格爾木光伏電站送出線路零序保護(hù)異常動(dòng)作分析

曹 娜，屈紅軍，王劍鋒，王悅霖

(1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2. 國(guó)網(wǎng)海西供電公司，青海 格爾木 817000)

格爾木光伏電站送出線路零序保護(hù)異常動(dòng)作分析

曹 娜1，屈紅軍2，王劍鋒2，王悅霖1

(1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025；2. 國(guó)網(wǎng)海西供電公司，青海 格爾木 817000)

青海格爾木某50MW光伏電站兩回35kV送出線路出現(xiàn)零序電流異常現(xiàn)象。根據(jù)該電站送出系統(tǒng)接線形式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，建立基于ATP-EMTP光伏送出系統(tǒng)仿真模型，研究線路間互感對(duì)各相電流分布的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在光伏電站兩回送出線路兩端各并列于同段母線情況下，若線路間距較近，線路間的感應(yīng)作用將較大程度改變相電流分布，進(jìn)而產(chǎn)生較大的零序電流，現(xiàn)場(chǎng)增功率試驗(yàn)結(jié)果證明了上述結(jié)論。在調(diào)整兩回線路間距并嚴(yán)格按照品字形排列后，兩回35kV線路零序電流大幅降低，線路送出恢復(fù)正常。

零序電流；電力電纜；電流分布；多相并聯(lián)

2015年底，青海格爾木某50 MW光伏發(fā)電項(xiàng)目完工并網(wǎng)，在試運(yùn)行期間，屢次發(fā)生送出線路零序電流保護(hù)動(dòng)作跳閘的現(xiàn)象，導(dǎo)致光伏電站無(wú)法全額送出，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行造成威脅。據(jù)了解，格爾木地區(qū)有多個(gè)光伏電站均存在這些問(wèn)題。本文結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況，依照光伏電站送出系統(tǒng)接線方式，建立計(jì)算模型進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，光伏電站配合格爾木地調(diào)做增功率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)零序電流分布規(guī)律，找出問(wèn)題原因，并提出解決方案。

1 零序電流異常問(wèn)題

格爾木50 MW光伏電站通過(guò)2回35 kV線路接入電網(wǎng)，線路長(zhǎng)度2×1.8 km，采用截面400 mm2的交聯(lián)聚乙烯電纜。電纜以直埋方式敷設(shè)，采用品字形排列，護(hù)層兩端接地，線路間距250 mm。線路送出端35 kV開(kāi)關(guān)站為單母線接線，對(duì)側(cè)接入110 kV電業(yè)站35 kV I段母線，即兩回送出線路首末端分別接于同段母線。

在試運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)送出線路零序電流異常情況如下：

(1)任意一回35 kV線路運(yùn)行，另一回線路熱備用，系統(tǒng)正常運(yùn)行,并且投運(yùn)線路的零序電流較小。

(2)任意一回35 kV線路運(yùn)行，另一回線路檢修(及線路兩側(cè)接地刀閘合上)，系統(tǒng)正常運(yùn)行,檢修線路上有一定的零序電流。

(3)當(dāng)兩回35 kV線路同時(shí)運(yùn)行時(shí)，兩回線路零序電流隨著線路負(fù)荷增大而增大，當(dāng)總送出功率達(dá)到17 MW，線路零序電流接近零序電流I段整定值(30 A)時(shí)，送出功率繼續(xù)增大時(shí)兩回35 kV線路零序電流I 段保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)電業(yè)站側(cè)線路斷路器。

由于雙回線路并列運(yùn)行時(shí)零序電流異常，光伏電站功率無(wú)法全額送出，不僅嚴(yán)重影響了電站的正常運(yùn)營(yíng)，對(duì)系統(tǒng)安全也造成一定的威脅。

2 增功率試驗(yàn)結(jié)果

為發(fā)現(xiàn)線路零序電流分布規(guī)律，光伏電站配合格爾木地調(diào)做了增功率試驗(yàn)：兩回線路并列運(yùn)行，光伏電站送出功率由0 MW逐步增加至15 MW。在此過(guò)程中當(dāng)光伏電站送出總功率分別達(dá)到5、8、10、12、14、15 MW時(shí)，提取同時(shí)段每回線路兩側(cè)的故障錄波器波形，實(shí)測(cè)線路零序電流異常值。

試驗(yàn)中記錄到光伏電站不同功率節(jié)點(diǎn)時(shí)，兩回線路三相電流、外接零序電流有效值見(jiàn)表1。其中三相電流互感器變比為1 000/1 A；零序電流互感器變比為100/1 A。

表1 線路增功率時(shí)各相電流試驗(yàn)結(jié)果 A

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并列運(yùn)行時(shí)兩回線路零序電流大小相近、方向相反。零序電流隨著送出功率的增加而增長(zhǎng)，送出功率增至15 MW時(shí)，每回線路零序電流(3I0)達(dá)到26.5 A,接近30 A的限額。兩回線路零序電流-功率圖(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 I線零序電流—功率變化圖

