江蘇藍(lán)天光伏科技有限公司 ■ 劉隨生

0 引言

光伏電站中壓小電阻接地系統(tǒng)不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地系統(tǒng)的各處電流大小及相位情況復(fù)雜，此種現(xiàn)象會(huì)影響保護(hù)裝置的正確選用及其良好表現(xiàn)。目前關(guān)于中壓小電阻接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障的文獻(xiàn)較少，并且相關(guān)知識(shí)存在不夠全面、系統(tǒng)和深入的情況。因此，本文以某光伏電站為例，對(duì)中壓小電阻接地系統(tǒng)單相接地故障情況進(jìn)行了分析。

1 某光伏電站35kV接地系統(tǒng)的情況

某光伏電站35 kV接地系統(tǒng)采用小電阻接地的方式，具體的接地系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 某光伏電站35 kV接地系統(tǒng)圖

由圖1可知，該接地系統(tǒng)中的接地變壓器中性點(diǎn)連接接了1個(gè)阻值為50.5 Ω的接地小電阻，額定電流為400 A，允許過(guò)流時(shí)間為10 s；1#、2#、3#、6#光伏進(jìn)線柜和接地變壓器的電流互感器變比均為300/5 A，4#、5#光伏進(jìn)線柜的電流互感器變比均為500/5 A；主變壓器低壓側(cè)電流互感器變比為2×600/5 A，錄波回路用電流互感器二次繞組使用的是1200/5 A抽頭；主變壓器高壓側(cè)電流互感器變比為200～600/5 A，錄波回路用電流互感器二次繞組使用的是400/5 A抽頭。

接地系統(tǒng)發(fā)生金屬性單相接地時(shí)，根據(jù)電力系統(tǒng)相關(guān)理論，該故障點(diǎn)短路電流與流過(guò)接地變壓器中性點(diǎn)電阻的短路電流一致[1]，即：

式中，Id為單相接地短路電流，A；UN為系統(tǒng)線電壓，kV，此處取35 kV；R為接地變壓器中性點(diǎn)電阻值，Ω，此處取50.5 Ω。

代入相關(guān)數(shù)值后可知，Id=400 A。

由于接地變壓器的特殊結(jié)構(gòu)，其零序阻抗很小，在式(1)中予以忽略。

2 35kV接地系統(tǒng)單相接地故障的表現(xiàn)

2019年3月某日夜間，該接地系統(tǒng)的2#光伏進(jìn)線柜發(fā)生B相非金屬性接地故障，發(fā)生故障時(shí)的錄波圖如圖2所示。

圖2 2#光伏進(jìn)線柜發(fā)生故障時(shí)的錄波圖

由圖2可知，發(fā)生故障后，故障回路B相二次電流idB與接地變壓器回路饋線開(kāi)關(guān)柜電流互感器處三相零序電流之和3I0基本相同，二者取平均值后idB=5.46 A，折算成一次電流后約為327.6 A，與理論值400 A接近?？紤]到故障為非金屬性接地，所以此值較為合理。由于光伏電站夜間不發(fā)電，所以故障前2#光伏進(jìn)線柜相當(dāng)于空載饋出線路。因此，故障前、后非故障相A相和C相的二次電流idA、idC約為零。

圖3為故障段母線1#接地變壓器回路的故障錄波圖。

圖3 1#接地變壓器回路的故障錄波圖

由圖3可知，故障后，該段母線接地變壓器回路的三相電流基本相等，即接地變壓器三相的二次電流ijA、ijB、ijC近似為ijA=ijB=ijC，取平均值后約為1.85 A，折算成一次電流后約為111 A；該值約為故障回路故障相電流327.6 A的1/3。而3I0與故障回路故障相電流基本相等。

由圖2、圖3還可看出，故障回路故障相電流除了與接地變壓器回路三相電流同相位，還與3I0及流過(guò)接地小電阻的電流iz同相位，且iz=3I0。

圖4為故障后1#主變壓器的高壓、低壓側(cè)電流錄波圖。

由圖4可知，故障后，1#主變壓器低壓側(cè)B相二次電流iB為0.884 A，折算成一次電流約為212 A，該值約為故障回路單相接地電流的2/3，且與故障回路故障相電流同相位；1#主變壓器低壓側(cè)A相、C相二次電流iA、iC均約為故障回路單相接地電流的1/3，且均與故障回路故障相電流相位相差180°。

由圖4還可看出，故障后，1#主變壓器高壓側(cè)A相二次電流近似為零，B相、C相二次電流IB、IC分別為0.485 A、0.463 A，折算成一次電流分別為38.8 A和37 A，再折算至35 kV側(cè)分別為122 A和116 A，基本相當(dāng)于1#主變壓器低壓側(cè)A相、C相電流。其中，1#主變壓器高壓側(cè)C相電流與低壓側(cè)B相電流同相位，高壓側(cè)B相電流與低壓側(cè)A相電流同相位。

