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        風(fēng)電場接地變及其中性點(diǎn)接地電阻的改進(jìn)方案分析

        2015-12-20 06:48:00林峰張?zhí)m英呂庭欽相里碧玉江岳文
        電網(wǎng)與清潔能源 2015年2期
        關(guān)鍵詞:集電中性點(diǎn)零序

        林峰,張?zhí)m英,呂庭欽,相里碧玉,江岳文

        ( 1. 國網(wǎng)福州供電公司, 福建 福州 350009; 2. 國網(wǎng)南平供電公司, 福建 南平 353000;3. 福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院, 福建 閩侯 350108)

        風(fēng)電場內(nèi)35 kV或10 kV側(cè)集電線路大量地使用電纜,使得電容電流越來越大,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[1-2]。 因此,風(fēng)電場35 kV或10 kV側(cè)大部分采用小電阻接地方式。 繼電保護(hù)風(fēng)電場接地變參數(shù)及接地電阻選取不合理,存在保護(hù)整定困難及接地變燒毀的風(fēng)險(xiǎn)。 本文通過某風(fēng)電場實(shí)例,分析了其2臺接地變參數(shù)及其接電電阻選取均不合理將造成集電線路繼電保護(hù)無法同時(shí)滿足選擇性與靈敏性的要求,對設(shè)備和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。 綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性,提出了將兩期工程接地變對換及根據(jù)需要改造接地電阻達(dá)到繼電保護(hù)整定要求。 改造后,風(fēng)電場已安全穩(wěn)定運(yùn)行多年,證明方案可行。

        1 風(fēng)電場主要設(shè)備現(xiàn)狀

        1.1 風(fēng)電場主接線示意圖

        某風(fēng)電場的主接線型式如圖1所示。風(fēng)電場分二期建成,即1號主變、1號接地變、1號電容器組及A組、C組、E組為一期工程;2號主變、2號接地變、2號電容器組及B組、D組、F組為二期工程。 35 kV母聯(lián)35 M開關(guān)正常運(yùn)行均處于開斷狀態(tài)。 2臺主變型號均為SZ11-50000/110, 連接組別均為YNd11,35 kV側(cè)運(yùn)行電壓為37 kV。

        圖1 風(fēng)電場主接線圖Fig. 1 Main wiring diagram of the wind farm

        1.2 風(fēng)電場35 kV側(cè)接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)

        接地變接線示意圖如圖2所示。

        圖2 Z型接地變接線示意圖Fig. 2 Wiring diagram of the Z-type grounding transformer

        接地變的零序阻抗值設(shè)計(jì)應(yīng)遠(yuǎn)小于電阻值,但實(shí)際情況應(yīng)具體分析。 此風(fēng)電場35 kV側(cè)接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)如表1所示。

        表1 接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of the grounding transformer and neutral point resistance

        1.3 集電線路電容電流的計(jì)算

        1.3.1 集電線路參數(shù)收集

        集電線路接線示意圖如圖3所示。

        根據(jù)集電線路示意圖,收集統(tǒng)計(jì)每組集電線路長度及相應(yīng)電纜的截面,用于電容電流計(jì)算。

        1.3.2 電容電流的計(jì)算

        現(xiàn)在有許多配網(wǎng)線路電容電流的估算公式,但各估算公式均有其運(yùn)用的局限性[3-5]。 隨著科技進(jìn)步, 目前35 kV電力電纜的絕緣一般是用交聯(lián)聚乙烯或聚氯乙烯材料,絕緣性能好,介電常數(shù)小,而且現(xiàn)在的電力電纜內(nèi)部都有屏蔽層,至少有鋼鎧保護(hù)層,同時(shí)接有接地線,因此電纜敷設(shè)受土壤、環(huán)境等影響很小。 交聯(lián)聚乙烯材料也不斷升級,電力電纜生產(chǎn)廠家所提供的技術(shù)資料都有單位長度的電感、電容等技術(shù)參數(shù)( 如表2所示),同時(shí)隨著測量儀器、儀表精度的提高,也可用直接測量線路空載電流來計(jì)算,可不必再使用“ 經(jīng)驗(yàn)公式”來計(jì)算電纜線路的電容電流。

        圖3 集電線路接線示意圖Fig. 3 Wiring schematic of the power collecting line

        表2 35 kV電纜電容參考值Tab. 2 Capacitor reference value of 35 kV cables

        根據(jù)IC=ω×Ue×C×L×10-3可計(jì)算得出各組集電線的電容電容,如表3所示。

        式中,Ic為接地電容電流,A; Ue為電網(wǎng)線電壓,V;C為電容值,μF/km;L為導(dǎo)體長度,km。

        表3 集電線路電容電流計(jì)算表Tab. 3 Capacitive current calculation table of the power collecting line

