新能源發電小電流接地系統的接地保護改進

俞立凡，程 途

(1.杭州華電下沙熱電有限公司，浙江 杭州 310018；2.江蘇華電戚墅堰發電有限公司，江蘇 常州 213000)

0 引言

近幾年來，全國的霧霾天氣日漸增多，引發了國家對可再生能源的重視，風電、光伏發電得到了快速發展，特別是受光伏組件成本的降低及國家扶持政策的影響，光伏電站取得了快速發展。

其中，中型的風力、光伏電站一般采用10—35 kV小電流接地系統并網。按照電力系統的常規做法，此系統發生單相接地后，一般允許繼續運行一段時間，以保證用戶的供電連續性。但由于新能源電站受外界發電條件制約較多，電網對新能源電站的依賴性不強，所以在接地故障發生后，保護是按常規繼續運行一段時間，還是投跳閘，意見不統一。因此需要通過分析，找出合理的方案。

1 10 kV系統接地的危害

眾所周知，在10 kV小電流接地系統中，如發生單相金屬性接地時，接地相的對地電壓降到0；非接地相的對地電壓升高為線電壓，PT三角開口電壓達到零序電壓繼電器動作條件，發出接地信號。因三相的線電壓仍保持對稱，所以三相線電流保持不變，不影響對電網的供電。

若線路經過高電阻或弧光接地時，中性點電位偏移，此時相電壓表現為一相降低，但不為0；另外兩相升高，大于相電壓額定值，但達不到線電壓額定值；PT三角開口電壓大于整定值，零序電壓繼電器動作，發接地信號。因其三相線電壓也保持對稱，故接地線路一般仍可以繼續保持運行1—2 h。

某光伏電站曾因單相電纜絕緣損壞接地，造成本身電纜燒損，相鄰2根電纜都受到電弧高溫灼傷，外護層均出現大面積的碳化(見圖1)。

圖1 電纜燒損情況

保護裝置信號記錄如下：

16：36：30，總告警動作；

16：36：30，零序三段告警動作；

16：44：30，過頻一段動作發生；

16：44：30，TWJ動作。

可見，接地電弧燃燒的時間并不長。

理論上，接地故障時過頻保護不會動作，接地電弧將一直燒到兩相短路，直到過流保護或速斷保護動作為止。但實際上，由于發生了接地電弧，不穩定的間歇性電弧多次不斷地熄滅和重燃，在故障相和非故障相的電感電容回路上會引起高頻振蕩過電壓，最終工頻疊加電弧放電的頻率，觸發過頻保護動作跳閘，但它具有一定的偶然性。

從接地發信到跳閘僅僅8 min，電弧就將電纜燒成這種狀態的原因是：絕緣損壞是一個漸進的過程，在接地保護發信之前，電弧可能已經慢慢出現，實際弧光出現的時間可能比8 min要長。

通過保護裝置自帶的錄波功能查看可知，此次故障相電流達到16.8 A，非故障相電流為6 A(二次 值Ia=Ic=0.1 A，Ib=0.28 A，CT 變 比 300∶5)；故障相電壓2 kV，非故障相電壓11 kV。

雖然10 kV線路單相接地時允許繼續向電網供電，但這時非故障相電壓會升高，很可能擊穿其他絕緣薄弱點，從而引起電纜兩相接地短路故障，對電網、設備造成更大損壞。因此，需要在較短的時間內消除接地故障。

2 新能源電站接地保護跳閘的必要性

根據光伏電站的設計規范，光伏發電控制方式宜按無人值班或少人值守的要求進行設計。所以，光伏電站一般白天有人值班，晚上因為沒有太陽不能發電，不安排值班人員；或者采用遠傳監控方式，多個電站集中監控，現場不安排值班人員。因此，若發生接地故障，現場的間歇性電弧是很難被及時發現的，而電弧對設備、周圍房屋是一個重大火災隱患；且在發生單相接地時，若不能可靠熄弧，易發展成為相間短路，危害更大。

另外，《西北區域光伏電站并網管理暫行規定》已經明確要求：光伏電站10—35 kV饋線發生單相接地故障時，須可靠、快速切除故障。

所以，考慮到新能源電站的無人或少人值班現狀，當10 kV系統發生接地故障時，應讓繼電保護自動切除接地線路，待運檢人員到現場后再檢查或恢復運行等。而且，考慮到新能源電站的供電可靠性有別于常規電廠，從保護設備的原則出發，發生接地故障后也應可靠、快速切除故障。就算采用遠傳監控的光伏電站，在發生接地故障后，也需要在2 h內查出故障線路，然后作停役處理。因為靠人為快速判斷、切斷故障線路有一定難度，故應考慮采用自動方式可靠、快速切除故障。

最后，對于不能在8 h內切除接地故障的新能源電站，其電纜選型需提升標準，增加設備投資費用。特別是采用遠傳監控的，很可能要大于8 h后才能派人去現場處理。例如：寧波杭州灣1個10 MW的屋頂光伏電站和湖州南洵1個15 MW的屋頂光伏電站，都是杭州華電下沙熱電有限公司通過遠傳監控的；若有異常情況，需要第2天才能派員到現場處理。

因此，當新能源電站10 kV系統發生單相接地故障時，可靠、快速切除故障成為必要。

3 可靠的接地保護實現方式

在中性點不接地系統中發生單相接地故障時，非故障線路零序電流的大小等于本線路的接地電容電流，故障線路零序電流的大小等于所有非故障線路的零序電流之和，也就是所有非故障線路的接地電容電流之和。通常故障線路的零序電流比非故障線路零序電流大，這樣由于每個回路的電纜長度不同、電纜截面不同，每個回路的對地電容電流也不同。因此，單靠零序電流保護，會造成開關誤動，故需要增加方向閉鎖。即：在中性點不接地的電網中發生單相接地故障時，非故障線路的零序電流超前零序電壓90°，故障線路的零序電流滯后零序電壓90°，故障線路的零序電流與非故障線路的零序電流相位相差180°。根據這一原則，可以利用零序方向元件區分出接地故障線路。因此，保護測控裝置單相接地選線的判斷條件為

(1) 零序電流(3I0)大于設定值；

(2) 零序電壓(3U0)大于設定值；

(3) 零序功率方向滿足。

滿足上述條件且經過設定時間，接地保護動作，跳開相應回路。

當然，對于沒有方向判斷的保護，也可考慮利用小電流選線裝置的接地選線功能加零序電流來組合。即：單相接地選線的判斷條件為

(1) 零序電流(3I0)大于設定值；

(2) 零序電壓(3U0)大于設定值；

(3) 接地選線條件滿足。

滿足上述條件且經過設定時間，接地保護動作，跳開相應回路。但這僅僅是理論上的，具體應用還需要優化。采用零序方向保護方式可以滿足電網要求，提高新能源電站的運行安全性。

4 結束語

新能源電站有別與常規電廠，10 kV系統接地故障發生后，接地保護應可靠、快速切除故障。采用零序方向保護或零序加接地選線保護等，是較為合理的，對設備也是安全可靠的，特別適合無人值守的新能源電站。