)機脫網(wǎng)事故后，國家電網(wǎng)公司又相繼下發(fā)了《防止風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)重點措施》(西電調(diào)字[2011]59號)及《風(fēng)電并網(wǎng)運行反事故措施要點》(國家電網(wǎng)調(diào)2011[974]號)等一系列文件，進一步加強了對風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的要求：對新建風(fēng)電場，建議匯集線系統(tǒng)采用經(jīng)電阻接地方式，并配置單相接地故障保護。匯集線系統(tǒng)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式的風(fēng)電場， 應(yīng)配置帶跳閘功能的小電流接地選線裝置，在單相接地后快速切除故障，若不成功則跳開主變低壓側(cè)開關(guān)隔離故障。

考慮到風(fēng)電場內(nèi)的饋線大量使用電纜，而電纜故障絕大多數(shù)為永久性故障，電纜單相接地故障可能因過電壓發(fā)展為相間故障導(dǎo)致風(fēng)電機組機端電壓降低，造成風(fēng)電場內(nèi)其它機組因低電壓保護動作而脫網(wǎng)，擴大事故范圍；同時風(fēng)電場作為發(fā)電系統(tǒng)，年利用小時數(shù)較低，不存在對用戶連續(xù)供電，且切除單條饋線對風(fēng)電場及電網(wǎng)的運行影響均不大，所以電力系統(tǒng)更推薦匯集線系統(tǒng)中性點采用經(jīng)低電阻接地的方式。

綜上所述，目前風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的選擇，如表1所示。

表1 接地方式選擇表

3 匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的設(shè)計 要求

(1) 接地電阻安裝位置的選擇

目前風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)的中性點引出方式一般有2種方案。方案1是裝設(shè)接地變壓器及開關(guān)設(shè)備，通過接地變壓器引出中性點；方案2是主變壓器采用YNyn0dll型聯(lián)結(jié)組別，從主變壓器中壓側(cè)直接引出中性點。2種方案具體如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點引出方式圖

從2種方案的對比不難看出，方案1需要增加接地變壓器及開關(guān)設(shè)備的投資，方案2需要增加主變壓器的投資，2種方案從經(jīng)濟性上來說差別不大，但是作為發(fā)電系統(tǒng)，根據(jù)工程經(jīng)驗采用方案1比較合適，而如果按照變電站的設(shè)計思路則習(xí)慣采用方案2。

(2) 接地變壓器容量的選擇

風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)正常運行時，接地變壓器的繞組僅流過很小的勵磁電流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時，繞組中才流過較大的系統(tǒng)短路電流。接地變壓器的容量原則上應(yīng)不小于接地電阻的額定容量。文獻[2]第18.3.4條對接地變壓器的容量要求：

SN≥PR

式中：PR為接地電阻額定容量。

由于低電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相短路故障時要求快速切除，根據(jù)繼電保護要求，其持續(xù)時間應(yīng)小于10 s，因此接地變壓器容量計算時應(yīng)充分考慮變壓器的10 s短時過載能力。文獻[5]對接地變壓器的短時過負荷系數(shù)作出規(guī)定，如表2所示。

表2 接地變壓器的短時過負荷系數(shù)表

(3) 接地電阻電流的選擇

低電阻接地系統(tǒng)當(dāng)發(fā)生單相接地短路時，流過故障點的接地故障電流為電容電流與電阻電流的“合”電流。

架空線路電容電流應(yīng)根據(jù)下式計算：

Ic1=(2.7～3.3)×Ue×L×10-3

電纜線路電容電流應(yīng)根據(jù)下式計算：

Ic2=0.1×Ue×L

總的電容電流應(yīng)根據(jù)下式計算：

Ic=Ic1+Ic2

電阻電流應(yīng)根據(jù)下式計算：

IR=(1～1.5)×Ic

接地故障電流應(yīng)根據(jù)下式計算：

式中：L為線路長度，km；Ue為額定線電壓，kV。

其中接地故障電流的選擇還應(yīng)結(jié)合以下幾個方面進行考慮：

(1) 為獲得快速選擇性繼電保護所需的足夠電流，需要較大的接地故障電流，目前低電阻接地系統(tǒng)一般采用接地故障電流為100～1 000 A[1]。

(2) 從降低弧光過電壓幅值考慮，一般取電阻電流為1～1.5倍的電容電流，可以限制內(nèi)部過電壓不超過2.6倍，進一步提高阻性電流對降低內(nèi)部過電壓收效不大[4]。

