胡森，張磊，程磊，楊飛

(中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310014)

0 引言

隨著風(fēng)電建設(shè)規(guī)模逐年快速擴(kuò)大，全國已出現(xiàn)多起因電氣設(shè)備故障造成風(fēng)電機(jī)組大面積脫網(wǎng)的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于電纜頭故障造成風(fēng)電場匯集線跳閘的概率已經(jīng)達(dá)到總故障的60%，成為最近幾次風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)的主要誘因，單相故障不能快速切除是導(dǎo)致故障惡化的主要因素之一[1]。目前集電線路接地方式主要有經(jīng)電阻和消弧線圈2種類型。消弧線圈接地系統(tǒng)選線原理復(fù)雜，大多產(chǎn)品的動(dòng)作成功率參差不齊，尚需改進(jìn)。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場集電線路單相故障的快速切除，保證零序電流保護(hù)的靈敏度，主變壓器低壓系統(tǒng)通常采用小電阻接地方式，然而其在運(yùn)行過程中暴露出的問題也亟待解決。

1 風(fēng)電場集電線路小電阻接地系統(tǒng)特點(diǎn)

低電阻接地方式是為了獲得較大的故障電流，而降阻性電流疊加在故障點(diǎn)上(即在中性點(diǎn)與大地之間串聯(lián)接入一定阻值的電阻)。在中性點(diǎn)接入一電阻器后，泄放燃弧后的能量，中性點(diǎn)電位降低，故障相的恢復(fù)電壓上升速度也減慢，從而減少電弧重燃的可能性。

1.1 故障時(shí)小電阻接地系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)

在中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于人為增加了一個(gè)與電網(wǎng)接地電容電流相位相差90°的有功電流，流過故障點(diǎn)的接地電流就等于電容電流和有功電流的向量和。

1.2 小電阻接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

(1)小電阻能吸收大量故障時(shí)產(chǎn)生的弧光能量，限制健全相的過電壓倍數(shù)，同時(shí)由于電阻的阻尼作用，基本上可消除系統(tǒng)的各種諧振過電壓。

(2)合理選擇接地電阻數(shù)值，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，能有較大電流流過故障線路，提高了零序電流保護(hù)的靈敏度，可迅速切除故障線路，保證人身和設(shè)備安全。

(3)降低操作過電壓使小電阻接地系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障時(shí)可迅速切除故障線路。若故障線路是電纜線路，一般接地故障為永久性故障，不會(huì)重合閘；若故障線路是架空線路，發(fā)生瞬時(shí)故障的可能性大，重合一次也不會(huì)引起操作過電壓。

1.3 小電阻接地系統(tǒng)的缺點(diǎn)

(1)由于故障電流高達(dá)數(shù)百甚至上千安培，當(dāng)零序保護(hù)拒動(dòng)時(shí)易擴(kuò)大事故范圍，釀成火災(zāi)。電阻器熱容量大、投資高，且事故會(huì)引起地電位升高，造成嚴(yán)重?fù)p失。

(2)當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)(無論是永久性的還是非永久性的)，均會(huì)大大增加線路跳閘的次數(shù)，嚴(yán)重影響了用戶的正常用電，使供電可靠性下降。

2 常見小電阻接地方式

由于風(fēng)電機(jī)組的原動(dòng)力是流經(jīng)風(fēng)機(jī)葉片的風(fēng)能，而風(fēng)速和風(fēng)向具有隨機(jī)變動(dòng)的自然特性，因此風(fēng)電機(jī)組屬于不能進(jìn)行任意調(diào)整出力的電源裝置。風(fēng)電場一般采用單臺(tái)機(jī)組依次并網(wǎng)接入系統(tǒng)，整體上可以視作電網(wǎng)的一個(gè)負(fù)的負(fù)荷。風(fēng)電場主變壓器低壓集電網(wǎng)采用小電阻接地方式，一旦發(fā)生單相接地故障，可通過零序保護(hù)可靠切除故障線路，防止故障影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 采用主變壓器Y/△+35 kV母線接地變壓器+小電阻

