風電場接地變壓器容量選擇

靖 峰,韓 源,孫 靜

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

風電場集電線路由于處在風區，運行條件差，集電線路系統發生單相接地故障屬于比較常見的故障類型。當發生單相接地故障時，要求保護能夠做到準確選線、快速切除，而中性點低電阻接地方式能很好的適應這一要求，并且具有較低的弧光接地過電壓水平，目前在風電場集電線路系統中廣泛采用[1-4]。隨著部分風電項目運行時間的增加，暴露出接地變壓器容量選擇不恰當導致接地變壓器回路過流保護未正確整定和投入的問題，給系統的可靠保護和長期穩定運行留下隱患。本文對接地變壓器容量選擇過程進行分析，總結出接地變壓器容量計算過程中的常識錯誤和解決辦法。

1 接地變壓器容量計算的常見問題

中性點低電阻接地系統的接地變壓器容量計算通常按圖1步驟開展。

圖1 傳統接地變壓器容量計算流程圖

在項目實際的實施過程中，中性點接地成套裝置的選型過程經常存在如下問題：

(1) 未分析系統單相接地故障后電容電流的流通過程，對電容電流計算的理論基礎理解模糊；

(2) 電容電流計算未考慮系統連接的其它電力設備提供的電容電流，導致最終計算的電容電流值偏小；

(3) 認為單相接地故障時電容電流會流過接地電阻，因此需要接地電阻額定電流大于電容電流；

(4) 對單相接地故障的原理分析不清，混淆電容電流、電阻電流和故障電流；

(5) 接地變壓器容量未考慮與接地變壓器本體過流保護裝置的配合。

2 系統電容電流計算

2.1 系統電容電流的產生原理

圖2 系統正常運行時電容電流相量圖

2.2 單相接地故障時電容電流的回路

圖3 單相接地短路時電容電流相量圖

單相接地故障時電容電流的回路示意圖詳見圖4。

2.3 電容電流的計算

電力線路、電力設備對地都有一定的分布電容，電容電流的計算主要考慮電纜或架空線路，由于其它電力設備對地也都有一定的分布電容，但量值相對較小，工程設計中一般不單獨計算，工程應用中按線路電容電流的10%計算附加即可滿足要求[9-11]。電纜和架空線路電容電流可按下式進行計算。

(1) 對于電纜線路，電容電流計算方法：

IC=0.1Ue×L

(1)

式中:IC為線路電容電流，A；Ue為線路額定線電壓，kV；L為線路長度，km。

(2) 對于架空線路，電容電流計算方法：

IC=(2.7或3.3)Ue×L×10-3

(2)

式中:IC為線路電容電流，A；Ue為線路額定線電壓，kV；L為線路長度，km；(2.7或3.3)為系數，無架空地線時取2.7，有架空地線時取3.3。

3 接地電阻額定參數選擇

3.1 低電阻接地系統單相接地故障保護原理

由上節分析可以看出，當系統發生單相接地短路時，短路點會流過系統所有回路的電容電流，即故障回路流過系統所有回路的電容電流，非故障回路流過本回路的電容電流。當該電容電流流過各回路零序電流互感器時，單相接地零序保護即是通過判斷該零序電流的大小來確定并切除故障回路。

以A相發生單相接地短路為例，當單相接地故障發生時，對非故障回路而言，其流過非故障回路零序電流互感器的電流即為該回路B、C相電容電流的合電流，該電容電流基本可以保持穩定。但對于故障回路，其流過零序電流互感器的電容電流會根據故障時投運回路數的不同，在比較大的區間內變化，例如當僅有一回線路運行時，由于B、C相電容電流的合電流會經過A相接地短路點流回系統，也就是流過故障回路零序電流互感器的電容電流為零；當所有回路均運行時，所有非故障回路的B、C相電容電流均會通過故障回路A相接地短路點流回系統，也就是流過故障回路零序電流互感器的電容電流為系統總的電容電流。可以看出，由于系統運行回路數的不同，流過單相接地故障回路零序電流互感器的電容電流變化區間大，導致保護裝置無法準確且靈敏的判斷故障并快速切除。采用低電阻接地方式，在發生單相接地的情況下，能為接地故障回路提供一個穩定的電阻電流，從而確保故障回路準確判斷、快速切除。

圖4 單相接地故障時電容電流的回路示意圖

發生單相接地故障時，故障電流(即電阻電流和電容電流的矢量和)的回路示意圖詳見圖5。

通過以上分析可以看出，系統發生單相接地故障后，單相接地故障電流由兩部分組成，一部分為系統電容電流，一部分為由接地電阻回路提供的電阻電流。即故障回路流過的電流為系統電容電流與電阻電流的合電流，非故障回路流過的電流僅為本回路電容電流，單相接地零序保護即是通過判斷該電流的大小來切除故障回路。