(3) 從保護人身安全、降低通信干擾、滿足設(shè)備短時及峰值耐受、降低接地設(shè)備容量及投資方面考慮，接地故障電流又不能太大。

(4) 風(fēng)電場作為發(fā)電系統(tǒng)，建成后由于各項參數(shù)變化導(dǎo)致35 kV系統(tǒng)電容電流增加很多的可能性很小，因此故障電流不用考慮太多裕量。

綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地電容電流較小時，宜按Id不小于100 A進行考慮，IR可取100 A；當(dāng)電容電流較大時，IR可按相應(yīng)電容電流的1～1.5倍進行考慮。

4 工程實例

新疆某風(fēng)電場，裝機規(guī)模200 MW，處于戈壁平原地區(qū)，配套建設(shè)一座110 kV升壓變電站。根據(jù)接入系統(tǒng)設(shè)計及其審查意見的要求，升壓變電站內(nèi)主變壓器采用2臺100 MVA的三相雙繞組有載調(diào)壓變壓器，額定電壓為(115±8)×1.25%/37 kV，聯(lián)結(jié)組別為YNd11；風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)采用經(jīng)低電阻接地的方式，集電線路總長度為52 km，其中架空段長度為44.8 km，電纜段長度為7.2 km。

架空線路的電容電流為：

Ic1=2.7×Ue×L×10-3=4.48 A

電纜線路的電容電流為：

Ic2=0.1×Ue×L=26.64 A

接地故障時總的電容電流為：

Ic=Ic1+Ic2=31.12 A

則電阻電流為：

IR=(1～1.5)×Ic=(31.12～46.68) A

由于電容電流較小，實際工程中電阻電流IR可取100 A，則接地故障電流為：

接地電阻的電阻值為：

接地電阻的額定電壓為：

接地電阻的消耗功率為：

PR=Id×UR=104.73×22.43=2349 kVA

接地變壓器的運行容量為：

根據(jù)上述計算，本工程匯集線系統(tǒng)的中性點接地設(shè)備選擇，如表3所示。

表3 設(shè)備參數(shù)表

5 結(jié) 語

在中國國家電網(wǎng)公司的推動下，目前風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)中性點接地方式的選擇已經(jīng)有了指導(dǎo)性文件，雖然各省市的具體要求不盡相同，但基本形式都已經(jīng)確定。

在風(fēng)電場電氣系統(tǒng)設(shè)計中不能只依賴國家標(biāo)準(zhǔn)或者電力標(biāo)準(zhǔn)進行選擇，而應(yīng)該在仔細研究風(fēng)力發(fā)電特點的大前提下，結(jié)合項目所在地的地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃及當(dāng)?shù)厥∈须娏镜囊?，合理設(shè)計風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)的中性點接地方式，并通過實際計算進行設(shè)備選型。

[1]DL/T620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].北京：中國電力出版社,1997.

[2]DL/T5222-2005,導(dǎo)體和電氣選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國電力出版社,2005.

[3] 水利電力部西北電力設(shè)計院.電力工程電氣設(shè)計手冊：電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社,1989.

[4] 平紹勛,周玉芳.電力系統(tǒng)中性點接地方式及運行分析[M].北京：中國電力出版社,2010.

[5]C62.92.3-1993,IEEEGuidefortheApplicationofNeutralGroundinginElectricalUtilitySystems，PartIII-GeneratorAuxiliarySystems[S].IEEE,1993.

Design and Equipment Selection of Grounding Mode at Neutral Point in Collection Line System of Wind Farm

CHEN Liang-liang, HAN Yuan, YANG Zhen-huan, MA Qin

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

In accordance with design codes and requirements of the national grid company, the analyzing process of the optimum design scheme of the grounding mode at the neutral point in collection line system of wind farm is described. Meanwhile, how to select key parameters of the electric equipment and other points are introduced according to the scheme. Design concept and equipment selection are explained. This provides relevant design with reference.Key words:wind farm; collection line system; neutral-point grounding

2015-01-21

陳亮亮(1984- )，男，吉林省長春市人，工程師，主要從事新能源電氣設(shè)計工作.

TM614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.021