風(fēng)電場主變壓器低壓側(cè)(35 kV)采用三角形接線，需要采用Z型接線的接地變壓器人為地制造一個(gè)中性點(diǎn)。由于Z型變壓器每個(gè)鐵芯柱上2段繞組繞向相反，對零序電流呈現(xiàn)低阻抗(相當(dāng)于漏抗)，零序電流在繞組上的壓降很小。

Z型接線的接地變壓器有2種方案[2]：第1種方案只有初級線圈，專作接地變壓器用，如圖1所示；第2種方案帶有380 V的二次線圈，可兼作所用變壓器用，如圖2所示。

圖1 低壓側(cè)母線專用接地變壓器+小電阻

圖2 接地變壓器兼場用變壓器+小電阻

從投資角度考慮，風(fēng)電場初期投資中第2種方案可節(jié)省1臺(tái)開關(guān)柜、1臺(tái)專用接地變壓器及所增加建筑面積的費(fèi)用，但風(fēng)電場往往是分期投入運(yùn)行，小電阻接地系統(tǒng)存在改造的可能，而場用電負(fù)荷往往變化不大，如果存在擴(kuò)建可能，第2種方案沒有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

從運(yùn)行維護(hù)角度考慮，第1種方案中所用變壓器和小電阻接地系統(tǒng)相互獨(dú)立，可靠性高，是少人值守風(fēng)電場所需要的；第2種方案2個(gè)系統(tǒng)耦合在一起，一旦某一元器件有異常需要退出運(yùn)行，就會(huì)影響所用電使用。同樣，場用電回路出現(xiàn)故障，小電阻接地系統(tǒng)退出運(yùn)行，也會(huì)影響該段母線上發(fā)電量的輸出，故第2種方案可靠性大大降低[3]。

2.2 采用主變壓器Y/△+ 35 kV主變壓器出線接專用接地變壓器+小電阻

部分電網(wǎng)采用專用接地變壓器，通過電纜直接接于主變壓器低壓側(cè)出線處，而無專用接地變壓器斷路器，如圖3所示。對于這種方式，可把接地變壓器和主變壓器看成一體。接地變壓器保護(hù)出口與主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)出口合用1組斷路器[4]。

圖3 主變壓器低壓側(cè)出線專用接地變壓器+小電阻

2.3 采用主變壓器Y/Y+1

采用主變壓器Y/Y+1接線方式，主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)均采用星型接線，同時(shí)帶平衡繞組，低壓側(cè)中性點(diǎn)引出加小電阻接地，如圖4所示。

圖4 主變壓器帶平衡線圈

三角形繞組在變壓器中既可充當(dāng)工作繞組，也可作為平衡繞組。當(dāng)作為工作繞組時(shí)，系統(tǒng)電網(wǎng)三相不對稱容易使工作繞組虛擬中性點(diǎn)漂移，故工作繞組一般采用中性點(diǎn)引出的星型連接的繞組。

三角形連接的平衡繞組有以下作用：平衡繞組能為3N(N=1，2，3，…)次諧波電流提供通路，改善感應(yīng)電動(dòng)勢波波形，確保供電質(zhì)量；出現(xiàn)短路、斷路、單相或雙相電壓升高和降低的情況時(shí)，平衡繞組中能流通循環(huán)電流，零序磁通絕大部分被抵消，只剩少量漏磁通，這樣零序阻抗將不隨電壓和電流的大小變化，可以視為恒量[5]。

3 小電阻接地方式的保護(hù)配置及整定原則

3.1 35 kV線路保護(hù)配置及整定原則

35 kV中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地系統(tǒng)的線路保護(hù)常見以下配置。

(1)過電流保護(hù)。包括電流瞬時(shí)速斷、限時(shí)電流速斷和定時(shí)限過電流保護(hù)，當(dāng)相電流超過定值且延時(shí)大于整定值時(shí)，裝置即出口跳閘。