3.2 電阻額定參數的選擇

電阻額定參數的選擇主要考慮額定電壓和額定電流，電阻額定電壓應不小于接入系統的額定電壓。額定電流的選擇主要考慮2個方面：一是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[12]；二是為限制故障點間歇性電弧接地時的過電壓水平，要求流過故障點的電阻性電流不小于電容性電流，一般取電阻性電流為電容性電流的1～1.5倍，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[13]。可以看出，進行接地電阻額定電流計算時，要求電阻額定電流大于電容電流，主要從降低過電壓水平的角度考慮，而不是由于電容電流需要流過接地電阻。

因此，當系統發生單相接地電容電流小于100 A時，電阻額定電流應取不小于100 A；當電容電流超過100 A時，電阻額定電流取為電容電流的1～1.5倍。

圖5 單相接地故障時故障電流的回路示意圖

4 接地變壓器額定參數選擇

4.1 接地變壓器參數計算

接地變壓器額定電壓及絕緣水平應與其所連接系統的額定電壓和絕緣水平保持一致。

接地變壓器的負荷僅為接地電阻，因此其容量應不小于接地電阻的額定容量，即：

SN≥Pr

(3)

式中:SN為接地變壓器額定容量；Pr為接地電阻額定容量。

采用上述方法進行容量計算時未考慮接地變壓器的運行方式及特點。在低電阻接地系統中，系統正常運行時，接地電阻回路沒有工作電流，接地變壓器繞組僅流過很小的勵磁電流。只有當系統發生單相接地短路故障時，接地變壓器繞組中才流過電阻電流，即接地變壓器的運行方式為長期空載運行；當發生單相接地故障時短時滿載運行，因此接地變壓器容量計算應充分利用接地變壓器的短時過載能力。

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可充分利用變壓器10 s短時過載能力。接地變的過載能力通常與設備的制造參數有關，經計算，油變10 s短時過載倍數可達16倍，干變(H級絕緣)10 s短時過載倍數可達19倍[14]，實際選型中一般按IEEE-C62.92.3推薦的過載系數取值為10.5倍。

4.2 接地變壓器容量復核

前述計算得出的接地變壓器容量已經可以滿足接地變壓器運行功能及單相接地保護的要求，但能否滿足接地變壓器內部相間故障的過流保護要求，還需要結合電流互感器參數對接地變容量進行進一步復核。

過流保護按躲過接地變壓器額定電流整定[15]。

Idz=KkIe

(4)

式中:Ie為接地變壓器額定電流；Kk為可靠系數，Kk≥1.3，實際經驗值取1.5。

保護裝置整定值下限為0.05 In(In為二次側電壓，取1 A)，即0.05 A。故Idz=1.5Ie>0.05IN(IN為流過保護安裝處的一次側額定電流)。經計算，接地變壓器額定電流應大于流過保護安裝處的一次側額定電流的1/30。

為保證保護動作的可靠性和安全性，需對電流互感器參數進行校驗。電流互感器參數選擇受制造工藝與安裝制約，主要體現在繞組內阻Rct、額定二次負荷Rbn和準確限值系數Kalf三者的合理選擇上。

綜上，需通過接地變壓器額定電流最小值對接地變壓器額定容量進行復核，若不滿足要求，則需適當增大接地變壓器容量直至滿足要求為止。

計算流程如圖6所示。

圖6 接地變壓器容量計算流程圖

5 結 語

本文主要通過相量圖分析，從單相接地電容電流產生的源頭及低電阻接地系統單相接地故障保護的要求入手，重點對接地變壓器容量設計過程進行梳理和總結，提出接地變容量選擇需重點考慮和注意的問題：

(1) 對單相接地故障時的電容電流回路進行分析，通過相量分析建立正確的理論模型；

(2) 站內除線路外的其它電力設備提供的電容電流是系統電容電流的組成部分，不應被忽略；

(3) 電阻額定電流的確定主要是考慮系統過電壓的水平，而不是電容電流的通流容量；

(4) 應考慮接地變壓器的運行特點，充分利用變壓器設備的短時過載能力，從而降低設備采購成本；

(5) 接地變壓器容量除滿足系統運行功能及單相接地保護要求外，還需關注與電流互感器過流保護繞組參數的配合，從而實現本體保護的安全可靠性。