風電場35kV側中性點接地方式的設計及設備選擇

王歡

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

風電場裝機容量不斷提高，場內集電線路的長度及回路數不斷增加，對風電場集電線路的持續穩定運行提出了更高要求。越來越多的風電場集電線路傾向電力電纜，而電力電纜線路在運行中存在著較大的對地電容電流，極易產生間歇性弧光過電壓對電氣設備造成損壞。如何準確選擇系統中性點的接地方式已經是影響風電場安全運行的主要問題。本文結合相關規程規范以及國家電網公司相關條文的要求，論述了風電場35kV系統側接地方式的選取及接地變壓器容量的選擇方案，為風電場中性點接地方式及接地變壓器容量的選擇提供了設計依據。

1 風電場系統接地方式概述

在風電場運行的過程中，接地故障占比最高的為單相接地故障，故障率約為60%。為了減少單相接地故障所帶來的危害，國內外相關專家一直致力于該故障的分析及研究。世界各國風電場所采用的接地方式不盡相同，主要依賴于各國各地區的運行經驗及傳統做法。

在我國由于風電場屬于中低壓系統（集電線路母線側電壓U≤66kV），故絕大多數風電場采用系統不接地的運行方式。一般來講中性點不接地系統通常由以下三種系統構成：系統不接地運行方式、系統經電阻接地運行方式、系統經消弧線圈接地運行方式。

1.1 系統不接地運行方式

在系統不接地運行方式中，由于系統三相電壓的對稱性，當發生單相接地故障時，各線電壓的電壓值不會發生較大變化，故接地故障點的故障電流值ID較小，通常發生單相接地故障時，系統可繼續運行2h，所以中性點不接地系統屬于小電流接地系統。在故障發生期間，電站運維人員可以根據繼保裝置信號來查找故障原因并進行處理，進而提高了系統的穩定運行。

圖1 系統不接地運行方式中發生單相接地故障時等值電路圖

圖2 單相接地故障時的電流電壓向量圖

圖1為發生單相接地故障時，系統不接地運行方式的等值電路圖，圖2為中性點不接地系統，發生單相接地故障時的電流電壓向量圖。圖中C1、C2、C3分別為三相對地的電容值，若C=C1=C2=C3，則在系統正常運行時，中性點的對地電壓為0，即UN=0。若在系統運行時，A相發生單相接地故障時，中性點對地電壓升高至相電壓，即UN=-UA，系統其他兩相對地相電壓升高為線電壓UBA、UCA，對地電容C2、C3中的電流分別領先UBA、UCA 90°，其值為：

式中，I1、I2為系統B相、C相的接地故障電流，ω為系統的電角速度，UN為系統中性點的對地電壓值。

故障電流為：

式中，ID為單相接地故障電流值。

由上式可以得出在系統不接地方式運行中發生單相接地故障時，流過故障回路的電容電流值為正常運行時三相正常回路對地電容電流值的總和。在系統不接地方式中發生單相接地故障時，大部分為非金屬接地故障，接地電弧處于不穩定狀態，這種間歇性的電弧時刻都在變化，極易形成弧光接地過電壓。

文獻[3]表明，中低壓系統電容電流超過10A時，接地電弧將難以自動熄滅。在實際運行中，因弧光過電壓造成事故的例子不在少數，如母線絕緣子、斷路器對地放電，引發短路。

目前降低弧光接地過電壓發生概率的兩種有效方式，是風電場系統采用經消弧線圈的運行方式及系統采取經電阻接地的運行方式。系統經消弧線圈接地方式可以補償單相接地故障時的接地電容電流值，從而降低系統弧光接地電壓高幅值的概率，進而限制弧光接地的過電壓的幅值；系統經電阻接地的方式在發生單相接地故障時，故障點可以產生較大的故障電流，繼電保護裝置可以迅速動作切除故障線路，從而降低弧光過電壓現象發生的概率。

1.2 系統經消弧線圈接地運行方式

當系統采用消弧線圈的接地方式，若風電場發生單相接地故障，故障點的電容電流值可以被消弧線圈的電感電流補償，降低故障點的電流值在10A以下，故障點的接地電弧不會重燃，從而防止接地事故進一步擴大。圖3為中性點經消弧線圈接地系統的零序等效電路圖。

圖3 中性點經消弧線圈接地系統的零序等效電路圖

由圖3可知，在系統經消弧線圈的接地方式中，發生單相接地故障時，故障點的電流值為集電線路的電容電流值IC與流經消弧線圈的電感電流IL向量和，即：ID=IL+IC，，當ID小于10A時，單相接地電弧過零后易不易重燃，降低了事故的影響面積。根據系統中消弧線圈容量的大小，中線點經消弧線圈的補償方式可以分為完全補償、過補償和欠補償。

1.3 系統經電阻接地方式

在風電系統中性點串接合適電阻值電阻器，使電阻器與系統對地電容組成串聯回路，在系統運行過程中，若發生單相接地故障時，可以迅速釋放系統中的電容電荷，從而達到限制過電壓幅值發生的概率，此種接地方式稱為系統經電阻接地方式。圖4為系統經電阻接地方式中零序等效電路圖。

從圖4可以看出系統中性點經電阻接地方式在發生單相接地故障時，故障點流經電阻器的電阻電流與故障點對地電容電流，兩者相位相差90°，故障點的電流值為兩者向量和。若風電場系統中性點接地電阻值選取合適，系統可以根據每回集電線路電流值的大小區別正常運行回路及故障回路，且快速切除故障線路。各回路對地電容電流值不同，為了保證每回集電線路繼電保護裝置能夠正確動作，各回路零序保護定值易分別進行設置。