(2)零序過流保護(hù)。包括零序過流Ⅰ段和零序過流Ⅱ段，當(dāng)接入裝置的計(jì)算零序電流超過定值且延時(shí)大于整定值時(shí)，裝置即出口跳閘。

(3)零序功率方向保護(hù)。零序電流大于較小的整定值，且零序功率方向元件動(dòng)作，則經(jīng)過一定的延時(shí)后保護(hù)跳閘。

雖然零序功率方向保護(hù)靈敏度要比零序過流保護(hù)高，但必須保證接入保護(hù)的零序電壓、電流極性的正確性，工作量大，且有一定風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)電場設(shè)置零序過流保護(hù)能滿足單相接地快速切除故障的要求，故不采用零序功率方向保護(hù)。

3.2 35 kV接地變壓器保護(hù)配置及整定原則

接地變壓器中性點(diǎn)上裝設(shè)零序電流Ⅰ段、零序電流Ⅱ段保護(hù)，作為接地變壓器單相接地故障的主保護(hù)和系統(tǒng)各元件的總后備保護(hù)。接地變壓器電源側(cè)裝設(shè)三相式的電流速斷、過電流保護(hù)，作為接地變壓器內(nèi)部相間故障的主保護(hù)和后備保護(hù)。

接地變壓器接于低壓側(cè)母線時(shí)，零序電流Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作跳母聯(lián)開關(guān)，零序電流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳主變壓器的低壓側(cè)開關(guān)；接地變壓器接于主變壓器低壓側(cè)時(shí)，零序電流Ⅰ段保護(hù)第一時(shí)間跳母聯(lián)開關(guān)，第二時(shí)間跳主變壓器低壓側(cè)開關(guān)，零序電流Ⅱ保護(hù)動(dòng)作跳主變壓器各側(cè)開關(guān)。

3.3 增加主變壓器35 kV側(cè)零序保護(hù)

增加主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)，即零序保護(hù)。主變壓器低壓側(cè)配置反映單相接地故障的零序保護(hù)，可作為母線單相接地故障的主保護(hù)和饋線單相接地的后備保護(hù)，同時(shí)提高變壓器低壓側(cè)復(fù)合電壓方向過流保護(hù)的靈敏性。

3.4 4種小電阻接地方案單相故障時(shí)保護(hù)配合

(1)如圖1和圖2所示，接地變壓器接于主變壓器低壓側(cè)母線，電流速斷和過流保護(hù)動(dòng)作后聯(lián)跳主變壓器低壓側(cè)斷路器，同時(shí)主變壓器后備保護(hù)跳低壓側(cè)斷路器出口。當(dāng)35 kV線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路零序保護(hù)或線路開關(guān)拒動(dòng)，此時(shí)由零序保護(hù)動(dòng)作跳閘。第一時(shí)間零序保護(hù)I段動(dòng)作跳開母聯(lián)開關(guān)，將故障母線與正常系統(tǒng)分開；如果故障發(fā)生在接地變壓器所在母線上，第二時(shí)間零序保護(hù)Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳開主變壓器低壓側(cè)開關(guān)。

(2)如圖3所示，接地變壓器接于主變壓器低壓側(cè)引線時(shí)，電流速斷和過流保護(hù)動(dòng)作后跳主變壓器高低壓側(cè)斷路器，主變壓器后備保護(hù)跳各側(cè)斷路器時(shí)間小于接地變過電流保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。零序電流保護(hù)動(dòng)作原理同本節(jié)(1)。

(3)如圖4所示，在配置有平衡繞組的主變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)引線上配置接地電阻。由于這種接線不含接地變壓器，故小電阻接地系統(tǒng)保護(hù)包含在主變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)中。主變壓器低壓側(cè)零序電流保護(hù)Ⅰ段第一時(shí)間跳母聯(lián)斷路器，第二時(shí)間跳主變壓器低壓側(cè)斷路器，零序電流Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作跳主變壓器高低壓側(cè)斷路器。

