張 穎

（智方設(shè)計(jì)股份有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)接地是在風(fēng)電場(chǎng)的主變壓器低壓側(cè)或者匯集線路上，通過(guò)接地變壓器或者小電阻，人為制造一個(gè)中性點(diǎn)，以提供零序電流和零序電壓，保證在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)保護(hù)裝置能夠動(dòng)作[1,2]。風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)接地的方式有多種，如消弧線圈接地、小電阻接地、中性點(diǎn)不接地等，具體選擇應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況和技術(shù)要求確定[3,4]。

風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的單相接地故障大多數(shù)為永久性接地，對(duì)人身、環(huán)境、設(shè)備安全影響較大。經(jīng)電阻接地方式具有選擇性，能夠快速切除接地故障，是目前風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)和電網(wǎng)配電系統(tǒng)接地方式的主要發(fā)展方向[5]。以湖北省某風(fēng)電場(chǎng)為例，該風(fēng)電場(chǎng)于2021年3月完成集電系統(tǒng)接地方式改造。設(shè)備改造后，風(fēng)電場(chǎng)需要修改集電線路母線上各支路的零序Ⅰ段、零序Ⅱ段、接地變的過(guò)流Ⅰ段以及過(guò)流Ⅱ段的保護(hù)定值。基于該背景，文章重點(diǎn)介紹改造后的集電線路和接地變壓器（以下簡(jiǎn)稱接地變）的零序電流保護(hù)定值的整定計(jì)算。

1 中性點(diǎn)接地設(shè)備（接地變和接地電阻）的選擇原則

中性點(diǎn)接地設(shè)備（接地變和接地電阻）的選擇原則包括以下2 個(gè)方面。

一方面，提供足夠的零序電流，保證繼電保護(hù)的選擇性。當(dāng)線路發(fā)生單相接地時(shí)，故障線路上的零序電流為系統(tǒng)電容電流與中性點(diǎn)設(shè)備電流之和，非故障線路零序電流僅為本線路的電容電流。只有保證故障線路的零序電流顯著大于非故障線路，繼電保護(hù)才能有選擇性地切除故障線路。因此，中性點(diǎn)設(shè)備需要提供充足的零序電流。

另一方面，提供一定的阻性電流，抑制弧光接地過(guò)電壓。在中性點(diǎn)接入接地電阻的條件下，當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)電阻將向故障點(diǎn)輸出一定阻性電流，抑制電弧的間歇性燃熄，防止在零序保護(hù)動(dòng)作之前出現(xiàn)弧光接地過(guò)電壓。

在滿足以上2 個(gè)條件的前提下，應(yīng)選擇盡量大的中性點(diǎn)接地電阻，使故障電流盡可能小，降低故障電流對(duì)設(shè)備造成的影響，減小中性點(diǎn)接地變?nèi)萘俊?/p>

2 單相接地故障電流

2.1 單相接地故障電流計(jì)算

為滿足繼電保護(hù)的選擇性，單相故障電流ID應(yīng)滿足

式中：ID為單相接地故障電流；Icmax為各線路中最大的電容電流值；Kre為可靠系數(shù)。單相接地故障電流應(yīng)為零序Ⅰ段的2 倍，保證零序過(guò)流Ⅰ段對(duì)單相接地故障有較高的靈敏度。零序Ⅰ段定值應(yīng)大于線路電容電流的2 倍，保證零序Ⅰ段安全躲過(guò)線路電容電流，因此取Kre=4。

為抑制弧光接地過(guò)電壓，單相故障電流至少為1.5倍系統(tǒng)總電容電流，即

式中：Ic∑為系統(tǒng)總電容電流。

單相接地故障電流應(yīng)以式（1）和式（2）的最大值為最低限度，即

2.2 確定接地電阻阻值

根據(jù)單相故障電流ID確定通過(guò)中性點(diǎn)的電流Ir。單相故障電流ID由系統(tǒng)總電容電流Ic∑與中性點(diǎn)電流Ir組成。單相故障電流的組成如圖1 所示。其中，Ir為純阻性電流，Ic∑為純?nèi)菪噪娏鳎瑑烧呦辔徊顬?0°。

圖1 單相故障電流的組成

Ir的計(jì)算公式為

根據(jù)Ir確定中性點(diǎn)電阻值R。當(dāng)單相故障時(shí)，中性點(diǎn)電壓升至相電壓，中性點(diǎn)電流Ir為相電壓UN與中性點(diǎn)電阻R的比值，因此R的值為相電壓與Ir之比，即

