風電場35 kV電網中性點經電阻接地方式研究

袁欽鵬，于 群，楊亞奇

(山東科技大學電氣與自動化工程學院，山東青島266590)

電網中性點接地方式的選取是一個關系到整個電網安全運行的綜合性技術問題。近年來，國內電網頻繁發生風機大面積脫網事故，其中一部分是由于系統發生故障時，中國風電場采用的中性點小電流接地方式使小電流選線裝置靈敏度降低，甚至無法選線，從而導致系統電壓降低，引起風機脫網。電力行業標準DL/T620－1997《交流電氣裝置的過電壓和絕緣配合》規定:6～35 kV主要由電纜線路構成的送、配電系統，單相接地電容電流較大時，采用電阻接地方式，即中性點與大地之間接入一定阻值的電阻。風電場中性點經電阻接地能夠有效地降低工頻過電壓及弧光接地過電壓的水平，增大故障線路的接地電流，而且與線路零序保護配合，能快速準確切除線路故障，提高系統安全穩定性［1－3］。因此，隨著風電場容量不斷增加，對風電場接地方式的改進已迫在眉睫。

本文利用PSCAD仿真軟件，以某風電場35 kV電網為例建立電磁暫態仿真模型，針對電網中變壓器中性點不同接地方式對系統發生單相接地故障時的過電壓進行了詳細仿真，仿真結果驗證了風電場經電阻接地的優越性。

1 中性點接地電阻分析計算

1.1 中性點引入

在中國風電場35 kV小電流接地的電力系統中，變電站中的電源變壓器35 kV側繞組為三角形接線，所以無中性點引出。中性點的引入一般有兩種方法:一是在主變的35 kV側采用yn0型接線;二是在35 kV母線側設置Z型接地變。

本文采用第二種方法，因為Z型變壓器具有系統發生單相接地故障時，正、負序呈現高阻抗，零序呈現低阻抗(一般小于10 Ω)，空載損耗小，變壓器容量利用率在90%以上等特點，所以，Z型變壓器是作為接地變壓器的一種比較好的選擇［4］。Z型變壓器接線方式如圖1所示。

圖1 Z型變壓器接線法Fig.1 Z transformer wiring method

1.2 接地電阻的選擇

接地電阻值的選擇原則［5］:

1)發生故障時向保護裝置提供足夠大的電流，能夠使保護裝置快速可靠地動作。

2)電阻的阻性電流一般為容性電流的1～1.5倍，將暫態過電壓限制在2.6倍相電壓以下。

3)在規定的時間內，系統電流要小于熱穩定極限電流。

1.2.1 按限制故障過電壓倍數選擇架空線路的單相接地電容電流計算公式為

式中:U為線路額定電壓，kV;L為線路長度，km。

電纜線路的單相接地電容電流計算公式為

式中:S為電纜芯線截面積，mm2。

通過中性點電阻的電流IR為

則接地電阻R′為

式中:Ue為電網相電壓，V。

1.2.2 按熱穩定要求選擇

根據熱穩定要求，以允許電流和持續時間為依據，計算中性點接地電阻為［6］

式中:IM為允許電流，A。

綜合以上兩個方面考慮，中性點接地電阻RN的取值范圍為 R″≤RN≤R′。

1.3 案例分析

某風電場總裝機容量為40.5 MW，每臺風電機組出口電壓為575 V，頻率為50 Hz，經升壓變壓器升壓至35 kV，經單回35 kV電纜出線接入到了220 kV變電站的35 kV母線。電纜長30 km，截面積為240 mm2，接地變壓器采用Z型變壓器。

1.3.1 按限制故障過電壓倍數選擇

由式(1)得

由上述分析可知，中性點接地電阻 R′≤53.5 Ω。

1.3.2 按熱穩定要求進行選擇

系統中性點接地電阻的熱穩定按500 A、10 s考慮，由式(2)知，中性點接地電阻為

則接地電容電流IW=0.24×30×35=252 A。當IR=1.5IW=378 A時，接地電阻為

故中性點接地電阻R″≥40.4 Ω。

因此，中性點接地電阻的取值范圍為40.4 Ω≤RN≤53.5 Ω，本例中接地電阻取50 Ω。

2 風電場35 kV電網建模仿真

以1.3節中的風電場為例搭建PSCAD模型，如圖2所示。當接地變壓器所連接的開關閉合時，為中性點經電阻接地系統;當開關斷開時，為中性點不接地系統。本文對這兩種方式進行仿真。

2.1 單相接地引起的工頻過電壓仿真研究

單相接地故障是最常見的故障形式。發生故障時，由于相間的電磁耦合，可能使健全相工頻電壓升高。在不對稱接地中，以單相接地時非故障相過電壓升高最為嚴重。

據統計，單相接地故障占高壓線路總故障次數的70%以上，占配電線路總故障次數的80%以上，而且絕大多數相間故障都是由單相接地故障發展而來的。因此，單相接地故障的研究對于電力線乃至整個電力系統安全運行至關重要［7］。

在圖2的仿真模型中，設置220 kV變電站35 kV母線出口發生A相接地短路故障，觀察故障時的過電壓變化情況(注:1p.u.=，UM為系統最高電壓。對35 kV電網，1p.u.=31.43 kV)。

圖2 某風電場35 kV電網電磁暫態仿真模型Fig.2 35 kV power system electromagnetic transient simulation model in a wind farm