此外，從圖4中還可以看出，故障后，1#主變壓器的高壓、低壓側(cè)三相零序電流之和3I0均近似為零，即使主變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)隔離開(kāi)關(guān)合上、主變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地運(yùn)行也是如此。

圖5為夜間時(shí)2#光伏進(jìn)線柜B相接地故障后電流流向規(guī)律示意圖。

圖4 故障后1#主變壓器的高壓、低壓側(cè)電流錄波圖

圖5 夜間2#光伏進(jìn)線柜B相接地故障后電流流向示意圖

圖5中，iAc、iCc分別為光伏進(jìn)線柜B相接地故障后正常相A相、C相的對(duì)地電容電流，∑ic為電容電流之和，3U0為三相零序電壓之和。

由圖5可以看出，電流的分布和流向符合故障錄波圖所反映的情況。

3 35kV接地系統(tǒng)單相接地故障理論計(jì)算與對(duì)比分析

3.1 2#光伏進(jìn)線柜單相接地故障時(shí)的分析

由于金屬性與非金屬性單相接地故障的電流流向是一致的，因此假設(shè)圖5為單相金屬性接地故障，下文對(duì)其電流情況進(jìn)行理論計(jì)算，并且計(jì)算結(jié)果也基本適用于非金屬性接地故障。圖5情況下的電壓、電流相位圖如圖6所示。

圖6 夜間時(shí)2#光伏進(jìn)線柜B相接地故障時(shí)的電壓、電流相位圖

圖6中，UA、UB、UC分別為故障前接地系統(tǒng)A相、B相、C相各相的電壓；UdA、UdB、UdC分別為故障后A相、B相、C相各相的對(duì)地電壓，故障后UdB=0。

綜合圖5、圖6可以得出：

由于接地系統(tǒng)對(duì)地電容電流很小可以忽略不計(jì)，因此式(2)可表示為idB=iz。

故障回路中，3I0=idB=Id=iz=400 A，iA=iC=0。

接地變壓器回路中，3I0=iz=idB=Id=400 A，由于因此，ijA、ijB、ijC同相位、同幅值。

主變壓器回路中，iA=ijA=133 A，iC=ijC=133 A，因此iA、iC同相位。

由圖6可知，iB、iA、iC的向量和為零，即主變壓器的低壓側(cè)三相零序電流之和3I0=0。因此，iB與iA、iC相位相差180°。則iB=iA+iC=266 A。

由圖6可以看出，iB+ijB=idB。

由于iB=iA+iC，主變壓器低壓繞組A相電流為零，B相流過(guò)電流iA，C相流過(guò)電流iC，通過(guò)電磁感應(yīng)，主變壓器高壓繞組A相電流為零，B相感應(yīng)電流iA后產(chǎn)生電流相感應(yīng)電流iC后產(chǎn)生電流

主變壓器高壓側(cè)電流IB與低壓側(cè)電流iA同相位，高壓側(cè)電流IC與低壓側(cè)電流iC同相位，因此，主變壓器高壓側(cè)電流IB與IC大小相等、相位相差180°。故高壓側(cè)零序電流之和3I0=0。

3.2 接地變壓器回路單相接地故障時(shí)的分析

當(dāng)B相接地故障發(fā)生在接地變壓器回路時(shí)，其電流流向示意圖如圖7所示。

圖7 接地變壓器回路中B相接地故障時(shí)電流流向示意圖

圖5或圖7故障情況下，母線電壓的表現(xiàn)是相同的。從圖6中可以看出，35 kV母線B相對(duì)地電壓為0 V，A相、C相電壓比正常運(yùn)行時(shí)升高A相對(duì)地電壓UdA的相位比C相對(duì)地電壓UdC的相位小60°。圖8為35 kV故障母線的電壓錄波圖，該圖很好地證明了上述說(shuō)法。需說(shuō)明的是，錄波圖中B相對(duì)地電壓過(guò)小，可忽略不計(jì)。

圖8 35 kV故障母線的電壓錄波圖

由于3U0取自母線電壓互感器開(kāi)口三角二次繞組，因此其二次電壓可表示為：

式中，U′n為母線電壓互感器開(kāi)口三角二次繞組每相額定電壓，V，取φac為UdA的相位與UdC的相位的夾角，取60°。

將相關(guān)數(shù)值代入式(3)后可得，3U0=100 V。

由此可知，3U0理論值與圖8中的數(shù)值基本相符。

3.3 4#光伏進(jìn)線柜單相故障時(shí)的分析

當(dāng)白天太陽(yáng)輻照良好的情況下，光伏進(jìn)線相當(dāng)于小電源并網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線。2019年3月某日中午，該光伏電站4#光伏進(jìn)線柜發(fā)生A相接地故障時(shí)的故障回路錄波圖如圖9所示。

由圖9可以看出，故障回路開(kāi)關(guān)柜處正常相的電流大小及相位基本沒(méi)有變化，而故障相的電流大小及相位均發(fā)生了變化。故障回路中的零序電流3I0折算為一次電流后約為301 A。

