風電場匯集線系統中性點接地方式的設計及設備選擇

陳亮亮，韓 源，楊鎮澴，馬 琴

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)04—0081—04

風電場匯集線系統中性點接地方式的設計及設備選擇

陳亮亮，韓 源，楊鎮澴，馬 琴

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

結合規范以及國家電網公司相關條文的要求，詳細闡述了風電場匯集線系統中性點接地方式的最優設計方案的分析過程，并介紹了按照該方案如何選擇電氣設備的關鍵參數及其注意事項，交流了設計思路和設備選擇，為相關設計提供了參考。

風電場；匯集線系統；中性點接地

風電場近年來裝機規模不斷增大，但是技術發展的滯后及規程規范的缺失使得設計、制造及安裝環節均存在不同程度的隱患，給電網的安全運行帶來了很多問題，其中又以匯集線系統中性點接地方式的設計更具代表性。

1 匯集線系統中性點接地方式的特點

早期風電場匯集線系統中性點接地方式的設計基本都是遵循文獻[1]的設計要求，采用不接地、經消弧線圈或低電阻的接地方式，也曾有采用經消弧柜的接地方式，這幾種接地方式各有其運行特點。

1.1 中性點不接地方式

這種運行方式的工作原理是：當發生接地故障時，由于不會形成回路，且通過短路點的電流僅為接地電容電流，當故障電流很小時，只要對地電位發生變化，短路點電弧可自熄，絕緣亦可恢復，大大提高了供電可靠性。但如果發生間歇性弧光過電壓，使得健全相的電位可能升高，會造成擊穿設備的絕緣的危害。

1.2 中性點經電阻接地方式

這種運行方式的工作原理是：給系統故障點注入阻性電流，使接地故障電流呈阻容性質。減小電容電流與電壓的相位差角，降低故障點電流過零熄弧后的重燃，當阻性電流足夠大時，重燃將不再發生，同時把系統電壓控制在2.5倍相電壓以內，并提高了繼電器保護靈敏度。

(1) 優點：① 能快速切除故障，過電壓水平低，消除諧振過電壓；② 有利于降低操作過電壓，對全電纜線路，大部分接地故障為永久性故障，可不投入線路重合閘，不會引起操作過電壓；③ 在以電纜線路為主的系統中，與線路零序保護配合，可準確判斷出故障線路并迅速切除。

(2) 缺點：① 發生短路故障時，保護設備立即動作切除故障，增加了停電次數，供電可靠性較低；② 數百安的接地電流會引起故障點接地網的地電位升高，危及設備和人身安全。

1.3 中性點經消弧線圈接地方式

這種運行方式的工作原理是：當發生接地故障時，對單相接地電容電流進行有效補償，而當故障點的殘余電流降至10 A以下，利用消弧線圈易于熄弧和防止重燃的特點，使過電壓持續時間大為縮短，降低高幅值過電壓出現的概率，進而防止事故的發生與擴大。

(1) 優點：① 保證了供電的可靠性與連續性，系統在單相接地故障下允許運行2 h;② 經消弧線圈補償后，接地點的殘流較小，降低了故障相電壓的恢復速度，達到熄弧效果，有利于系統穩定運行;③ 降低了電網絕緣閃絡接地故障電流的建弧率，從而降低了線路跳閘率;④ 降低接地工頻電流并限制地電位升高，減小了跨步電位差和接地電位差，減少對低電壓設備的反擊。

(2) 缺點：① 發生故障時，健全相的電壓超過3倍相電壓，對設備的絕緣水平要求較高。② 諧振接地系統發生單相接地故障時，由于消弧線圈的補償作用，故障電流值較小以及電弧不穩定等因素，造成接地故障選線比較困難。③ 消弧線圈自動跟蹤補償是在工頻下完成的，當采用電感電流來抵消電容電流時，對于弧光接地時的高頻分量部分無法抵消，因而不能消除弧光接地過電壓。④ 電纜線路一旦發生故障，多為永久故障。在諧振接地不跳閘情況下，電網帶接地故障運行存在著引發兩相或三相接地短路故障的危險性，故障容易發展成永久型的相間短路故障。⑤ 只能運行在過補償狀態，不能運行在欠補償狀態；因為在欠補償狀態下運行，當線路故障切除時，易產生嚴重的諧振過電壓，危及設備安全。⑥ 在某些特殊情況下，線路不對稱度較大，特別是線路發生單相或兩相斷線時，對于該接地系統有可能引起串聯諧振，從而危及設備安全。

1.4 中性點經消弧柜接地方式

這種運行方式的工作原理是：當發生接地故障時，通過消弧柜接地裝置實現金屬性接地，并通過小電流接地選線裝置查找故障線路，最終利用消弧裝置實現消弧功能，防止過電壓的產生。

