姚天亮，楊德洲，鄭昕

(1.甘肅省電力設(shè)計(jì)院，蘭州市 730050;2.甘肅省電力公司，蘭州市 730050)

0 引言

2011年甘肅酒泉風(fēng)電基地多次發(fā)生因35 kV匯集線路發(fā)生弧光接地引發(fā)區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機(jī)群連鎖脫網(wǎng)事故。主要原因是1期風(fēng)電場(chǎng)采用直接非接地系統(tǒng)，非故障相過(guò)電壓導(dǎo)致設(shè)備燒毀、誘發(fā)復(fù)雜故障后，低電壓穿越能力較弱的風(fēng)電機(jī)組相繼脫網(wǎng)。大型風(fēng)電場(chǎng)的單相接地故障滅弧問(wèn)題成為并網(wǎng)技術(shù)審查的重點(diǎn)問(wèn)題。目前，35 kV電力系統(tǒng)常見(jiàn)接地方式有:消弧線圈［1］、小電阻、消弧柜場(chǎng)地。3種接地方式消弧原理不同且各有優(yōu)缺點(diǎn)，甘肅酒泉1期風(fēng)電場(chǎng)全部采用35 kV電纜，容性電流較大，采用在升壓站35 kV母線直接安裝消弧柜的消弧方案，經(jīng)實(shí)踐證明動(dòng)作不理想，文獻(xiàn)［2］在事故分析后推薦采用經(jīng)小電阻接地以限制過(guò)電壓，同時(shí)配置快速選線裝置切除故障線路。

但是，經(jīng)小電阻接地將非金屬性接地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩越拥毓收希收舷嚯妷狠^低，加大了三相電壓不平衡度，不利于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越，并且小電阻選線［3-4］準(zhǔn)確率不高，如不能快速切除故障線容易造成事故擴(kuò)大。

本文結(jié)合近幾年風(fēng)電設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對(duì)酒泉一期風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出將分檔可調(diào)或自動(dòng)補(bǔ)償式消弧線圈應(yīng)用于大型風(fēng)電場(chǎng)的滅弧，并就風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提出相關(guān)建議，有利于風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償工作原理

1.1 風(fēng)電場(chǎng)單相接地故障

大型風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部35 kV線路(架空線或電纜)較長(zhǎng)，對(duì)地分布電容大，單相接地故障時(shí)匯集系統(tǒng)呈現(xiàn)典型的大容性電流效應(yīng)，故障點(diǎn)易形成弧光接地并不能自熄。

正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)三相電壓保持對(duì)稱，中性點(diǎn)電流和為0。故障時(shí)接地相電壓大幅降低，中性點(diǎn)產(chǎn)生不對(duì)稱零序電壓，經(jīng)接地阻抗形成電氣回路，回路中流過(guò)零序電流，而中性點(diǎn)漂移將導(dǎo)致非故障相電壓的升高，造成內(nèi)部過(guò)電壓。

風(fēng)電場(chǎng)35 kV系統(tǒng)單相接地故障等值模型如圖1所示，圖1中為零序電壓為零序電流。

圖1 單相接地故障等值模型Fig.1 Equivalent model of single phase grounding fault

1.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償消弧線圈工作原理

目前，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償消弧線圈產(chǎn)品類型［5-9］主要有調(diào)匝式、偏磁式、調(diào)可控硅式。

常規(guī)消弧線圈補(bǔ)償容性電流基本工作原理如圖2所示。調(diào)匝式和偏磁式基本原理相似，都是屬于隨動(dòng)補(bǔ)償模式，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電感值改變電感電流實(shí)現(xiàn)對(duì)接地容性電流的補(bǔ)償，降低故障點(diǎn)電流以熄滅電弧。

圖2 補(bǔ)償容性電流等值電路Fig.2 Equivalent circuit of compensation capacitive current

調(diào)可控硅式消弧線圈［10-13］是應(yīng)用電力電子可控硅技術(shù)的一種新型消弧線圈，工作原理如圖3所示，圖3中XL為串聯(lián)電感值。調(diào)可控硅式消弧線圈的工作原理是通過(guò)在0°～180°之間觸發(fā)2個(gè)反向連接的可控硅，改變故障回路的短路阻抗，能夠快速準(zhǔn)確補(bǔ)償容性電流。

