光伏電站35kV系統中性點低電阻接地的應用

胡 波

（江蘇海能電力設計咨詢有限責任公司,南京 210000）

0 引言

選擇電網中性點的接地方式是一個綜合性問題。它與電壓等級、單相接地短路電流、繼電保護配置、過電壓水平等有關，直接影響電網的絕緣水平、供電可靠性和連續性、繼電保護、系統穩定以及對通信線路的干擾等。電力網中性點的接地方式有中性點有效接地和中性點非有效接地兩種類型。其中，中性點非有效接地方式可分為中性點不接地方式、中性點低電阻接地方式、中性點高電阻接地方式和中性點諧振接地方式。

以往光伏電站35kV及以下系統采取中性點經消弧線圈接地或不接地方式運行。消弧線圈接地方式的缺點是降低了小電流選線裝置的靈敏度、容易發生串聯諧振過電壓、在非正常運行方式下，無法抵消弧光接地時的全部高頻分量，可能引起很高的弧光接地過電壓。

近幾年，光伏電站建設規模逐年快速擴大，大型光伏電站面積較大，各子系統的間距較遠。光伏場區通常將逆變器的出口電壓經過箱式雙分裂升壓變壓器升壓到35kV，通過35kV匯集線送往升壓站，經升壓站主變升壓后接入系統。光伏電站35kV匯集線線路較長，一般采用電纜或架空方式，這導致35kV系統電容電流的數值大幅度增加。據統計，全國已出現多起因單相接地故障不能快速切除導致故障擴大并成為光伏發電大規模脫網的主要原因。當前，并網安全問題始終是懸在光伏產業頭頂上的一把劍。因此，對于35kV系統電容電流數值較大的光伏發電站，接地方式的選擇將直接影響到光伏電站電氣設備的安全運行。

1 中性點低電阻接地方式的原理及特點

1.1 原理

中性點低電阻接地方式即在系統中性點與大地之間串聯接入一定阻值（0.1～1500歐）的電阻。當發生單相接地短路故障時，由于電弧在重燃--熄滅--再重燃的過程中積累了大量的能量，當中性點接入電阻器后，電阻器泄放了燃弧后的能量，使中性點的電位降低，且故障相電壓恢復速度減慢，電弧重燃的可能性就降低了。由于電阻吸收了故障時的弧光能量，有效限制了弧光過電壓倍數，也基本消除了系統諧振過電壓。

當電網發生單相接地故障時，流過故障點的接地電流等于電阻電流和電容電流的向量和，在接地電阻數值選擇合理的條件下，采用零序電流保護選擇故障線路并迅速切除故障線路，保證了人生設備安全。

1.2 特點

（1）發生單相接地故障時，非故障相工頻過電壓可限制在1.7倍以下，暫時過電壓可限制在2.6倍以下。

（2）發生單相接地故障電弧從重燃、熄滅、再重燃所積累的電荷通過電阻器泄放，控制了弧光過電壓的倍數。

（3）由于電阻器為一阻尼原件，基本消除了諧振過電壓。

（4）低電阻接地就是為了獲得較大的故障電流，利用這一特點，可利用零序保護裝置快速切除故障線路，防止事故進一步擴大，提供了電網的安全水平并保證了人生安全。

（5）電纜線路發生故障一般為永久性故障，保護整定中不對故障線路進行重合閘，因此不會引起操作過電壓

2 光伏電站中性點小電阻接地方式基本理論

2.1 低電阻接地方式

光伏場升壓站主變壓器低壓側采用低電阻接地方式，發生單相接地故障時可通過配置的零序保護快速切除故障線路。目前采用兩種常用的方式：

（1）光伏電站升壓站主變壓器采用Y/Y+Δ接線方式，主變壓器高壓側和低壓側均采用星型接線（帶平衡繞組，能為3、6、9···次諧波提供通道，改善波形），低壓側中性點引出加小電阻接地。

（2）光伏電站升壓站主變壓器采用Y/Δ接線方式時，在35kV側采用Z型接地變壓器人為制造一個中性點后經小電阻接地。

2.2 單相接地電流計算

當A相發生單相接地故障時，忽略故障點接地電抗后由對稱分量法可得A相單相接地電流為：

IA=3UaZ1+Z2+Z0+3Rd×103

式中： Z1、Z2、Z0---------網絡的正序、負序、零序電抗，歐姆；

Rd---------故障點過渡電阻，歐姆；

Ua---------A相電壓，kV；

2.3 中性點接地電阻阻值計算

（1）計算電阻電流 中性點接地電阻器的阻值計算應先確定故障電流。當接地電流為550A時，接地電弧可以穩定燃燒，不會發生因燃燒、熄滅、再重燃過程所引起的弧光過電壓，也有利于繼電保護裝置的正確動作。