圖2 II線零序電流—功率變化圖

3 原因分析

3.1 計(jì)算條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，由于光伏電站送出線路施工不規(guī)范，部分地段沒(méi)有夾具固定或捆扎固定，導(dǎo)致該路段電纜未按品字形排列，而變成了一字形排列。

參看增功率試驗(yàn)零序電流隨送出功率變化情況，初步分析線路零序電流異常原因如下：施工不規(guī)范導(dǎo)致線路間距過(guò)近，線路互感作用改變了各相電路分布，從而導(dǎo)致線路零序電流過(guò)大。

為驗(yàn)證初步分析的結(jié)果，并考慮到電纜實(shí)際可能的排列情況，按以下3種方式進(jìn)行計(jì)算：

(1)兩回線路“一”字型緊密排列。

(2)兩回線路“一”字型排列，兩回線路間相距100 mm。

(3)兩回線路“品”字型排列，兩回線路間相距250 mm。

本工程采用截面400 mm2交聯(lián)聚乙烯電纜，3種排列方式見(jiàn)圖3。

圖3 電纜排列方式

光伏電站滿功率送出功率為50 MW，為與增功率試驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)，還對(duì)兩回線路一字型排列送出15 MW進(jìn)行了仿真計(jì)算。

3.2 光伏電站送出仿真

根據(jù)光伏電站送出系統(tǒng)接線情況，基于ATP-EMTP對(duì)光伏送電系統(tǒng)建立模型進(jìn)行仿真，研究不同排列方式下滿功率送出時(shí)兩回線路A相、B相、C相電流有效值與相角，計(jì)算每回線路零序電流分布。

光伏電站送出系統(tǒng)等值電路如圖4所示。

圖4 光伏電站送出系統(tǒng)等值電路

電纜選用Bergeron模型。電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表2。

表3 光伏電站送出15 MW時(shí)線路零序電流分布 A

注：按金屬護(hù)套兩端接地計(jì)算。

表4 一回線路零序電流分布 A

注：另一回線路零序電流計(jì)算結(jié)果相近，相位相差接近180°。

表2 電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

相關(guān)電氣參數(shù)按以下取值：

電纜芯電阻率： 2.3×10-8Ω·m

電纜芯相對(duì)磁導(dǎo)率：1

導(dǎo)體絕緣層相對(duì)磁導(dǎo)率：1

導(dǎo)體絕緣層相對(duì)介電常數(shù)：2.3

金屬護(hù)套層電阻率： 2.8×10-8Ω·m

金屬護(hù)套相對(duì)磁導(dǎo)率：1

金屬護(hù)套絕緣層相對(duì)磁導(dǎo)率：1

金屬護(hù)套層絕緣層相對(duì)介電常數(shù)：2.3

與增功率試驗(yàn)結(jié)果相比對(duì)，光伏電站兩回線路送出15 MW時(shí)，兩回線路電流分布結(jié)果見(jiàn)表3。

在增功率試驗(yàn)中，光伏電站送出15 MW時(shí)， 線路3I0約為26 A(I0約為8.7 A)，兩回線路零序電流大小相等、方向相反。仿真計(jì)算結(jié)果中，電纜一字型排列、間距100 mm時(shí)零序電流大小與試驗(yàn)結(jié)果相近，兩回線路零序電流方向相反，考慮到電纜排布結(jié)構(gòu)及電氣參數(shù)與實(shí)際存在誤差，可認(rèn)為仿真結(jié)果與試驗(yàn)基本相近。

若光伏電站滿發(fā)，即兩回線送出50 MW，考慮電纜不同排列及護(hù)套接地方式，一回線路電流分布情況見(jiàn)表4。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，若兩回線路一字型緊密排列，線路間互感作用強(qiáng)，各相電流分布不均衡[1]，每回線路產(chǎn)生的零序電流超過(guò)60 A。隨著兩回線路間距的增加，互感作用逐漸降低，相電流分布不均衡程度減輕。若電纜一字型排列，兩回線路間距100 mm時(shí)，每回線路產(chǎn)生的零序電流約為24 A；若電纜品字型排列，兩回線路間距250 mm時(shí)，每回線路產(chǎn)生的零序電流約為9 A。計(jì)算表明，較一字型排列，品字形排列更有利于均衡各相電流。

電纜金屬護(hù)套接地方式對(duì)線路零序電流大小影響較小，對(duì)零序電流分布有較大影響：①金屬護(hù)套兩端接地，護(hù)套層將感應(yīng)出較大不對(duì)稱電流，通過(guò)零流互感器與芯線不平衡電流疊加，共同形成線路零序電流；②金屬護(hù)套一端接地，護(hù)套層未形成回路，其上感應(yīng)的電流接近為0；③金屬護(hù)套交叉互聯(lián)兩端接地，護(hù)套層換位后感應(yīng)電流大幅降低至極小的水平。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算可以看出，兩回線路首末端各并列于同段母線，從電氣關(guān)系看相當(dāng)于兩回電纜雙拼運(yùn)行，若線路間距離近，則互感作用將改變各相電流分布，從而在每回線路上產(chǎn)生較大的零序電流[2]，容易導(dǎo)致零序電流保護(hù)動(dòng)作，另一回線路上零序電流大小相等方向相反，兩回線路零序電流合計(jì)為0。

