風電場35kV系統接地研究

內蒙古魯能風電有限公司 滕明堯

一、背景及其意義

近年來，我國風電產業發展突飛猛進，根據中國可再生能源學會風能專業委員會統計口徑顯示，2012年，中國（不包括臺灣地區）新增安裝風電機組7872臺，裝機容量12960MW，同比下降26.5%；累計安裝風電機組53764臺，裝機容量75324.2MW，同比增長20.8%。國家以“建設大基地、融入大電網”的思路發展中國風電產業，導致風電項目開發非常集中，隨著風電裝機容量井噴式的擴大，風電場電氣設備頻發故障，特別是2011年上半年連續發生了三起大規模風電機組脫網典型事故：

（一）2011年2月24日，甘肅中電酒泉風力發電有限公司橋西第一風電場35B開關間隔C相電纜頭故障絕緣擊穿，造成三相短路，導致包括橋西第一風電場在內的10座風電場中274臺風電機組因不具備低電壓穿越能力在系統電壓跌落時脫網。大量風電機組脫網后，因風電場無功補償裝置電容器組不具備自動投切功能，系統無功過剩，電壓迅速升高，引起6座風電場中300臺風電機組因電壓保護動作脫網。此外，事故過程中還有24臺風電機組因頻率越限保護動作脫網。本次事故脫網風電機組達到598臺，損失出力840.43MW，占事故前酒泉地區風電出力的54.4%，造成西北電網主網頻率由事故前的50.034Hz降至最低49.854Hz。

（二）2011年4月17日，甘肅瓜州協合風力發電有限公司干河口西第二風電場35C2-09箱變高壓側電纜頭擊穿、35D2-10箱變電纜三相連接處擊穿，35C2、35D2兩條饋線跳閘，切除25臺風電機組。隨后，35kV配電室35D母線PT柜著火，3502開關跳閘，切除97臺風電機組。事故同時造成其它12座風電場中536臺風電機組因不具備低電壓穿越能力在系統電壓跌落時脫網。大量風電機組脫網后，因部分風電場無功補償裝置電容器組不具備自動投切功能，系統無功過剩，電壓迅速升高，引起2座風電場中44臺風電機組因電壓保護動作脫網。本次事故脫網風電機組達到702臺，損失出力1006.223MW，占事故前酒泉地區風電出力的54.17%，造成西北電網主網頻率由事故前的50.036Hz降至最低49.815Hz。

（三）2011年4月17日，河北張家口國華佳鑫風電場#8風機箱式變壓器35千伏送出架空線B相引線松脫，與35千伏主干架空線路C相搭接，B、C相間短路，造成匯集至220千伏義緣變電站的4座風電場334臺風電機組因不具備低電壓穿越能力在系統電壓跌落時脫網。大量風電機組脫網后，因部分風電場無功補償裝置電容器組不具備自動投切功能，系統無功過剩，電壓迅速升高，引起接入察北站的5座風電場295臺風電機組因電壓保護動作脫網。本次事故脫網風電機組達到644臺，損失風電出力854MW，占事故前張家口地區風電出力的48.5%，造成華北電網主網頻率由事故前的50.05Hz降至最低49.95Hz。以上風電機組大規模脫網事故較為典型，對電網安全穩定運行造成較大影響。原因較為清晰，主要有以下幾點：

1.風電場電纜頭故障；

2.風力發電機組不具備低電壓穿越能力；

3.風電場動態無功補償裝置無法快速響應；

4.風電場35kV系統接線方式不合理，單相故障不能快速切除故障，是導致故障惡化、事故擴大的主要因素之一。

二、國內外研究動態

電力系統的中性點接地方式對電力電網系統運行是很關鍵、敏感的問題，也是一個技術綜合性問題，它對系統的供電可靠性、人身安全、設備安全、絕緣水平、過電壓保護、繼電保護、通訊干擾（電場電磁環境）及接地裝置等的影響非常大。

在電網發展之初，由于容量很小，人們對過電流的危害作用估計也不充分，因此電力設備的中性點都采用直接接地方式。在電力、電網系統不斷擴容之后，才發現單相接地故障頻繁，直接接地容易造成斷路器調閘從而產生頻繁的停電事故，同時單相弧光接地產生的電弧很難熄滅，一旦發展成相間短路產生的危害更大，這些影響都降低了電力運行的可靠性、穩定性。

為解決這些問題，當時發達國家采取了不同的解決方式沿用到目前，一種是德國采用的為了避免對通信線路干擾并保護鐵路信號的正確動作而經消弧線圈將中性點接地的方式，該方式對瞬間產生的單相接地故障有很好的消除作用；另一種是美國的中性點直接接地與經低電阻或低電抗接地配合使用的方式，同時在電氣回路中配合快速繼電器、快速開關裝置等，瞬間跳開故障線路，該方式對電力運行設備要求嚴格。目前國際上各電力、電網運行系統的中性點接地基本套用他們的原理方式進行。

從目前國內、國外的情況劃分，中性點接地方式主要有以下幾類：

中性點全接地方式、中性點經低電抗接地、中性點經中電阻或低電阻接地方式、中性點經高電阻接地方式、中性點諧振（消弧線圈）接地方式、中性點不接地方式等。

三、風電場接地方式簡介

（一）風電場35kV系統簡介

風電場風機分布一般較分散，所有風電機組分成2～3組，每組10～14臺風機通過集電線路并聯后將電能送往升壓站，再經變壓器升壓后與系統變電所相連實現電能外送。內部集電線路一般采用35kV電纜或架空線路輸送電能，距離在3～10km。風電場升壓站低壓側中性點接地可以采用不接地方式、經消弧線圈接地和經小電阻接地。