圖3 可控硅式消弧線圈原理Fig.3 Principle of SCR arc suppression coil

2 消弧線圈在大型風(fēng)電場(chǎng)中的應(yīng)用

2.1 大型風(fēng)電場(chǎng)的滅弧要求

大型風(fēng)電場(chǎng)35 kV系統(tǒng)為典型的大容性電流系統(tǒng)，單相接地故障的弧光間斷性反復(fù)接地容易誘發(fā)復(fù)雜的相間故障，造成設(shè)備毀壞、區(qū)域風(fēng)電機(jī)群低電壓穿越失敗大面積脫網(wǎng)。

電網(wǎng)事故的治理要求:風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，要求控制系統(tǒng)能夠迅速降低接地電流，消除瞬時(shí)接地故障。若轉(zhuǎn)化成永久故障，則必須通過(guò)小電流選線裝置準(zhǔn)確跳開(kāi)故障集電線路，避免發(fā)生連鎖反應(yīng)，擴(kuò)大風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)事故。

但如何解決降低接地電流和小電流可靠選線之間的矛盾，成為風(fēng)電場(chǎng)35 kV系統(tǒng)接地方式選擇需要權(quán)衡考慮的問(wèn)題。減小零序電流，雖然可以降低中性點(diǎn)位移電壓，有利于抑制過(guò)電壓，但必然影響小電流選線裝置的動(dòng)作靈敏度。要保證零序保護(hù)選線的準(zhǔn)確度，零序電流必須大于門(mén)檻值，但故障點(diǎn)的殘流較大，不利于電弧的熄滅。

2.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)比較

(1)可調(diào)匝式消弧線圈與常規(guī)消弧線圈相比，采用了有載調(diào)匝開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了消弧容量可調(diào)，但屬于離散的分檔調(diào)節(jié)，補(bǔ)償效果不佳，其諧振補(bǔ)償原理從根本上無(wú)法解決過(guò)電壓?jiǎn)栴}，需要串聯(lián)電阻以限制諧振穩(wěn)態(tài)過(guò)電壓，但動(dòng)態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}仍然不可避免。

(2)偏磁式消弧線圈雖然可以實(shí)現(xiàn)電控連續(xù)動(dòng)態(tài)可調(diào)，帶電壓調(diào)節(jié)速度為ms級(jí)。原理上避免了補(bǔ)償系統(tǒng)串聯(lián)諧振過(guò)電壓與最佳補(bǔ)償之間的相互矛盾問(wèn)題，但需要獨(dú)立直流靜態(tài)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)難、投資較大。

(3)可控硅式消弧線圈充分利用電子開(kāi)關(guān)的動(dòng)作速度和可控硅的伏安特性，可動(dòng)態(tài)連續(xù)輸出0%～110%額定電流的補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)大范圍精確補(bǔ)償。

上述3種可調(diào)消弧線圈都可以應(yīng)用在大型風(fēng)電場(chǎng)中快速滅弧，可靈活應(yīng)用于同一升壓站匯集多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的情況，同時(shí)大容量消弧線圈先期低檔運(yùn)行，可以為后續(xù)工程預(yù)留消弧容量，通過(guò)運(yùn)行調(diào)節(jié)即可滿足不同階段消弧容量的需求，相對(duì)電力系統(tǒng)常規(guī)消弧線圈需要停電調(diào)整有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.3 消弧線圈滅弧優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于經(jīng)小電阻接地，風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)消弧線圈接地的優(yōu)點(diǎn)有:(1)接地點(diǎn)故障電流較小，故障相電壓跌幅小，減小了中性點(diǎn)位移電壓和非故障相過(guò)電壓;(2)系統(tǒng)三相電壓不平衡度小，有利于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行和低電壓穿越過(guò)程，避免風(fēng)機(jī)群連鎖脫網(wǎng);(3)有利于改善并網(wǎng)點(diǎn)電壓平衡、諧波等電壓質(zhì)量，減小了風(fēng)電注入公網(wǎng)諧波;(4)可帶故障運(yùn)行2 h，瞬時(shí)故障可能自動(dòng)消失，無(wú)需切機(jī)后再并網(wǎng)，減小了運(yùn)行人員的工作量和風(fēng)機(jī)啟動(dòng)用電，而且增加了風(fēng)電電量;(5)故障惡化發(fā)展時(shí)，故障電流增大，可輔助小電流接地選線裝置檢除故障線路，或由運(yùn)行人員排除故障線路，有利于風(fēng)電場(chǎng)與電網(wǎng)保持穩(wěn)定運(yùn)行。