根據(jù)中性點(diǎn)電阻值R確定接地變?nèi)萘?。接地變?yīng)滿足電網(wǎng)正常運(yùn)行的條件，并能夠與空載相容。接地變接通電流時(shí)間較短時(shí)，短時(shí)間內(nèi)會(huì)通過(guò)故障電流，在接地變起作用前，故障線路采用無(wú)序保護(hù)。因此，在運(yùn)行中，接地變表現(xiàn)為長(zhǎng)期空載或短時(shí)間過(guò)載。根據(jù)《IEEE Guide for the Application of Neutral Grounding in Electrical Utility Systems，Part Ⅲ-Generator Auxiliary Systems》（IEEE-C62.92.3—2012）標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)載系數(shù)規(guī)定，將變壓器的短時(shí)容量換算為持續(xù)容量。干式變壓器允許過(guò)負(fù)荷能力如表1 所示，油浸式變壓器允許過(guò)負(fù)荷能力如表2 所示。

表1 干式變壓器允許過(guò)負(fù)荷能力

表2 油浸式變壓器允許過(guò)負(fù)荷能力

零序保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間不允許超過(guò)10 s，因此按照工作10 s 過(guò)負(fù)荷時(shí)間計(jì)算接地變?nèi)萘縎N，即

接地變壓的零序阻抗XT0原則上不應(yīng)大于中性點(diǎn)電阻R，即要求中性點(diǎn)零序感抗小于零序電阻的1/3，接地變產(chǎn)生的感性電流可以忽略，中性點(diǎn)電流可視為純阻性。如果接地變零序阻抗過(guò)大，則其產(chǎn)生的感性電流會(huì)補(bǔ)償電容電流，導(dǎo)致單相故障電流低于ID，零序保護(hù)無(wú)法正確動(dòng)作。

如果無(wú)法滿足XT0≤R這一條件，則應(yīng)重新核算單相故障電流ID的值。若ID值低于式（1）的選擇值，則應(yīng)進(jìn)一步降低中性點(diǎn)電阻R或采用具有平衡繞組的接地變壓器，直至ID達(dá)到式（1）的選擇值。

3 線路和接地變零序保護(hù)的整定

集電線路是指連接發(fā)電機(jī)和變電站的輸電線路。它的保護(hù)裝置應(yīng)能快速和準(zhǔn)確地切除故障，保證發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。集電線路的保護(hù)裝置通常包括相間短路保護(hù)和接地短路保護(hù)，其中接地短路保護(hù)主要利用零序電流實(shí)現(xiàn)。

零序電流是指三相電流中相同方向和相同大小的分量，反映了電力系統(tǒng)的不對(duì)稱程度。正常運(yùn)行狀態(tài)下，三相電流是對(duì)稱的，沒(méi)有零序分量。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，三相電流會(huì)產(chǎn)生較大的零序電流，可以用零序電流檢測(cè)和判斷接地故障的位置和性質(zhì)。

零序電流保護(hù)的整定基本原則如下。

（1）零序電流速斷保護(hù)（零序Ⅰ段）。要求不帶延時(shí)，保護(hù)本線路的一部分。動(dòng)作電流應(yīng)躲過(guò)本線路末端或下一條線路出口處單相或兩相接地故障時(shí)流過(guò)保護(hù)裝置的最大零序電流。對(duì)于不加方向的零序電流Ⅰ段，還需要躲過(guò)母線接地短路時(shí)流過(guò)保護(hù)裝置的最大零序電流。

（2）零序電流Ⅱ段保護(hù)。帶較短時(shí)限的延時(shí)，盡可能切除本線路范圍內(nèi)的故障。它的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)與下一級(jí)線路的零序Ⅰ段或Ⅱ段保護(hù)相配合。

（3）零序電流Ⅲ段保護(hù)（零序過(guò)電流保護(hù)）。帶較長(zhǎng)延時(shí)，可靠保護(hù)本線路的全長(zhǎng)。在本線路末端金屬性接地短路時(shí)有一定的靈敏系數(shù)，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)按照階梯型配合的原則來(lái)確定。

（4）零序電流Ⅳ段保護(hù)。作為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的后備，定值不大于300 A，用于保護(hù)本線路的高阻接地短路。

零序電流方向保護(hù)在零序電流元件和零序方向元件的串聯(lián)作用下實(shí)現(xiàn)，可以通過(guò)比較零序電壓和零序電流的相位來(lái)判斷故障方向。規(guī)定正方向?yàn)榱阈螂妷簭木€路向大地，反方向?yàn)榱阈螂娏鲝哪妇€向線路。當(dāng)正方向故障時(shí)，I0在相位上超前U0有100°；當(dāng)反方向故障時(shí)，U0超前I0有100°。

4 單相接地故障零序電流計(jì)算

風(fēng)電場(chǎng)35 kV 集電系統(tǒng)任一點(diǎn)單相接地故障時(shí)，單相接地故障電流會(huì)流過(guò)接地變和中性點(diǎn)接地電阻，因此選擇接地變零序保護(hù)作為集電系統(tǒng)單相接地故障的總后備保護(hù)。系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)的系統(tǒng)零序電路圖，如圖2 所示。單相接地電流包括系統(tǒng)電容電流Ic和中性點(diǎn)電流Irx（未考慮線路阻抗）。