零序電流的大小與線路間距、排列方式相關(guān)：

(1)線路間距決定了互感強(qiáng)弱，線路間距是零序電流大小的決定性因素。兩回線路距離越近，相電流分布越不均衡，零序電流越大。

(2)并列運(yùn)行的兩回線路產(chǎn)生的零序電流大小相近，相位相差接近180°，疊加后總零序電流接近為0。

(3)電纜金屬護(hù)套接地方式對(duì)線路總體零序電流大小影響較小，對(duì)零序電流在芯線、金屬互層的分布有較大影響。若金屬護(hù)套兩端接地，芯線電流及護(hù)套感應(yīng)電流生成的零序電流幅值接近；若金屬護(hù)套一端接地或交叉互聯(lián)兩端接地，護(hù)套層感應(yīng)電流接近0，零序電流主要由芯線不對(duì)稱相電流產(chǎn)生。

4 解決方法

從分析結(jié)果來(lái)看，由于現(xiàn)場(chǎng)施工不規(guī)范，使得部分路段電纜由品字形排列變成了一字形排列，線路間距變小，線路互感變強(qiáng)，零序電流變大。為解決零序電流過(guò)大的問(wèn)題，本工程將兩回35 kV送出電纜間距由250 mm放大至500 mm，施工時(shí)將每回35 kV線路3根單芯電纜每隔一定距離夾具固定或捆扎固定，保證每回電纜線路均成品字形排列。按此方案將35 kV電纜重新敷設(shè)后，零序電流大大減小，滿負(fù)荷狀態(tài)下零序電流接近于0，解決了光伏電站線路并列運(yùn)行零序電流異常問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

在光伏電站兩回送出線路首末端各并列于同段母線情況下，若線路間距較近，線路間的感應(yīng)作用將較大程度改變相電流分布，進(jìn)而產(chǎn)生較大的零序電流，影響光伏電站的送出。為避免這一現(xiàn)象，一方面在設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡量避免兩回線路接入同段母線，另一方面電纜之間距離應(yīng)適當(dāng)放大，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)保障線路按設(shè)計(jì)排列，減少此類問(wèn)題的發(fā)生。

[1] 田金虎，劉渝根，趙俊光，等. 多回同相多根并聯(lián)高壓電力電纜電流分布及金屬護(hù)套環(huán)流計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù), 2014, 40(1): 153-159.

TIAN Jinhu, LIU Yugen, ZHAO Junguang, et al. Circulating current in sheaths and current distribution on same-phase parallel multi-cable of multi-circuit power cable lines[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(1): 153-159.

[2]韓曉鵬，李華春，周作春. 同相兩根并聯(lián)大截面交聯(lián)電纜敷設(shè)方式的探討[J]. 高電壓技術(shù), 2005,31(11): 66-67.

HAN Xiaopeng, LI Huachun, ZHOU Zuochun. Discussion on laying mode of two parallel large section ac cables with same phase[J]. High Voltage Engineering , 2005, 31(11): 66-67.

(本文編輯：趙艷粉)

AnalysisofZero-SequenceProtectionActionAnomalyonGolmudPVPowerPlantTransmissionLine

CAONa1，QUHongjun2，WANGJianfeng2，WANGYuelin1

(1.ShanghaiElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Shanghai200025,China；2.StateGridHaixiPowerSupplyCompany,Golmud817000,China)

Somezerosequencecurrentanomaliesoccurredintwo-circuit35kVtransmissionlineofa50MWPVpowerplantinGolmud,Qinhai.Accordingtotheplantdesigndrawingsandon-siteinvestigation,thispaperestablishedthedispensingsystemsimulationmodelbasedonATP-EMTP,studiedtheimpactofmutualinductancebetweenlinesoncurrentdistributionineachphase.Whenbothsidesoftwoparallellinesaretiedatthesamebussegmentrespectively,wefoundthatifthelinespacingiscloser,thelinebetweentheinductionofagreaterdegreeofphasechangescurrentdistributionsothatitwillproducelargezero-sequencecurrent.Thisfindingisprovedbyon-siteincreasing-powertest.Afterlinespacingadjustmentandstrictarrangementinatriangle,thezero-sequencecurrentinthetwo-circuit35kVlinesisgreatlyreducedandrecoveredtonormal.

zero-sequencecurrent;powercable;currentdistribution;multi-phaseparallel

10.11973/dlyny201702012

曹 娜(1979—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力規(guī)劃設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)分析控制研究。

TM

A

2095-1256(2017)02-0145-04

2016-11-25