(1) 優點：① 實用性高、結構簡單、造價低；② 不受接地故障點的影響，也不受電網對地電容電流的影響，而且響應速度快，既能快速處理穩定性弧光接地，也能快速處理間歇性弧光接地，抑制弧光接地過電壓，同時還能預防故障電壓區因單相接地造成的觸點事故，防止進一步擴大事故；③ 不僅可以消除和限制操作過電壓，而且還可以消除大氣過電壓，保證了系統的安全運行。

(2) 缺點：① 消弧柜動作對系統的沖擊大，安全可靠性差，在保護動作恢復時，還易引發諧振而燒壞電氣設備是它難以克服的缺點；② 若保護動作投錯相，或保護動作后系統又發生異相接地，將形成相間短路，對系統造成更大的危害，不符合電力系統對保護裝置安全性的要求；③ 電容電流過大致使消弧裝置無法滿足功能需要，且裝置本身也容易在巨大的接地電流下被擊穿。

2 匯集線系統中性點接地方式的電網要求

中國國家電網公司為了更好地規范和統一風電場匯集線系統的中性點接地方式，于2011年出版了《風電場電氣系統典型設計》，對35 kV側的接地有了相對明確的要求：① 風電場35 kV系統應采用經電阻或消弧線圈接地方式，不應采用不接地或經消弧柜接地方式。② 經電阻接地的35 kV系統應滿足單相接地故障情況下，繼電保護正確選擇、快速切除的要求，同時應兼顧風電機組的運行電壓適應性要求；③ 經消弧線圈接地系統應滿足單相接地故障可靠選線，快速切除的要求。

同年，在經歷了酒泉風電基地大規模風機脫網事故后，國家電網公司又相繼下發了《防止風電大規模脫網重點措施》(西電調字[2011]59號)及《風電并網運行反事故措施要點》(國家電網調2011[974]號)等一系列文件，進一步加強了對風電場匯集線系統中性點接地方式的要求：對新建風電場，建議匯集線系統采用經電阻接地方式，并配置單相接地故障保護。匯集線系統采用不接地或經消弧線圈接地方式的風電場， 應配置帶跳閘功能的小電流接地選線裝置，在單相接地后快速切除故障，若不成功則跳開主變低壓側開關隔離故障。

考慮到風電場內的饋線大量使用電纜，而電纜故障絕大多數為永久性故障，電纜單相接地故障可能因過電壓發展為相間故障導致風電機組機端電壓降低，造成風電場內其它機組因低電壓保護動作而脫網，擴大事故范圍；同時風電場作為發電系統，年利用小時數較低，不存在對用戶連續供電，且切除單條饋線對風電場及電網的運行影響均不大，所以電力系統更推薦匯集線系統中性點采用經低電阻接地的方式。

綜上所述，目前風電場匯集線系統中性點接地方式的選擇，如表1所示。

表1 接地方式選擇表

3 匯集線系統中性點接地方式的設計 要求

(1) 接地電阻安裝位置的選擇

目前風電場匯集線系統的中性點引出方式一般有2種方案。方案1是裝設接地變壓器及開關設備，通過接地變壓器引出中性點；方案2是主變壓器采用YNyn0dll型聯結組別，從主變壓器中壓側直接引出中性點。2種方案具體如圖1所示。

圖1 風電場匯集線系統中性點引出方式圖

從2種方案的對比不難看出，方案1需要增加接地變壓器及開關設備的投資，方案2需要增加主變壓器的投資，2種方案從經濟性上來說差別不大，但是作為發電系統，根據工程經驗采用方案1比較合適，而如果按照變電站的設計思路則習慣采用方案2。

(2) 接地變壓器容量的選擇

風電場匯集線系統正常運行時，接地變壓器的繞組僅流過很小的勵磁電流，當系統發生單相短路故障時，繞組中才流過較大的系統短路電流。接地變壓器的容量原則上應不小于接地電阻的額定容量。文獻[2]第18.3.4條對接地變壓器的容量要求：

SN≥PR

式中：PR為接地電阻額定容量。

由于低電阻接地系統發生單相短路故障時要求快速切除，根據繼電保護要求，其持續時間應小于10 s，因此接地變壓器容量計算時應充分考慮變壓器的10 s短時過載能力。文獻[5]對接地變壓器的短時過負荷系數作出規定，如表2所示。