（二）風電場35kV系統接地方式

1.中性點不接地方式

采用中性點不接地方式，單相接地時允許帶故障運行兩小時，供電可靠性高。高電壓、長距離輸電線單相接地時，電容電流一般很大，在接地處容易出現間歇電弧，引起電網產生高頻振蕩，形成過電壓。發生單相接地，另外兩相電壓將升高倍，容易使絕緣薄弱處擊穿，引起兩相接地短路。當風電場容量較小或采用架空線時，集電線路電容電流也相對較小，通常采用中性點不接地方式。

2.經消弧線圈接地方式

為克服接地電容電流過大的缺點，可采用經消弧線圈接地方式。消弧線圈是一個有鐵芯的可調電感線圈，當發生單相接地故障時，可形成一個與接地電容電流大小接近相等、方向相反的電感電流，電感電流補償電容電流，使流經接地處的電流變得很小，保證接地電弧瞬間熄滅，以消除弧光間歇接地過電壓。通常消弧線圈最大補償電流與最小補償電流之比取2:1或2.5:1，并裝設5～9個分調節接頭。

采用消弧線圈接地方式的優點是當集電網容性電流變化時，消弧線圈接入容量調整方便；可降低線路單相接地時故障點的殘流，有利于接地電弧的熄滅，避免長時間燃弧而導致相間短路。缺點是使小電流選線裝置靈敏度降低，甚至無法選線；易產生串聯諧振過電壓現象，放大了變壓器高壓側到低壓側的傳遞過電壓；當采用電感電流來抵消電容電流時，無法抵消弧光接地時的全部高頻分量，不能有效地限制弧光接地過電壓。當風電場集電線路采用電纜線路，且線路較長電容電流大于10A時，35kV中性點一般采用消弧線圈接地方式。

3.經小電阻接地方式

對于中性點經電阻接地的系統，在線路發生單相接地故障時，故障電流一般在100～1000A之間。保護裝置可以根據檢測到的故障電流，快速切除接地線路，從而不易使故障點發展為兩點接地故障，有利于縮短故障線路修復時間。在接地故障期間，非故障相的電壓也不高于線電壓。此外，這種接地方式可以將系統發生接地故障時運行設備及城市通信系統的影響限制到最小程度；中性點設備投資費用也不高；事故率可降低，有利于整個系統安全可靠運行。對部分架空供電線路，還可以采用自動重合閘裝置，以提高其對用戶供電的可靠性。

四、風電場35kV接地方式選擇

當風電場35kV集電電纜較長時，需要的消弧線圈容量很大，會超出廠家可以生產的最大容量的消弧線圈，此時可以采用經小電阻接地方式。與經消弧線圈方式相比，經小電阻接地方式改變了接地電流相位，加速了回路中的殘余電荷的泄放，促使接地電弧自熄，降低弧光間歇接地過電壓，同時可提供足夠的電流和零序電壓，使零序保護可靠動作。

系統發生單相接地故障時，非故障相的穩態電壓升高比采用中性點不接地或經消弧線圈接地方式的穩態電壓升高稍低。由于其顯著的阻尼作用，可消除由于各種原因引起的系統諧振過電壓，采用電阻接地是消除頻繁發生的PT諧振過電壓的最有效的辦法。中性點電阻對系統正常運行時的中性點位移電壓具有抑制作用，使中性點位移電壓減小。在正常運行時，接地變壓器和接地電阻幾乎是處于空載狀態，只有在發生單相接地故障時，接地變才承受短時沖擊電流。

采用中性點經小電阻接地方式，有利于無間隙避雷器的使用，不僅限制系統內的過電壓水平，又可以降低雷電沖擊過電壓水平。中性點經小電阻接地與線路零序保護配合，可準確地判斷出故障線路并迅速切除，有利于可靠切除故障集電線路，減小對系統影響。同時故障時由于及時切除電源，可減少發生人身安全事故的機會。

當線路參數不對稱會產生流過接地變壓器中性點的零序電流，變電所接地網接地不良會導致接地變壓器中性點零序電壓加大。線路參數不對稱達到一定的程度或兩個因素的同時存在將引起接地變壓器零序電流保護誤動。因此應加強對電纜線路參數對稱性及變電所接地網接地完好性的監測。

綜上所述，當電容電流小于10A時，可以選用中性點不接地方式。當電容電流大于10A時，采用經消弧線圈接地方式較合適。考慮到經消弧線圈接地方式均采取過補償方式，目前消弧線圈最大制造容量為3150kVA，其對應的允許電容電流應為100A左右，再考慮脫諧度10%的要求，當集電網系統的電容電流超過80A時，不宜選用經消弧線圈接地方式，而宜選用經小電阻接地方式。當集電線路采取較長電纜線路時，從技術性能上分析，風電場升壓站低壓側中性點宜采用低電阻接地方式，并配置集電線路零序保護和監測電纜線路參數對稱性及變電所接地網接地完好性。

[1]Kayikci M,Milanovic J V.Assessing transient responseof DFIG-based wind plants-the influence of model simplificationsand parameters[J].IEEE Trans on Power Systems,2008,23(2):545-554.

[2]Poller M.A.Doubly-fed induction machine models forstability assessment of wind farms[C].2003.IEEE Power Tech Conference Proceedings,Bologna,Italy,2003.

[3]連振祥,勿日汗.風機脫網事故頻發能否催生風電“整風”新局[J].中國新能源,2011(7):31-32.

[4]電力工業部絕緣配合標準化技術委員會.DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].北京:中國標準出版社,2000.

[5]賀棟棟,張桂懷,楊潤田,等.中壓電網中性點不同接地方式的弧光過電壓仿真研究[J].內蒙古電力技術,2010,29(4):10-14.

[6]DL/T5222,2005,導體和電器選擇設計技術規定[S].