王歡

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

風(fēng)電場裝機(jī)容量不斷提高，場內(nèi)集電線路的長度及回路數(shù)不斷增加，對風(fēng)電場集電線路的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高要求。越來越多的風(fēng)電場集電線路傾向電力電纜，而電力電纜線路在運(yùn)行中存在著較大的對地電容電流，極易產(chǎn)生間歇性弧光過電壓對電氣設(shè)備造成損壞。如何準(zhǔn)確選擇系統(tǒng)中性點(diǎn)的接地方式已經(jīng)是影響風(fēng)電場安全運(yùn)行的主要問題。本文結(jié)合相關(guān)規(guī)程規(guī)范以及國家電網(wǎng)公司相關(guān)條文的要求，論述了風(fēng)電場35kV系統(tǒng)側(cè)接地方式的選取及接地變壓器容量的選擇方案，為風(fēng)電場中性點(diǎn)接地方式及接地變壓器容量的選擇提供了設(shè)計依據(jù)。

1 風(fēng)電場系統(tǒng)接地方式概述

在風(fēng)電場運(yùn)行的過程中，接地故障占比最高的為單相接地故障，故障率約為60%。為了減少單相接地故障所帶來的危害，國內(nèi)外相關(guān)專家一直致力于該故障的分析及研究。世界各國風(fēng)電場所采用的接地方式不盡相同，主要依賴于各國各地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗及傳統(tǒng)做法。

在我國由于風(fēng)電場屬于中低壓系統(tǒng)（集電線路母線側(cè)電壓U≤66kV），故絕大多數(shù)風(fēng)電場采用系統(tǒng)不接地的運(yùn)行方式。一般來講中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)通常由以下三種系統(tǒng)構(gòu)成：系統(tǒng)不接地運(yùn)行方式、系統(tǒng)經(jīng)電阻接地運(yùn)行方式、系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式。

1.1 系統(tǒng)不接地運(yùn)行方式

在系統(tǒng)不接地運(yùn)行方式中，由于系統(tǒng)三相電壓的對稱性，當(dāng)發(fā)生單相接地故障時，各線電壓的電壓值不會發(fā)生較大變化，故接地故障點(diǎn)的故障電流值ID較小，通常發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)可繼續(xù)運(yùn)行2h，所以中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)屬于小電流接地系統(tǒng)。在故障發(fā)生期間，電站運(yùn)維人員可以根據(jù)繼保裝置信號來查找故障原因并進(jìn)行處理，進(jìn)而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)不接地運(yùn)行方式中發(fā)生單相接地故障時等值電路圖

圖2 單相接地故障時的電流電壓向量圖

圖1為發(fā)生單相接地故障時，系統(tǒng)不接地運(yùn)行方式的等值電路圖，圖2為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，發(fā)生單相接地故障時的電流電壓向量圖。圖中C1、C2、C3分別為三相對地的電容值，若C=C1=C2=C3，則在系統(tǒng)正常運(yùn)行時，中性點(diǎn)的對地電壓為0，即UN=0。若在系統(tǒng)運(yùn)行時，A相發(fā)生單相接地故障時，中性點(diǎn)對地電壓升高至相電壓，即UN=-UA，系統(tǒng)其他兩相對地相電壓升高為線電壓UBA、UCA，對地電容C2、C3中的電流分別領(lǐng)先UBA、UCA 90°，其值為：

式中，I1、I2為系統(tǒng)B相、C相的接地故障電流，ω為系統(tǒng)的電角速度，UN為系統(tǒng)中性點(diǎn)的對地電壓值。

故障電流為：

式中，ID為單相接地故障電流值。

由上式可以得出在系統(tǒng)不接地方式運(yùn)行中發(fā)生單相接地故障時，流過故障回路的電容電流值為正常運(yùn)行時三相正常回路對地電容電流值的總和。在系統(tǒng)不接地方式中發(fā)生單相接地故障時，大部分為非金屬接地故障，接地電弧處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這種間歇性的電弧時刻都在變化，極易形成弧光接地過電壓。

文獻(xiàn)[3]表明，中低壓系統(tǒng)電容電流超過10A時，接地電弧將難以自動熄滅。在實(shí)際運(yùn)行中，因弧光過電壓造成事故的例子不在少數(shù)，如母線絕緣子、斷路器對地放電，引發(fā)短路。