        表3中總電容電流考慮在集電線路總電容電流的基礎(chǔ)上增加13%。 各集電線路電容電流實(shí)測值與計(jì)算值接近,誤差可忽略。

        2 集電線路保護(hù)整定分析

        2.1 零序網(wǎng)絡(luò)分析

        當(dāng)某組集電線路發(fā)生單相金屬性接地故障時(shí),其接線示意圖如圖4所示, 簡化零序網(wǎng)絡(luò)接線圖如圖5所示,零序網(wǎng)絡(luò)相量圖如圖6所示。 圖6中,因正序和負(fù)序阻抗遠(yuǎn)小于零序阻抗, 忽略了正序和負(fù)序阻抗,IJD為流過故障集電線路保護(hù)裝置的零序電流,IC.∑為非故障集電線路的綜合電容電流,IN為故障時(shí)流過中性點(diǎn)接地電阻的額定電流,IR為中性點(diǎn)額定電流的電阻分量,IX0為中性點(diǎn)額定電流的電感分量。

        圖4 接線示意圖Fig. 4 Wiring schematic diagram

        圖5 簡化的零序網(wǎng)絡(luò)圖Fig. 5 Simplified zero sequence network diagram

        圖6 零序圖絡(luò)相量圖Fig. 6 The phasor diagram of zero sequence network

        2.2 故障時(shí)中性點(diǎn)接地電阻的零序電流

        故障時(shí)流過接地變中性點(diǎn)接地電阻器RN的零序電流IN,如式( 1)所示。

        式中,Up為電網(wǎng)相電壓,V;RN為中性點(diǎn)接地電阻,Ω;X0為接地變零序阻抗,Ω。 當(dāng)集電線路發(fā)生單相金屬性故障時(shí),根據(jù)式( 1)計(jì)算兩期風(fēng)電場接地變的額定電流,分別為:IN1,IN2。

        2.3 故障集電線路保護(hù)裝置最小零序電流

        如圖6所示, 流過故障集電線路保護(hù)裝置的零序電流IJD等于流過接地變中性點(diǎn)電流IN與母線上非故障線路單相金屬性接地電容電流IC的向量和。 因非故障線路單相金屬性接地綜合電容電流IC將隨著集電線路的投退而變化,流過故障線路的零序電流的最小值將發(fā)生在接地變中性點(diǎn)電流的電感電流與集電線路的綜合電容電流最為接近的運(yùn)行方式( IC.JJ為此方式下的電容電流)下。

        當(dāng)集電線路發(fā)生單相金屬性故障時(shí),根據(jù)式( 2)計(jì)算兩期風(fēng)電場流過故障集電線路的最小零序電流:IJD.min1,IJD.min2。 經(jīng)分析,IJD.min1發(fā)生條件為A組或E組集電線路故障,且僅C組集電線路( 其電容電流為IC.C) 無故障運(yùn)行時(shí);IJD.min2發(fā)生條件為B組或F組集電線路故障,且僅D組集電線路( 其電容電流為IC.D)無故障運(yùn)行時(shí);

        計(jì)算分析表明, 當(dāng)感性電流與容性電流相等時(shí),流過故障集電線路保護(hù)裝置的最小零序電流等于流過接地變中性點(diǎn)額定電流的電阻分量。 即校驗(yàn)集電線路零序電流保護(hù)靈敏度可以直接用此值進(jìn)行校核。

        2.4 集電線零序電流保護(hù)整定分析

        零序電流保護(hù)應(yīng)對本線路單相接地故障有不小于2的靈敏度( 即靈敏性),并可靠躲過本線路的電容電流( 即選擇性)[6]。 繼電保護(hù)裝置的零序電流整定必須同時(shí)滿足靈敏性及選擇性,即應(yīng)同時(shí)滿足式( 3)、( 4),才能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

        對于風(fēng)電場一期,根據(jù)式( 3)、( 4)計(jì)算如下:

        因此,對于風(fēng)電場一期工程,集電線路的零序電流整定9.65 A至35 A之間。

        對于風(fēng)電場二期,根據(jù)式( 3)、( 4)計(jì)算如下:

        IDZ.2≥1.5IC.max.2=1.5×43.88=65.8( A)

        因此,對于風(fēng)電場二期工程,集電線路的零序電流整定無法同時(shí)滿足選擇性與靈敏性的要求。 主要原因?yàn)橹行渣c(diǎn)接地電阻器阻值偏大,導(dǎo)致接地故障電流偏小所致。

        3 改造方案

        3.1 方案一

        方案一:直接調(diào)整二期工程接地變接地電阻阻值,以使集電線路單相金屬性接地故障時(shí)有足夠的零序電流流過集電線路保護(hù)裝置,保證保護(hù)的動(dòng)作靈敏性。

        3.1.1 中性點(diǎn)電阻器阻值的選取

        計(jì)算表明,當(dāng)IN≥3IC時(shí),接地保護(hù)有選擇性和靈敏性,并限制暫態(tài)過電壓在2.5倍相電壓以下( 且限制過電壓的變化也不大)。電阻器的阻值ZN按下式選

        取[7-9]:

        同時(shí)滿足

        在風(fēng)電場二期中,35 kV系統(tǒng)總的電容電流為134 A,依式( 5),

        中性點(diǎn)電阻器的阻值選取范圍為53~80 Ω。 本期選取接地電阻為66 Ω,對應(yīng)流過接地變中性點(diǎn)的接地電流為322 A。

        3.1.2 接地變?nèi)萘啃:?/p>

        用于低電阻接地系統(tǒng)的接地變壓器, 通常按30 s以內(nèi)承受的最大故障電流來選取。 接地變壓器的額定容量的計(jì)算公式[6]:

        式中,Se.r為接地變壓器的額定容量,kV·A;Sd.r為接地變壓器的短時(shí)容量,kV·A;UL為線電壓,kV;Ijd為單相接地故障電流,A;K為換算系數(shù)。 根據(jù)IEEEC62.92.3標(biāo)準(zhǔn),K值系數(shù)如表4所示。

        表4 K值系數(shù)Tab. 4 The value of coefficient K

        按式( 7)計(jì)算二期接電變額定容量為:

        二期接地變的額定容量為150 kV·A,不滿足要求。 因此,不采用方案一。

        3.2 方案二

        方案二:風(fēng)電場一期的接地電容電流較小,但配了一個(gè)容量很大的接地變,不合理。 因此考慮將原二期的接地變及接地電阻用于一期,而將一期的接地變用于二期,同時(shí)將原一期的接地電阻改造為66 Ω。

        兩期風(fēng)電場的接地變均位于同一配電室,相向布置。 接地變體積較大,移動(dòng)不便,因此一次接線的改造,只需將接地變的一次接線對調(diào)即可。 而原一期接地電阻的改造,只需將片狀接地電阻拆去幾片或者用銅線短接部分電阻, 使改造后的電阻值為66 Ω即可。

        改造后接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)如表5所示。

        3.2.1 接地變?nèi)萘啃:?/p>

        3.2.1.1 風(fēng)電場一期接地變?nèi)萘啃:?/p>

        風(fēng)電場一期35 kV系統(tǒng)總的電容電流為18 A,因此接地變的接地電流可以考慮取

        表5 改造后接地變及中性點(diǎn)電阻主要參數(shù)Tab. 5 Main parameters of grounding transformer and neutral point resistance after the transformation

        由式( 7)進(jìn)行校核如下。

        一期接地變的額定容量為150 kV·A,滿足要求。

        3.2.1.2 風(fēng)電場二期接地變?nèi)萘啃:?/p>

        按式( 7)計(jì)算二期接電變額定容量要求為:

        對換后接地變?nèi)萘繛?50 kV·A,滿足要求。

        3.2.2 繼電保護(hù)靈敏度及選擇性校核

        根據(jù)式( 1),改造后接地變的額定電流為

        據(jù)式( 2)計(jì)算發(fā)生單相金屬性接地故障后,流過集電線路的最小零序電流。

        依式( 3)、( 4)進(jìn)行校核如下:

        對于風(fēng)電場一期:

        對于風(fēng)電場二期:

        由此可見經(jīng)方案二改造以后,當(dāng)集電線路發(fā)生單相金屬性故障后風(fēng)電場兩期的零序動(dòng)作電流均能滿足靈敏性與選擇性的要求。

        3.2.3 瞬態(tài)電壓電流及通信校核

        對于6~35 kV的以電纜為主的配電線路, 因電容電流大,采用低電阻接地時(shí),除應(yīng)考慮供電可靠性要求及繼電保護(hù)技術(shù)要求外, 還應(yīng)考慮瞬態(tài)電壓、瞬態(tài)電流對設(shè)備的影響以及對通信的影響[8]。

        改造后,滿足IN>IC,即均能將非接地相電壓倍數(shù)限制在2.5倍相電壓以下。 滿足瞬態(tài)電壓要求。

        由于正序等值阻抗加負(fù)序等值阻抗比零序等值阻抗小很多,其三相短路電流要比單相接地故障電流要大很多。 單相接地電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)三相短路電流。 因此改造后滿足瞬態(tài)電流要求。

        最大單相接地故障電流一般認(rèn)為控制在2 000~1 000 A或以下時(shí),對通信線路的干擾不會超過允許范圍。 因此改造后滿足通信要求。

        4 結(jié)論

        本文結(jié)合風(fēng)電場實(shí)例,分析了風(fēng)電場電容電流計(jì)算、零序網(wǎng)絡(luò)、接地變及其接地電阻的選取方法,并強(qiáng)調(diào)了集電線路繼電保護(hù)對零序電流要求的重要性。 此風(fēng)電場運(yùn)用本文所提方案改造了接地變及其接地電阻, 并優(yōu)化了35 kV相關(guān)設(shè)備保護(hù)定值后,已安全穩(wěn)定運(yùn)行多年。 后續(xù)結(jié)合其他風(fēng)電場運(yùn)行期間故障錄波波形的輔助分析也驗(yàn)證本文所提方案可行。

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