格爾木光伏電站送出線路零序保護異常動作分析

曹 娜，屈紅軍，王劍鋒，王悅霖

(1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2. 國網海西供電公司，青海 格爾木 817000)

格爾木光伏電站送出線路零序保護異常動作分析

曹 娜1，屈紅軍2，王劍鋒2，王悅霖1

(1.上海電力設計院有限公司，上海 200025；2. 國網海西供電公司，青海 格爾木 817000)

青海格爾木某50MW光伏電站兩回35kV送出線路出現零序電流異常現象。根據該電站送出系統接線形式，結合現場調研情況，建立基于ATP-EMTP光伏送出系統仿真模型，研究線路間互感對各相電流分布的影響。研究發現，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，線路間的感應作用將較大程度改變相電流分布，進而產生較大的零序電流，現場增功率試驗結果證明了上述結論。在調整兩回線路間距并嚴格按照品字形排列后，兩回35kV線路零序電流大幅降低，線路送出恢復正常。

零序電流；電力電纜；電流分布；多相并聯

2015年底，青海格爾木某50 MW光伏發電項目完工并網，在試運行期間，屢次發生送出線路零序電流保護動作跳閘的現象，導致光伏電站無法全額送出，對電網安全運行造成威脅。據了解，格爾木地區有多個光伏電站均存在這些問題。本文結合實地調查情況，依照光伏電站送出系統接線方式，建立計算模型進行仿真分析。同時，光伏電站配合格爾木地調做增功率試驗，發現零序電流分布規律，找出問題原因，并提出解決方案。

1 零序電流異常問題

格爾木50 MW光伏電站通過2回35 kV線路接入電網，線路長度2×1.8 km，采用截面400 mm2的交聯聚乙烯電纜。電纜以直埋方式敷設，采用品字形排列，護層兩端接地，線路間距250 mm。線路送出端35 kV開關站為單母線接線，對側接入110 kV電業站35 kV I段母線，即兩回送出線路首末端分別接于同段母線。

在試運行期間發現送出線路零序電流異常情況如下：

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

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

(3)當兩回35 kV線路同時運行時，兩回線路零序電流隨著線路負荷增大而增大，當總送出功率達到17 MW，線路零序電流接近零序電流I段整定值(30 A)時，送出功率繼續增大時兩回35 kV線路零序電流I 段保護動作跳開電業站側線路斷路器。

由于雙回線路并列運行時零序電流異常，光伏電站功率無法全額送出，不僅嚴重影響了電站的正常運營，對系統安全也造成一定的威脅。

2 增功率試驗結果

為發現線路零序電流分布規律，光伏電站配合格爾木地調做了增功率試驗：兩回線路并列運行，光伏電站送出功率由0 MW逐步增加至15 MW。在此過程中當光伏電站送出總功率分別達到5、8、10、12、14、15 MW時，提取同時段每回線路兩側的故障錄波器波形，實測線路零序電流異常值。

試驗中記錄到光伏電站不同功率節點時，兩回線路三相電流、外接零序電流有效值見表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 線路增功率時各相電流試驗結果 A

根據試驗結果，并列運行時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，送出功率增至15 MW時，每回線路零序電流(3I0)達到26.5 A,接近30 A的限額。兩回線路零序電流-功率圖(見圖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 計算條件

根據現場調研情況，由于光伏電站送出線路施工不規范，部分地段沒有夾具固定或捆扎固定，導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：施工不規范導致線路間距過近，線路互感作用改變了各相電路分布，從而導致線路零序電流過大。

為驗證初步分析的結果，并考慮到電纜實際可能的排列情況，按以下3種方式進行計算：

(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交聯聚乙烯電纜，3種排列方式見圖3。

圖3 電纜排列方式

光伏電站滿功率送出功率為50 MW，為與增功率試驗結果相比對，還對兩回線路一字型排列送出15 MW進行了仿真計算。

3.2 光伏電站送出仿真

根據光伏電站送出系統接線情況，基于ATP-EMTP對光伏送電系統建立模型進行仿真，研究不同排列方式下滿功率送出時兩回線路A相、B相、C相電流有效值與相角，計算每回線路零序電流分布。