目前降低弧光接地過電壓發(fā)生概率的兩種有效方式，是風(fēng)電場系統(tǒng)采用經(jīng)消弧線圈的運(yùn)行方式及系統(tǒng)采取經(jīng)電阻接地的運(yùn)行方式。系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地方式可以補(bǔ)償單相接地故障時的接地電容電流值，從而降低系統(tǒng)弧光接地電壓高幅值的概率，進(jìn)而限制弧光接地的過電壓的幅值；系統(tǒng)經(jīng)電阻接地的方式在發(fā)生單相接地故障時，故障點(diǎn)可以產(chǎn)生較大的故障電流，繼電保護(hù)裝置可以迅速動作切除故障線路，從而降低弧光過電壓現(xiàn)象發(fā)生的概率。

1.2 系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈接地運(yùn)行方式

當(dāng)系統(tǒng)采用消弧線圈的接地方式，若風(fēng)電場發(fā)生單相接地故障，故障點(diǎn)的電容電流值可以被消弧線圈的電感電流補(bǔ)償，降低故障點(diǎn)的電流值在10A以下，故障點(diǎn)的接地電弧不會重燃，從而防止接地事故進(jìn)一步擴(kuò)大。圖3為中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序等效電路圖。

圖3 中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)的零序等效電路圖

由圖3可知，在系統(tǒng)經(jīng)消弧線圈的接地方式中，發(fā)生單相接地故障時，故障點(diǎn)的電流值為集電線路的電容電流值IC與流經(jīng)消弧線圈的電感電流IL向量和，即：ID=IL+IC，，當(dāng)ID小于10A時，單相接地電弧過零后易不易重燃，降低了事故的影響面積。根據(jù)系統(tǒng)中消弧線圈容量的大小，中線點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的補(bǔ)償方式可以分為完全補(bǔ)償、過補(bǔ)償和欠補(bǔ)償。

1.3 系統(tǒng)經(jīng)電阻接地方式

在風(fēng)電系統(tǒng)中性點(diǎn)串接合適電阻值電阻器，使電阻器與系統(tǒng)對地電容組成串聯(lián)回路，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，若發(fā)生單相接地故障時，可以迅速釋放系統(tǒng)中的電容電荷，從而達(dá)到限制過電壓幅值發(fā)生的概率，此種接地方式稱為系統(tǒng)經(jīng)電阻接地方式。圖4為系統(tǒng)經(jīng)電阻接地方式中零序等效電路圖。

從圖4可以看出系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式在發(fā)生單相接地故障時，故障點(diǎn)流經(jīng)電阻器的電阻電流與故障點(diǎn)對地電容電流，兩者相位相差90°，故障點(diǎn)的電流值為兩者向量和。若風(fēng)電場系統(tǒng)中性點(diǎn)接地電阻值選取合適，系統(tǒng)可以根據(jù)每回集電線路電流值的大小區(qū)別正常運(yùn)行回路及故障回路，且快速切除故障線路。各回路對地電容電流值不同，為了保證每回集電線路繼電保護(hù)裝置能夠正確動作，各回路零序保護(hù)定值易分別進(jìn)行設(shè)置。

圖4 中性點(diǎn)經(jīng)電阻的接地系統(tǒng)零序等效電路圖

2 風(fēng)電場35kV側(cè)系統(tǒng)接地方式選擇

2.1 現(xiàn)行規(guī)范對風(fēng)電場35kV側(cè)系統(tǒng)接地方式的規(guī)定

目前國內(nèi)在風(fēng)電場35kV側(cè)系統(tǒng)接地方式的設(shè)計選型中除依據(jù)各地區(qū)的運(yùn)行經(jīng)驗及傳統(tǒng)做法外，主要參考依據(jù)以下規(guī)程規(guī)定。

（1）《風(fēng)電場工程電氣設(shè)計規(guī)范》第4．9．2條規(guī)定：“風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)35kV及以下系統(tǒng)中性點(diǎn)宜采用低電阻接地方式接地，也可采用其他接地方式，但不應(yīng)采用不接地方式?！?/p>

（2）《風(fēng)力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)范》中第6．5．1條規(guī)定：“35kV集電線路或電纜單相接地電容電流大于10A時，均應(yīng)在變電所裝設(shè)消弧線圈?！?/p>

（3）《國家電網(wǎng)公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施（修訂版）》第3．2．3．3條規(guī)定：“風(fēng)電場匯集線系統(tǒng)單相故障應(yīng)快速切除。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)消弧柜接地方式。經(jīng)電阻接地的匯集線系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，應(yīng)能通過相應(yīng)保護(hù)快速切除，同時應(yīng)兼顧機(jī)組運(yùn)行電壓適應(yīng)性要求。經(jīng)消弧線圈接地的匯集線系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，應(yīng)能可靠選線，快速切除。”