2.4 風(fēng)電場(chǎng)消弧線圈安裝方式

我國(guó)大規(guī)模風(fēng)電基地采用“大基地融入大電網(wǎng)、集中外送”的并網(wǎng)模式，出于風(fēng)電匯集方案經(jīng)濟(jì)性的考慮，通常采用35 kV直接升壓至330 kV或110 kV電壓等級(jí)送出，因此風(fēng)電匯集升壓站電壓等級(jí)有330/35 kV或110/35 kV 2種情況，而電網(wǎng)側(cè)330 kV和110 kV電壓等級(jí)為中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，均采用星形接線，因此風(fēng)電場(chǎng)35 kV側(cè)接線方式必須為三角形，三角形接線沒(méi)有引出中性點(diǎn)，無(wú)法直接安裝中性點(diǎn)接地設(shè)備，需要增加投資。

在酒泉一期380萬(wàn)kW風(fēng)電設(shè)計(jì)中，選用35 kV母線直掛消弧柜的方案，但實(shí)際運(yùn)行效果不理想，目前正在進(jìn)行整改為“經(jīng)接地變+消弧線圈”或“經(jīng)接地變+小電阻柜”。

在酒泉二期風(fēng)電設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合近幾年風(fēng)電并網(wǎng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)行反饋意見(jiàn)，對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)升壓系統(tǒng)用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，風(fēng)電場(chǎng)升壓站電氣主接線如圖4所示。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)升壓站電氣主接線Fig.4 Main electrical wiring of wind farm booster station

升壓站設(shè)備選型主要考慮以下方面:

(1)35 kV側(cè)采用星形接線，引出中性點(diǎn)用以連接消弧線圈，無(wú)需增加接地設(shè)備，既節(jié)省投資，又實(shí)現(xiàn)了中性點(diǎn)可靠接地，有利于發(fā)生單相故障時(shí)滅弧，改善中性點(diǎn)電壓漂移及非故障相過(guò)電壓?jiǎn)栴}。

(2)增加10 kV平衡繞組，提高升壓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。10 kV側(cè)設(shè)計(jì)為非全容量繞組，通常取30%額定容量，可以不引出，也可引出用以安裝動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，相對(duì)35 kV直掛型SVG可以降低投資，并且對(duì)暫態(tài)過(guò)程中SVG提供的瞬時(shí)容性電流起到隔離作用。

(3)10 kV側(cè)采用三角形接線，為偶數(shù)次電壓和電流諧波提供環(huán)流通道，減輕諧波污染，避免因諧波過(guò)電壓損壞設(shè)備，同時(shí)可以起到平衡繞組的作用。

酒泉二期風(fēng)電最終選用三繞組變壓器，主變壓器抽頭電壓為363±8×1.25%/35/10.5 kV，接線組別為YN、yn0、d11，風(fēng)電場(chǎng)35 kV中性點(diǎn)消弧接地方式選擇為經(jīng)自動(dòng)補(bǔ)償消弧線圈接地。

3 結(jié)論

(1)大型風(fēng)電場(chǎng)35 kV匯集系統(tǒng)屬于大容性電流系統(tǒng)，產(chǎn)生單相接地故障時(shí)，中性點(diǎn)需要選擇可靠接地的消弧方式，因此經(jīng)消弧線圈接地是理想方案之一。

(2)調(diào)匝式、偏磁式、可控硅式等帶動(dòng)態(tài)補(bǔ)償技術(shù)的消弧線圈都能應(yīng)用于大型風(fēng)電場(chǎng)滅弧，可以滿足風(fēng)電場(chǎng)不同建設(shè)時(shí)期的消弧容量需求。建議優(yōu)先使用自動(dòng)跟蹤、調(diào)節(jié)速度快的消弧線圈。

(3)風(fēng)電場(chǎng)升壓站電氣主接線優(yōu)化后采用三繞組變壓器，35 kV中性點(diǎn)引出有利于消弧線圈的裝設(shè)，有利于風(fēng)電場(chǎng)的安全可靠運(yùn)行。

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