光伏電站送出系統等值電路如圖4所示。

圖4 光伏電站送出系統等值電路

電纜選用Bergeron模型。電纜結構參數見表2。

表3 光伏電站送出15 MW時線路零序電流分布 A

注：按金屬護套兩端接地計算。

表4 一回線路零序電流分布 A

注：另一回線路零序電流計算結果相近，相位相差接近180°。

表2 電纜結構參數

相關電氣參數按以下取值：

電纜芯電阻率： 2.3×10-8Ω·m

電纜芯相對磁導率：1

導體絕緣層相對磁導率：1

導體絕緣層相對介電常數：2.3

金屬護套層電阻率： 2.8×10-8Ω·m

金屬護套相對磁導率：1

金屬護套絕緣層相對磁導率：1

金屬護套層絕緣層相對介電常數：2.3

與增功率試驗結果相比對，光伏電站兩回線路送出15 MW時，兩回線路電流分布結果見表3。

在增功率試驗中，光伏電站送出15 MW時， 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。仿真計算結果中，電纜一字型排列、間距100 mm時零序電流大小與試驗結果相近，兩回線路零序電流方向相反，考慮到電纜排布結構及電氣參數與實際存在誤差，可認為仿真結果與試驗基本相近。

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

由計算結果可見，若兩回線路一字型緊密排列，線路間互感作用強，各相電流分布不均衡[1]，每回線路產生的零序電流超過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，每回線路產生的零序電流約為24 A；若電纜品字型排列，兩回線路間距250 mm時，每回線路產生的零序電流約為9 A。計算表明，較一字型排列，品字形排列更有利于均衡各相電流。

電纜金屬護套接地方式對線路零序電流大小影響較小，對零序電流分布有較大影響：①金屬護套兩端接地，護套層將感應出較大不對稱電流，通過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金屬護套一端接地，護套層未形成回路，其上感應的電流接近為0；③金屬護套交叉互聯兩端接地，護套層換位后感應電流大幅降低至極小的水平。

3.3 計算結果分析

通過仿真計算可以看出，兩回線路首末端各并列于同段母線，從電氣關系看相當于兩回電纜雙拼運行，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生較大的零序電流[2]，容易導致零序電流保護動作，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為0。

零序電流的大小與線路間距、排列方式相關：

(1)線路間距決定了互感強弱，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)并列運行的兩回線路產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)電纜金屬護套接地方式對線路總體零序電流大小影響較小，對零序電流在芯線、金屬互層的分布有較大影響。若金屬護套兩端接地，芯線電流及護套感應電流生成的零序電流幅值接近；若金屬護套一端接地或交叉互聯兩端接地，護套層感應電流接近0，零序電流主要由芯線不對稱相電流產生。

4 解決方法

從分析結果來看，由于現場施工不規范，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，零序電流變大。為解決零序電流過大的問題，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電纜重新敷設后，零序電流大大減小，滿負荷狀態下零序電流接近于0，解決了光伏電站線路并列運行零序電流異常問題。

5 結語

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，線路間的感應作用將較大程度改變相電流分布，進而產生較大的零序電流，影響光伏電站的送出。為避免這一現象，一方面在設計階段應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適當放大，現場施工時保障線路按設計排列，減少此類問題的發生。

[1] 田金虎，劉渝根，趙俊光，等. 多回同相多根并聯高壓電力電纜電流分布及金屬護套環流計算[J]. 高電壓技術, 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. 同相兩根并聯大截面交聯電纜敷設方式的探討[J]. 高電壓技術, 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，高級工程師，主要從事電力規劃設計、電力系統分析控制研究。

TM

A

2095-1256(2017)02-0145-04

2016-11-25