表2 接地變壓器的短時過負荷系數表

(3) 接地電阻電流的選擇

低電阻接地系統當發生單相接地短路時，流過故障點的接地故障電流為電容電流與電阻電流的“合”電流。

架空線路電容電流應根據下式計算：

Ic1=(2.7～3.3)×Ue×L×10-3

電纜線路電容電流應根據下式計算：

Ic2=0.1×Ue×L

總的電容電流應根據下式計算：

Ic=Ic1+Ic2

電阻電流應根據下式計算：

IR=(1～1.5)×Ic

接地故障電流應根據下式計算：

式中：L為線路長度，km；Ue為額定線電壓，kV。

其中接地故障電流的選擇還應結合以下幾個方面進行考慮：

(1) 為獲得快速選擇性繼電保護所需的足夠電流，需要較大的接地故障電流，目前低電阻接地系統一般采用接地故障電流為100～1 000 A[1]。

(2) 從降低弧光過電壓幅值考慮，一般取電阻電流為1～1.5倍的電容電流，可以限制內部過電壓不超過2.6倍，進一步提高阻性電流對降低內部過電壓收效不大[4]。

(3) 從保護人身安全、降低通信干擾、滿足設備短時及峰值耐受、降低接地設備容量及投資方面考慮，接地故障電流又不能太大。

(4) 風電場作為發電系統，建成后由于各項參數變化導致35 kV系統電容電流增加很多的可能性很小，因此故障電流不用考慮太多裕量。

綜上所述，當系統發生單相接地電容電流較小時，宜按Id不小于100 A進行考慮，IR可取100 A；當電容電流較大時，IR可按相應電容電流的1～1.5倍進行考慮。

4 工程實例

新疆某風電場，裝機規模200 MW，處于戈壁平原地區，配套建設一座110 kV升壓變電站。根據接入系統設計及其審查意見的要求，升壓變電站內主變壓器采用2臺100 MVA的三相雙繞組有載調壓變壓器，額定電壓為(115±8)×1.25%/37 kV，聯結組別為YNd11；風電場匯集線系統采用經低電阻接地的方式，集電線路總長度為52 km，其中架空段長度為44.8 km，電纜段長度為7.2 km。

架空線路的電容電流為：

Ic1=2.7×Ue×L×10-3=4.48 A

電纜線路的電容電流為：

Ic2=0.1×Ue×L=26.64 A

接地故障時總的電容電流為：

Ic=Ic1+Ic2=31.12 A

則電阻電流為：

IR=(1～1.5)×Ic=(31.12～46.68) A

由于電容電流較小，實際工程中電阻電流IR可取100 A，則接地故障電流為：

接地電阻的電阻值為：

接地電阻的額定電壓為：

接地電阻的消耗功率為：

PR=Id×UR=104.73×22.43=2349 kVA

接地變壓器的運行容量為：

根據上述計算，本工程匯集線系統的中性點接地設備選擇，如表3所示。

表3 設備參數表

5 結 語

在中國國家電網公司的推動下，目前風電場匯集線系統中性點接地方式的選擇已經有了指導性文件，雖然各省市的具體要求不盡相同，但基本形式都已經確定。

在風電場電氣系統設計中不能只依賴國家標準或者電力標準進行選擇，而應該在仔細研究風力發電特點的大前提下，結合項目所在地的地區電網發展規劃及當地省市電力公司的要求，合理設計風電場匯集線系統的中性點接地方式，并通過實際計算進行設備選型。

[1]DL/T620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].北京：中國電力出版社,1997.

[2]DL/T5222-2005,導體和電氣選擇設計技術規定[S].北京：中國電力出版社,2005.

[3] 水利電力部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊：電氣一次部分[M].北京：中國電力出版社,1989.

[4] 平紹勛,周玉芳.電力系統中性點接地方式及運行分析[M].北京：中國電力出版社,2010.

[5]C62.92.3-1993,IEEEGuidefortheApplicationofNeutralGroundinginElectricalUtilitySystems，PartIII-GeneratorAuxiliarySystems[S].IEEE,1993.

Design and Equipment Selection of Grounding Mode at Neutral Point in Collection Line System of Wind Farm

CHEN Liang-liang, HAN Yuan, YANG Zhen-huan, MA Qin

(Northwest Engineering Co., Ltd., Xi'an 710065, China)

In accordance with design codes and requirements of the national grid company, the analyzing process of the optimum design scheme of the grounding mode at the neutral point in collection line system of wind farm is described. Meanwhile, how to select key parameters of the electric equipment and other points are introduced according to the scheme. Design concept and equipment selection are explained. This provides relevant design with reference.Key words:wind farm; collection line system; neutral-point grounding

2015-01-21

陳亮亮(1984- )，男，吉林省長春市人，工程師，主要從事新能源電氣設計工作.

TM614

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.04.021