故障母線2#接地變壓器回路錄波圖如圖10所示。

由圖10可以看出，故障后接地變壓器回路電流與圖3情況相同。

此次故障后，午間時(shí)4#光伏進(jìn)線柜A相接地故障時(shí)的電流流向示意圖如圖11所示。

圖9 4#光伏進(jìn)線柜發(fā)生A相接地故障時(shí)的錄波圖

圖10 2#接地變壓器回路錄波圖

圖11 午間時(shí)4#光伏進(jìn)線柜A相接地故障時(shí)電流流向示意圖

故障后，電流、電壓相位情況如圖12所示。圖中，φf(shuō)為光伏電站發(fā)電時(shí)功率因數(shù)角。A相接地故障后，idB、idC仍與故障前基本相同；而由圖12可知，由于idA、idB、idC向量和必為零，故idA也沒(méi)有變化[2]。故障回路開(kāi)關(guān)柜處的故障相電流i′dA應(yīng)為idA與iz的向量和，其中，中性點(diǎn)小電阻上的零序電壓之和3U0與流過(guò)的電流iz同相位，結(jié)果如圖12所示。因此可以得出，i′dA大小及相位與故障前負(fù)荷電流的大小及功率因數(shù)有關(guān)，而故障點(diǎn)的接地故障電流仍與中性點(diǎn)小電阻流過(guò)的電流相等，即理論值為400 A。

圖12 午間4#光伏進(jìn)線柜A相接地故障時(shí)電壓、電流相位圖

當(dāng)然，實(shí)際單相接地故障絕大多數(shù)為非金屬性接地故障，系統(tǒng)各處故障電流均比前述理論值偏小，正如前面錄波圖折算的電流值所反映的一樣。

4 35kV單相接地故障時(shí)保護(hù)的正確選用

當(dāng)出現(xiàn)圖5或圖11的故障時(shí)，故障回路和接地變壓器回路饋線開(kāi)關(guān)柜電流互感器處零序電流3I0大小相等，理論值均為400 A，零序功率方向相反。接地變壓器回路若裝設(shè)不帶方向的零序電流繼電保護(hù)，電流取自開(kāi)關(guān)柜處，可能造成其保護(hù)誤動(dòng)斷路器先跳閘；然后因系統(tǒng)變成不接地系統(tǒng)，造成故障回路零序電流保護(hù)消失，本應(yīng)該動(dòng)作卻拒動(dòng)。

當(dāng)出現(xiàn)圖7中的情況時(shí)，接地變壓器回路開(kāi)關(guān)柜處三相零序電流3I0=i′jB-ijA-ijC=0，若電流是來(lái)自該處，那么零序電流保護(hù)不起作用，應(yīng)依靠相電流保護(hù)。

因此，接地變壓器回路若要零序電流保護(hù)正確發(fā)揮作用，零序電流需取自接地變壓器高壓繞組中性點(diǎn)，即中性點(diǎn)小電阻處，且動(dòng)作時(shí)限應(yīng)與其他間隔零序電流保護(hù)相配合，即延長(zhǎng)一個(gè)時(shí)限。

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某光伏電站35 kV小電阻接地系統(tǒng)不同位置發(fā)生單相接地故障時(shí)系統(tǒng)各處的電流及相位情況進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)一般饋線發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障回路故障相電流等于零序電流3I0；金屬性接地故障時(shí)，故障相電流近似等于中性點(diǎn)接地小電阻額定電流；接地變壓器回路開(kāi)關(guān)柜處三相電流相位相同，數(shù)值等于故障回路故障相電流的1/3；接地變壓器回路開(kāi)關(guān)柜處零序電流等于故障回路零序電流3I0，但與故障回路開(kāi)關(guān)柜處零序電流方向相反。

2)當(dāng)接地變壓器回路發(fā)生單相接地故障時(shí)，其開(kāi)關(guān)柜處故障相電流等于零序電流3I0的2/3，其他兩相電流等于零序電流3I0的1/3，兩正常相電流相位相同，并與故障相電流相位相反，該處零序電流為零。

3)當(dāng)接地變壓器高壓開(kāi)關(guān)柜處零序電流保護(hù)起不到該回路接地故障保護(hù)作用時(shí)，需使該回路零序電流取自接地變壓器高壓繞組中性點(diǎn)，且動(dòng)作時(shí)限應(yīng)與其他間隔零序電流保護(hù)相配合，即延長(zhǎng)一個(gè)時(shí)限。

4)光伏發(fā)電時(shí)，其進(jìn)線發(fā)生單相接地故障時(shí)，其正常相電流基本不變，開(kāi)關(guān)柜處反映的故障相電流大小及相位與故障前負(fù)荷電流的大小及功率因數(shù)有關(guān)，開(kāi)關(guān)柜處反映的零序電流與一般饋線故障時(shí)相同。