圖2 單相接地時(shí)的零序電路

湖北省某風(fēng)電場(chǎng)集電系統(tǒng)正序阻抗和電容電流均較小，忽略回路阻抗和電容電流影響，則集電系統(tǒng)任一點(diǎn)發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，流過(guò)故障點(diǎn)和中性點(diǎn)接地電阻的故障零序電流為

式中：U為集電系統(tǒng)額定線電壓，取值為35 kV；R0為中性點(diǎn)接地電阻柜電阻值；r0為接地變零序電阻值。

風(fēng)電場(chǎng)選用R0=202 Ω，r0=93.10 Ω/相，由此得

代入數(shù)據(jù)，得3I0≈86.7 A，即35 kV 母線各連接元件出現(xiàn)單相接地故障時(shí)故障電流相同，為86.7 A。

5 零序保護(hù)整定計(jì)算

集電線路零序段設(shè)定原則如下：本線路末端單相接地故障準(zhǔn)確判斷的靈敏系數(shù)不低于 2；調(diào)試時(shí)間應(yīng)滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)電壓適應(yīng)的要求。

根據(jù)集電線路零序Ⅱ段整定原則，為躲過(guò)線路電容電流整定值，其整定時(shí)間比零序電流Ⅰ段多一個(gè)級(jí)差。以風(fēng)電場(chǎng)35 kV 集電線路3504 線為例，單相接地時(shí)，故障電流計(jì)算公式為

根據(jù)式（8）的計(jì)算結(jié)果，ID3504≈86.7 A。

零序Ⅰ段對(duì)本線路末端單相接地故障有足夠的靈敏性，靈敏系數(shù)不小于2，即

式中：Ksen為靈敏系數(shù)，取值為2。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得3I0,op=43.35 A。零序電流互感器（Current Transformer，CT）的變比為150/5，則對(duì)應(yīng)的二次值為，取1.4 A。3504 線開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間取為0.1 s，以躲過(guò)斷路器三相合閘的不同期性。

零序電流Ⅱ段保護(hù)定值按照可靠躲開(kāi)本線路電容電流整定，取可靠系數(shù)Kre=2。3504 線零序電流Ⅱ段定值為

代入數(shù)據(jù)，得IDZ.Ⅱ=7.76 A，對(duì)應(yīng)得到二次值為，取為0.3 A，3504 線開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間取為0.4 s。

接地變保護(hù)是集電系統(tǒng)接地故障的后備保護(hù)。按照單相接地故障靈敏度整定接地變零序Ⅰ段保護(hù)定值，靈敏系數(shù)不小于2，并與匯集母線各連接元件零序電流Ⅱ段配合，動(dòng)作時(shí)間大于母線各連接元件零序電流Ⅱ段的最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。零序電流Ⅱ段按可躲過(guò)線路電容電流整定，動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于接地變零序電流Ⅰ段的動(dòng)作時(shí)間。以風(fēng)電場(chǎng)35 kV 的#1 接地變?yōu)槔?，零序電流Ⅰ段單相接地時(shí)，故障電流計(jì)算公式為

代入數(shù)據(jù)，得ID#1=86.7 A。

需要保證零序Ⅰ段的高壓側(cè)單相接地故障有足夠的靈敏性，靈敏系數(shù)不小于2，得

代入數(shù)據(jù)，得Iod1=43.35 A。零序CT 變比為150/5，則對(duì)應(yīng)的二次值為，取1.4 A。#1 接地變35 kV 開(kāi)關(guān)和#1 主變35 kV 的動(dòng)作時(shí)間與母線各連接元件零序電流Ⅱ段配合，取為0.7 s。

零序Ⅱ段躲過(guò)線路電容電流整定得

式中：Ic.3504=3.88 A；Ic.3506=3.70 A；Ic.3508=2.30 A。代入相關(guān)數(shù)據(jù)，得Iozd2＞19.76 A。對(duì)應(yīng)得到二次值為，取0.7 A，#1 接地變35 開(kāi)關(guān)和#1主變低壓側(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)于零序電流Ⅰ段動(dòng)作時(shí)間，取為1 s。

6 結(jié) 論

改造后的風(fēng)電場(chǎng)具備了快速切除接地故障的能力，同時(shí)能夠滿足《國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行反事故措施要點(diǎn)的通知》（國(guó)家電網(wǎng)調(diào)〔2011〕974 號(hào)）對(duì)電阻接地的要求，即發(fā)生接地故障時(shí)，通過(guò)相應(yīng)保護(hù)快速切除故障。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在不考慮線路阻抗和電容電流的影響情況下，集電系統(tǒng)任一點(diǎn)發(fā)生金屬性單相接地故障時(shí)，故障電流均相同，所有電流均流過(guò)接地變和中性點(diǎn)接地電阻。接地變的零序保護(hù)是系統(tǒng)接地故障的總后備保護(hù)，應(yīng)注意與母線各連接支路的零序保護(hù)相配合。