由此可知：現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范對風(fēng)電場35kV側(cè)系統(tǒng)接地方式僅明確要求風(fēng)電場禁止采用不接地的運(yùn)行方式，但對系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地方式以及系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻的接地方式未做統(tǒng)一要求。兩種中性點(diǎn)接地方式均能滿足相關(guān)設(shè)計要求。因此，在實(shí)際設(shè)計應(yīng)用中，風(fēng)電場35kV系統(tǒng)中性點(diǎn)采用方式不能只參考某一規(guī)程規(guī)范，而應(yīng)結(jié)合項目所在地國家電網(wǎng)條文的規(guī)定，合理設(shè)計風(fēng)電場系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地方式。

2.2 工程實(shí)例分析

某風(fēng)電場裝機(jī)規(guī)模130MW，匯集本風(fēng)電場所發(fā)電能后，通過一回220kV出線接入對側(cè)220kV變電站。風(fēng)電場220kV側(cè)采用線變組接線方式，35kV側(cè)采用單母線接線方式，35kV側(cè)設(shè)置1套無功補(bǔ)償裝置、1套接地變裝置，集電線路采用35kV全電纜方案，集電線路總長度為75．4km。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，升壓站35kV側(cè)電容電流值計算方法如下：

電力電纜的電容電流：

式中，Ue為系統(tǒng)線電壓，L為集電線路長度，為電力電纜線路的電容電流。

考慮上風(fēng)電場電氣設(shè)備對地電容電路增加13%，則總的電容電流值為298．2A。

若采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式，35kV側(cè)中性點(diǎn)消弧線圈的所需容量如式（2）所示

式中，K為過補(bǔ)償系數(shù)，1．25，Q為消弧線圈的容量。根據(jù)文獻(xiàn)[5]的規(guī)定，接地變壓器的容量需大于消弧線圈的容量，即S≥Q,故接地變壓器的容量為8000kVA。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]規(guī)定，35kV消弧線圈優(yōu)選額定容量不宜過大，其值小于2400kVA為宜。在風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行中，若消弧線圈的容量值高于2400kVA，則該消弧線圈需定制加工，且實(shí)際應(yīng)用案例較少。故在風(fēng)電場設(shè)計選型中若系統(tǒng)的電容電流值較大時，不宜選用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈的接地方式。

當(dāng)采用中性點(diǎn)經(jīng)低電阻接地方式時，要求流過中性點(diǎn)電阻的阻性電流值不小于容性電流值，以限制間歇性弧光接地時的過電壓水平在2．6倍的相電壓內(nèi)（此數(shù)值是高壓電動機(jī)、電力電纜可以承受的最大過電壓倍數(shù)）；同時為了保證繼電保護(hù)裝置能夠正確動作，要求單相接地故障電流大于線路的電容電流。

故取 IR=1．5×IC=447．3A。則單相接地故障電流為：

式中，ID為單相接地故障電流，IR為流過故障點(diǎn)的電阻性電流，IC為流過故障點(diǎn)的容性電流。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知中性點(diǎn)接地電阻的阻值為：

式中，R為中性點(diǎn)電阻值，UN為中性點(diǎn)電壓值。

接地電阻消耗的功率為：

式中，PR為中性點(diǎn)接地電阻消耗的功率。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的規(guī)定，接地變壓器的容量取值為：

式中，K為接地變壓器過載系數(shù)，根據(jù)IEEE-C62．92．3標(biāo)準(zhǔn)中對接地變壓器的短時允許過載系數(shù)的規(guī)定，取值為10．5。

故根據(jù)式（8）接地變壓器的容量可選為1200kVA。

由上文分析計算可知，風(fēng)電場系統(tǒng)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地方式選用的接地變壓器容量，較中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式選用的接地變壓器容量降低比較明顯，設(shè)備成本大為降低。

3 結(jié)語

當(dāng)風(fēng)電場集電線路主要為電力電纜且風(fēng)電場裝機(jī)容量較大時，反生單相接地故障時，多為金屬性接地故障，且故障電弧不易熄滅，故在風(fēng)電場中性點(diǎn)接地方式的選擇及接地容量的選取時，應(yīng)優(yōu)先考慮選用中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地的方式，保證故障線路快速有效的切除，減少接地事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

[1]林峰,張?zhí)m英,呂庭欽,相里碧玉,江岳文．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[J]．電網(wǎng)與清潔能源 ,2015,31(2)：126-129．

[2]曹小玲,蔣多暉．中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地方式在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]．華東電力 ,2013,41(11)： 2205-2206．

[3]平紹勛,周玉芳．電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式及運(yùn)行分析[M]．中國電力出版社,2010．

[4]弋東方,鐘大文等．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,2001：80-84．

[5]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會．DL/T 5222-2005導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]．北京：中國電力出版社,2005．

[6]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會．DL/T1057-2007 自動跟蹤補(bǔ)償消弧線圈成套裝置技術(shù)條件[S]．北京：中國電力出版社,2007．