中性點電阻電流計算：

IN=Id2-IC2

式中：IN為電阻電流，A； Id為接地電流，A； Ic為系統電容電流，A電纜線路電容電流計算：

IC=0.1×UE×L

式中：UE為系統額定線電壓，V； L為電纜長度，km；

架空線路電容電流估算：

IC=(2.7～3.3)UEL

式中：2.7為適用于無架空地線的線路；3.3為適用于有架空地線的線路；同桿雙回線路的電容電流為單回路的1.3～1.6倍。

（2）接地電阻阻值及接地變容量 按10S熱穩定原則進行計算RN=UE3IN IR=110.5×UE3RN S=110.5×UE3×IN

式中：UE為系統額定線電壓，V； IN為電阻電流，A；IR為小電阻額定電流；

RN為電阻器阻值，歐姆；S為接地變容量，kVA

（3）計算實例。以河北張家口某100MW光伏發電項目為例，每1MW為一個子系統，每個子系統安裝一臺1000kVA的升壓變，每10個子系統均T接到1回35kV匯集線，本站共10回匯集線，均為電纜匯集方式，電纜長度共計22公里，本站的主變壓器接線形式為Y/Δ接線方式，其電容電流估算為：

IC=0.1×35×22=77A

則電阻電流為：IN=Id2-IC2=544A （取Id=550A）

電阻值為：RN=U3IN=37.14歐姆，選擇37歐姆的電阻，則接地電流大于550A。

按照10S熱穩定計算，接地變壓器繞組的容量為: S=110.5×353×544=1047KVA

因此，選擇容量為1250kVA、接線組別為ZN,yn1的曲折型接地變壓器；選擇電阻為37歐姆的小電阻柜。

3 低電阻接地方式的保護配置及整定原則

3.1 35kV接地變壓器的保護配置及整定原則

接地變壓器配置電流速斷及過電流保護作為接地變內部故障及外部相間短路故障的主保護和后備保護；并配置零序過流I段、零序過流II段作為接地變單相接地故障時的主保護和后備保護。

當采用升壓站主變壓器低壓側中性點引出加小電阻接地方式時，零序I段保護第一時限跳低壓側母聯開關，第二時限跳主變低壓側進線開關、零序II段保護動作跳主變各側開關；當采用接地變壓器中性點接小電阻接地方式時，零序I段保護第一時限跳低壓側母聯開關，第二時限跳主變低壓側進線開關。

3.2 35kV匯集線線路的保護配置及整定原則

光伏電站的35kV匯集線為雙側電源線路，應裝設帶方向或不帶方向的電流速斷及過電流保護作為相間短路故障的主保護和后備保護；并配置零序電流保護，零序電流保護設二段，第一段為零序電流速斷保護，時限與相間電流速斷保護相同、第二段為零序過電流保護，時限與相間過電流保護時限相同，也可配置零序加速段增加保護可靠性。

3.3 現有配置方式及隱患

低電阻接到方式下零序電流保護在具體工程中運用時，保護裝置零序電流采樣一般采用獨立的零序電流互感器，很少是裝置通過接入的三相電流而自產的零序電流。當采用獨立的零序電流互感器時，需注意一個原則，電纜端部的金屬護層及接地線不能穿越零序電流互感器，接地線應在零序電流互感器以下直接接地。

在光伏電站擴建時，匯集線進線間隔的零序電流互感器特性必須與前期工程的零序電抗互感器特性一致，避免不一致造成的保護誤動。

4 結論

隨著光伏電站規模的不斷擴大，光伏電站35kV側主要由電纜線路構成配電系統，由于電纜使用量的增多使得配電系統的電容電流急劇增加，當單相接地故障電容電流較大時，選用中性點低電阻接地可以快速切除故障線路，降低工頻過電壓水平，提供光伏電站運行可靠性。中性點電阻接地方式對系統電容電流變化的適應范圍較大，尤其當光伏電站擴建時，可以不改變接地電阻值。本文根據光伏電站集電線路的特點提出了35kV系統接地方式，同時給出了接地電阻阻值及接地變容量計算的方法，并對工程中遇到的繼電保護整定原則進行了歸納總結，對光伏電站設備采購、規范建設和順利投產具有十分現實的指導意義。

[1]賀根續.電力工程電氣設計手冊:電氣一次部分[S].中國電力出版社,1989.

[2]陳維江.交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合設計規范[S].中國計劃出版社,2014.

[3]馮匡一.繼電保護和安全自動裝置技術規程[M].中國計劃出版社,2006.

[4]呂仁帥.風電場35kV系統中性點接地設計方案分析[J].電力與能源,2014.