中性點不接地和中性點接入50 Ω電阻后系統的仿真波形如圖3、圖4所示。當系統的中性點未接地時，在220 kV變電站35 kV母線發生單相接地時故障相電壓降為0，系統非故障相的暫態過電壓峰值為2.4 p.u.。系統的中性點經電阻接地后，系統非故障相的暫態過電壓峰值為2.0 p.u.，相比中性點未接地，暫態過電壓峰值下降0.4 p.u.，降幅達16.7%。由此可見系統中性點經電阻接地能夠有效降低工頻過電壓。

圖3 中性點不接地系統的仿真波形Fig.3 Simulation waveform of neutral pointungrounded system

圖4 中性點接入50 Ω電阻后的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of neutral point after access 50 resistance

2.2 間歇性電弧過電壓仿真研究

電力系統常見的內部過電壓一般分為弧光接地過電壓、操作過電壓和電磁式電壓互感器飽和引起的鐵磁諧振過電壓［8］。弧光接地過電壓具有過電壓大，持續時間長，對避雷器的危害大等特點，所以對弧光接地過電壓的研究非常必要。

到目前為止，在分析電弧過程方面有三種理論，即高頻熄弧理論、工頻熄弧理論和熄弧恢復抗電強度理論。與系統實測值相比較，工頻理論分析所得過電壓值比較接近實際情況［9］。因此，本文以工頻熄弧理論為基礎，其數值仿真過程如圖5所示。

圖5 弧光接地過電壓計算過程Fig.5 Calculation process of arc grounding over－voltage

在仿真中，用斷路器的開合模擬電弧的熄滅和重燃。在故障相和地之間設置一個斷路器，斷路器閉合表示電弧重燃，反之，斷路器斷開代表電弧熄滅，電阻R為模型弧道電阻［10］。不同接地方式下，故障點過渡電阻R為0.5 Ω。間歇性電弧仿真模型如圖6所示。

圖6 間歇性電弧仿真模型Fig.6 Simulation model of intermittent arc

工頻熄弧理論認為當接地電流工頻分量過零時，電弧熄滅，則在故障點U相電壓達正或負峰值時刻，U相發生單相接地故障。在半個工頻周波附近時，接地短路電流很小，則認為是工頻電流過零，電弧熄滅。熄弧后在故障相(U相)的第一個電壓峰值時刻電弧重燃。從時間上來看，工頻熄弧是每隔一個工頻周波重燃一次［9］。因此，本文中線路末端在3.675 s時發生U相接地故障短路，此時U相電壓為負最大值，產生間歇弧光接地過電壓，故障持續的時間為3個工頻周期。

系統的匯集線路末端接地時，系統的弧光接地過電壓如圖7—圖10所示。從圖7—圖10中可以看到，當系統的中性點未接地時，系統的匯集線路末端接地時故障相電壓降為0，系統非故障相的弧光過電壓峰值為3.2 p.u.，系統中性點弧光過電壓峰值為 2.2 p.u.。

圖7 中性點不接地系統的系統電壓波形Fig.7 System voltage waveform of neutral point ungrounded system

圖8 中性點不接地系統的中性點電壓波形Fig.8 Neutral point voltage waveform of neutral point ungrounded system

圖9 中性點接入50 Ω電阻后的系統電壓波形Fig.9 System voltage waveform of neutral point after access 50 resistance

圖10 中性點接入50 Ω電阻后的中性點電壓波形Fig.10 Neutral voltage waveform of neutral point after access 50 resistance

當系統中性點經50 Ω電阻接地后，系統非故障相的弧光過電壓峰值為2.5 p.u.，系統中性點弧光過電壓峰值為0.7 p.u.。相比中性點未接地系統，弧光過電壓峰值分別下降為0.7 p.u.和1.5 p.u.，降幅分別達21.8%和68.2%。中性點經電阻接地能夠有效抑制電網弧光過電壓的幅值。

嚴重的弧光過電壓是系統中的能量積累造成的，若在變壓器中性點串接一電阻器后泄放間歇性弧光過電壓中的電磁能量，可使中性點電位降低，故障相恢復電壓上升速度減慢，減小電弧重燃，進而抑制過電壓幅值［10］。

綜合上述仿真結果，相對于中性點不接地系統，當中性點電阻為50 Ω時，一相工頻過電壓的最大值不超過2.0 p.u.，降幅達16.7%。當系統發生單相故障時，繼電保護裝置能夠迅速切除故障，弧光接地過電壓最大降幅為1.5 p.u.。因此中性點經電阻接地可以有效地限制工頻過電壓和弧光接地過電壓的幅值。

3 結論

1)通過對某風電場35 kV電網中性點接地電阻值的選取進行理論分析和仿真計算，給出了該風電場中性點電阻值宜取50 Ω。但中性點接地電阻值的上限受過電壓的限制，下限受熱穩定要求的限制。所以為風電場35 kV電網選取的中性點電阻值并非絕對的。對于不同風電場的35 kV電網，應根據其具體情況和側重點靈活選取合理的中性點電阻值。

2)中性點電阻泄放了對地電容的零序電荷，中性點電位降低，故障相恢復電壓上升速度減慢，減小了電弧重燃，進而抑制了過電壓的幅值。因此中性點經電阻接地可以有效地限制工頻過電壓和弧光接地過電壓的幅值。

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