4 工程應(yīng)用常見問題及對策

風(fēng)電場集電線路小電阻接地方式已在多個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目中實(shí)施，從已參與調(diào)試和投運(yùn)的電廠情況來看，小電阻接地方式總體較好，但也暴露一些問題，主要有以下幾個(gè)方面。

(1)風(fēng)電場集電線路采用小電阻接地系統(tǒng)，由于經(jīng)濟(jì)原因或安裝位置限制，許多升壓站采用站變壓器與接地變壓器合二為一的方案。此時(shí)在整定站變壓器保護(hù)時(shí)必須考慮定值、時(shí)間與出線零序定值的配合[6]。速斷保護(hù)定值應(yīng)大于接地變壓器的零序電流保護(hù)值，時(shí)間取0 s不變；過流保護(hù)定值應(yīng)大于站變壓器的額定電流值，時(shí)間大于接地變壓器零序電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。這樣既可以保證站變壓器在發(fā)生較嚴(yán)重的故障時(shí)保護(hù)快速動(dòng)作，又可以避免單相接地故障時(shí)速斷保護(hù)及過流保護(hù)的誤動(dòng)。

(2)集電線路的電纜屏蔽層接地線正確敷設(shè)方法為當(dāng)屏蔽層接地線接地點(diǎn)在零序電流互感器(CT)上方時(shí)，屏蔽層接地線必須由上向下穿過零序CT；當(dāng)屏蔽層接地線的接地點(diǎn)在零序CT下方時(shí)，電纜屏蔽層接地線不能穿過零序CT，否則會(huì)引起非故障線路零序保護(hù)誤動(dòng)[7]。

(3)主變壓器差動(dòng)保護(hù)裝置的啟動(dòng)定值應(yīng)按大于正常變壓器額定負(fù)載的最大不平衡電流以及單相接地故障時(shí)的最大零序電流來整定，這樣就可以防止變壓器區(qū)外發(fā)生單相接地故障時(shí)主變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)[8]。

(4)發(fā)生單相、瞬時(shí)故障時(shí)，小電阻接地方式下的保護(hù)動(dòng)作跳閘，然后重合成功[9]。零序保護(hù)的整定時(shí)間應(yīng)大于因雷電等原因造成的瞬時(shí)故障時(shí)間，同時(shí)應(yīng)遵守《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，按照要求整定風(fēng)電機(jī)組低電壓保護(hù)定值及低電壓穿越的能力，避免風(fēng)電機(jī)組因集電線路瞬間故障而大面積脫網(wǎng)。

(5)過電流保護(hù)整定時(shí)，既要保證保護(hù)的靈敏度，又要保證電流大于非本線路故障時(shí)，本線路流過的最大電容電流。考慮到由于故障點(diǎn)的不同，單相接地故障電流變化較大，保護(hù)的靈敏度降低，所以在整定計(jì)算時(shí)應(yīng)確保保護(hù)選擇性的同時(shí)提高其靈敏度。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)風(fēng)電場集電線路的特點(diǎn)提出了4種小電阻接地系統(tǒng)的接線方式，并詳細(xì)說明了相應(yīng)的繼電保護(hù)方案，同時(shí)對工程中繼電保護(hù)整定及安裝工程中出現(xiàn)的常見問題進(jìn)行了歸納總結(jié)，對風(fēng)電場規(guī)范建設(shè)和順利投產(chǎn)具有十分現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。

不可否認(rèn)的是，小電阻接地系統(tǒng)在單相接地短路故障時(shí)，保護(hù)動(dòng)作不區(qū)分故障類型，對風(fēng)力發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如果自動(dòng)消弧線圈在滿足可靠快速切除單相接地故障方面能有市場成熟產(chǎn)品的支撐，諧振接地系統(tǒng)將是集電線路接地方式的最佳選擇，這也是下一步風(fēng)電場集電線路接地方式的研究方向。

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