圖4 中性點經電阻的接地系統零序等效電路圖

2 風電場35kV側系統接地方式選擇

2.1 現行規范對風電場35kV側系統接地方式的規定

目前國內在風電場35kV側系統接地方式的設計選型中除依據各地區的運行經驗及傳統做法外，主要參考依據以下規程規定。

（1）《風電場工程電氣設計規范》第4．9．2條規定：“風電場主變壓器低壓側35kV及以下系統中性點宜采用低電阻接地方式接地，也可采用其他接地方式，但不應采用不接地方式。”

（2）《風力發電廠設計技術規范》中第6．5．1條規定：“35kV集電線路或電纜單相接地電容電流大于10A時，均應在變電所裝設消弧線圈。”

（3）《國家電網公司十八項電網重大反事故措施（修訂版）》第3．2．3．3條規定：“風電場匯集線系統單相故障應快速切除。匯集線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。經電阻接地的匯集線系統發生單相接地故障時，應能通過相應保護快速切除，同時應兼顧機組運行電壓適應性要求。經消弧線圈接地的匯集線系統發生單相接地故障時，應能可靠選線，快速切除。”

由此可知：現行規程規范對風電場35kV側系統接地方式僅明確要求風電場禁止采用不接地的運行方式，但對系統中性點經消弧線圈的接地方式以及系統中性點經電阻的接地方式未做統一要求。兩種中性點接地方式均能滿足相關設計要求。因此，在實際設計應用中，風電場35kV系統中性點采用方式不能只參考某一規程規范，而應結合項目所在地國家電網條文的規定，合理設計風電場系統的中性點接地方式。

2.2 工程實例分析

某風電場裝機規模130MW，匯集本風電場所發電能后，通過一回220kV出線接入對側220kV變電站。風電場220kV側采用線變組接線方式，35kV側采用單母線接線方式，35kV側設置1套無功補償裝置、1套接地變裝置，集電線路采用35kV全電纜方案，集電線路總長度為75．4km。

根據文獻[4]，升壓站35kV側電容電流值計算方法如下：

電力電纜的電容電流：

式中，Ue為系統線電壓，L為集電線路長度，為電力電纜線路的電容電流。

考慮上風電場電氣設備對地電容電路增加13%，則總的電容電流值為298．2A。

若采用中性點經消弧線圈接地方式，35kV側中性點消弧線圈的所需容量如式（2）所示

式中，K為過補償系數，1．25，Q為消弧線圈的容量。根據文獻[5]的規定，接地變壓器的容量需大于消弧線圈的容量，即S≥Q,故接地變壓器的容量為8000kVA。

根據文獻[6]規定，35kV消弧線圈優選額定容量不宜過大，其值小于2400kVA為宜。在風電場實際運行中，若消弧線圈的容量值高于2400kVA，則該消弧線圈需定制加工，且實際應用案例較少。故在風電場設計選型中若系統的電容電流值較大時，不宜選用中性點經消弧線圈的接地方式。

當采用中性點經低電阻接地方式時，要求流過中性點電阻的阻性電流值不小于容性電流值，以限制間歇性弧光接地時的過電壓水平在2．6倍的相電壓內（此數值是高壓電動機、電力電纜可以承受的最大過電壓倍數）；同時為了保證繼電保護裝置能夠正確動作，要求單相接地故障電流大于線路的電容電流。

故取 IR=1．5×IC=447．3A。則單相接地故障電流為：

式中，ID為單相接地故障電流，IR為流過故障點的電阻性電流，IC為流過故障點的容性電流。

根據文獻[5]可知中性點接地電阻的阻值為：

式中，R為中性點電阻值，UN為中性點電壓值。

接地電阻消耗的功率為：

式中，PR為中性點接地電阻消耗的功率。

根據文獻[5]的規定，接地變壓器的容量取值為：

式中，K為接地變壓器過載系數，根據IEEE-C62．92．3標準中對接地變壓器的短時允許過載系數的規定，取值為10．5。

故根據式（8）接地變壓器的容量可選為1200kVA。

由上文分析計算可知，風電場系統中性點經電阻接地方式選用的接地變壓器容量，較中性點經消弧線圈接地方式選用的接地變壓器容量降低比較明顯，設備成本大為降低。

3 結語

當風電場集電線路主要為電力電纜且風電場裝機容量較大時，反生單相接地故障時，多為金屬性接地故障，且故障電弧不易熄滅，故在風電場中性點接地方式的選擇及接地容量的選取時，應優先考慮選用中性點經電阻接地的方式，保證故障線路快速有效的切除，減少接地事故的進一步擴大。

[1]林峰,張蘭英,呂庭欽,相里碧玉,江岳文．風電場接地變及其中性點接地電阻的改進方案分析[J]．電網與清潔能源 ,2015,31(2)：126-129．

[2]曹小玲,蔣多暉．中性點經小電阻接地方式在電力系統中的應用 [J]．華東電力 ,2013,41(11)： 2205-2206．

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

[4]弋東方,鐘大文等．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,2001：80-84．

[5]中華人民共和國國家發展和改革委員會．DL/T 5222-2005導體和電器選擇設計技術規定[S]．北京：中國電力出版社,2005．

[6]中華人民共和國國家發展和改革委員會．DL/T1057-2007 自動跟蹤補償消弧線圈成套裝置技術條件[S]．北京：中國電力出版社,2007．